Классификация методов проектирования
В основе процесса проектирования информационных систем лежат методологии проектирования, реализуемые их методы проектирования информационных систем.
Проектирование представляет собой последовательность выполнения взаимообусловленных действий — процедур. В свою очередь, процедуры подразумевают использование определенных методов, основанных на тех или иных законах природы и общества. Сложность процесса проектирования информационных систем(как и любой другой творческой деятельности), нестандартность проектных (жизненных) ситуаций вызывают необходимость знать различные методы проектирования информационных систем и умения владеть ими.
В общем случае метод — это прием или способ действия с целью достижения желаемого результата. Метод проектирования информационных систем — это целенаправленная совокупность процедур, позволяющая получить в результате описание разрабатываемой информационной системы с такой степенью детализации, которая достаточна для ее реализации.
Для классификации методов проектирования рассмотрим три основных признака: декомпозиция, использование типовых проектных решений(ТПР) и степень автоматизации. Классификационная структура по данным признакам показана на рисунке.
Метод декомпозиции позволяет разложить сложную задачу на ряд простых, но взаимосвязанных задач, представить её в виде иерархической структуры. Применение метода декомпозиции позволяет выделить три группы методов проектирования:
- структурного проектирования, когда информационная система представляется в виде набора функций, задач иои процессов;
- объектного проектирования, когда информационная система представляется в виде совокупности взаимодействующих объектов, реализованных на основе предопределенных типов данных — классов;
- аспектного проектирования, когда информационная система представляется в виде совокупности аспектов, реализующих так называемую сквозную функциональность;
- синергетические методы базируются на новой парадигме построения программных систем, основанной на неравновесных процессах.
Примечание. Следует подчеркнуть, что в процессе проектирования ИС декомпозиция неразрывно связана с последующей композицией, то есть сборкой и увязкой отдельных частей (подсистем) в единую систему с проверкой на реализуемость в целом, совместимость (особенно подсистем, принадлежащих разным ветвям) и согласованность параметров (восходящее проектирование). Очень эффективным является совместное использование этих методов.
Оригинальное (индивидуальное) проектирование информационной системы (ИС) характеризуется тем, что все виды проектных работ ориентированы на создание индивидуальных для каждого объекта проектов, которые в максимальной степени отражают все его особенности.
Типовое проектирование выполняется на основе опыта, полученного при разработке индивидуальных (специальных) проектов и позволяет реализовать больше возможностей обеспечивать должный научно-технический уровень разработки ИС (в отличие от технологии индивидуального проектирования). При типовом проектировании широко используются шаблоны(паттерны).
Ручное проектирование компонентов ИС осуществляется без использования специальных инструментальных программных средств.
Компьютерное (автоматизированное) проектирование предполагает выполнение генерации или конфигурации (настройки) проектных решений на основе использования специальных инструментальных программных средств (CASE-средств).
Проектирование, как осознанная целенаправленная деятельность, обладает определённой структурой, то есть последовательностью и составом стадий и этапов разработки проекта, совокупностью процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействием участников процесса.
В настоящее время существуют два представления структуры проектирования:
- структура в виде стадий разработки проектной документации (стадий проектирования);
- структура процесса проектирования, например, рационального универсального процесса RUP.
Наиболее часто в настоящее время применяется оригинальное (индивидуальное) проектирование информационных систем, в процессе которого создается требуемый набор артефактов, в качестве которых используются модели, диаграммы и программы, созданные с помощью определенных инструментальных средств, в определенной графической нотации и на определенных языках программирования. Его структура представляется в виде стадий и этапов разработки.
Стадии и этапы оригинального проектирования информационных систем
Метод проектирования информационных систем — это целенаправленная совокупность определенных процедур, последовательность выполнения которых регламентируется ГОСТ.
В процессе проектирования информационной системы необходимо руководствоваться целым рядом ГОСТ(ЕСПД), главными из которых являются следующие:
- ГОСТ 34.* Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы;
- ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-2010 Информационная технология. Системная и программная инженерия. Процессы жизненного цикла программных средств;
- ГОСТ Р 57193-2016 Системная и программная инженерия Процессы жизненного цикла систем.
Примечание. До 1 ноября 2017 г. существовал национальный стандарт РФ ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005 «Информационная технология. Системная инженерия. Процессы жизненного цикла систем», вместо которого был введен в действие ГОСТ р 57193-2016.
Основным руководящим документом, определяющем стадии и этапы проектирования информационных систем является ГОСТ 34.601-90 Автоматизированные системы. Стадии создания.
Эти стадии и этапы создания ИС(АС) в общем случае приведены в таблице.
| Формирование требований к ИС | Обследование объекта(предметной области) и обоснование необходимости создания ИС. Формирование требований пользователя к ИС. Оформление отчёта о выполненной работе и заявки на разработку ИС (тактико-технического задания) |
| Разработка концепции ИС | Изучение объекта(предметной области). Проведение необходимых научно-исследовательских работ. Разработка вариантов концепции ИС, удовлетворяющего требованиям пользователя. Оформление отчёта о выполненной работе |
| Техническое задание. | Разработка и утверждение технического задания на создание ИС |
| Эскизный проект | Разработка предварительных проектных решений по системе и её частям. Разработка документации на ИС и её части |
| Технический проект | Разработка проектных решений по системе и её частям. Разработка документации на ИС и её части. Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования ИС и (или) технических требований (технических заданий) на их разработку. Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации. |
| Рабочая документация | Разработка рабочей документации на систему и её части. Разработка или адаптация программ |
Каждый этап создания информационной системы предусматривает решение определённых задач при заданных исходных данных, вытекающих из требований к системе или полученных на предыдущем этапе и применении определенных методов решения для достижения требуемых результатов.
При выполнении курсового или дипломного проекта процесс проектирования информационной системы в соответствие с ГОСТ 34 можно укрупненно представить в виде следующих более крупеых этапов:
- на начальном этапе предполагает выполнение предпроектного обследования предметной области, в которой будет использоваться будущая информационная система,
- затем требуется выполнить техническое(архитектурное) проектирование, в процессе которого осуществляется построение моделей и алгоритмов на логическом уровне,
- и завершается процесс создания информационной системы рабочим проектированием, на котором выполняется разработка программ, создание баз данных и выбор аппаратных средств на физическом уровне.
- на заключительном этапе создания информационной системы она подлежит комплексной оценки качества и надежности(тестированию), в частности необходимо оценить ее производительность.
Методы оригинального проектирования информационных систем применяются тогда, когда нет возможности применить другие методы или, когда требуется показать квалификацию в области проектирования информационных систем, как, например, в курсовом и дипломном проектировании.
Методы типового проектирования ИС
Оригинальное (индивидуальное) проектирование ИС характеризуется тем, что все виды проектных работ ориентированы на создание индивидуальных для каждого объекта проектов, которые в максимальной степени отражают все его особенности. Однако это очень трудоемкая работа, не учитывающая существующий опыт и уже созданные проектные решения. Для устранения данного недостатка можно применить типовое проектирование.
Типовое проектирование выполняется на основе опыта, полученного при разработке индивидуальных (специальных) проектов и позволяет реализовать больше возможностей обеспечивать должный научно-технический уровень разработки ИС (в отличие от технологии индивидуального проектирования).
Типовое проектное решение (ТПР) – это представленное в виде комплекта проектной документации и/или набора программных модулей проектное решение, пригодное к многократному использованию.
В зависимости от используемого класса типовых проектных решений методы типового проектирования подразделяются на:
- -элементное проектирование;
- -подсистемное проектирование;
- -объектное проектирование.
При элементном проектировании в качестве типового элемента используются простые ТПР, относящиеся к отдельной задаче ИС.
Подсистемное проектирование предполагает использование типовых элементов, в качестве которых выступают пакеты прикладных программ (ППП), которые применяются для автоматизации отдельных функциональных подсистем ИС.
Идея объектного метода заключается в создании и повторном использовании законченного (т.е. с полным набором функциональных и обеспечивающих подсистем) типового проекта для автоматизации управления объектом определенной отрасли. Объектный метод по определению обеспечивает полную программную совместимость компонентов системы. Примеры систем автоматизации типового проектирования: SAP, BAAN.
Процесс проектирования ИС состоит из следующих основных этапов:
- -разбиение проекта информационной системы на отдельные составляющие (компоненты);
- -выбор и приобретения имеющихся на рынке типовых проектных решений (тиражируемых продуктов) для каждого компонента ИС;
- -настройка и доработка приобретенных типовых проектных решений в соответствии с требованиями конкретной предметной области.
Для реализации типового проектирования используется два подхода: параметрически-ориентированное и модельно-ориентированное проектирование.
Параметрически-ориентированное проектирование включает следующие этапы:
- -определение критериев оценки пригодности пакетов прикладных программ (ППП) для решения поставленных задач,
- -анализ и оценка доступных ППП по сформулированным критериям,
- -выбор и закупка наиболее подходящего пакета,
- -настройка параметров (доработка) закупленного ППП.
Суть модельно-ориентированного подхода заключается в следующем. Сначала строится модель предметной области, а затем по ней выполняется моделирование информационной системы, то есть конфигурирование и связывание между собой типовых модулей. Все это проводится с использованием единой системы CASE-средств.
Инструментарий типового проектирования ИС на основе модельно-ориентированной технологии включает в себя следующие элементы:
- -репозиторий — база метаинформации, которая содержит информацию о множестве используемых моделей;
- — CASE-средства для проектирования модели объекта автоматизации (мы их рассматривали ранее). Эти средства обычно интегрированы в систему автоматизированного типового проектирования.
- -конфигуратор ИС – программа, которая автоматически генерирует конфигурацию информационной системы по построенной модели предметной области.
Типовое проектирование на основе шаблонов
Одной из разновидность методов типового проектирования является проектирования на основе шаблонов(pattern). Шаблон проектирования (паттерн, design pattern) — это архитектурная конструкция, предоставляющая эффективное решение проблемы проектирования в рамках конкретного контекста и предполагающая многократное применение.
Преимуществом использования шаблона является то, что он описывает решение целого класса абстрактных задач. Эффективно построенный шаблон проектирования позволяет, однажды отыскав удачное решение, пользоваться им снова и снова.
Среди множества разновидностей шаблонов(паттернов) можно выделить следующие виды(классы):
- Архитектурные паттерны (architectural patterns) определяют состав и функции отдельных подсистем, а также их взаимодействие.
- Системные паттерны (system patterns) описывают системный (верхний) уровень информационной системы или ее программного обеспечения.
- Структурные паттерны (structural patterns) определяют способы разделения и объединения элементов программного обеспечения информационной системы.
- Поведенческие паттерны (behavioural patterns) представляют собой совокупность эвристических способов организации управления в информационной системе.
Пожалуй самое широкое распространение получил архитектурный шаблон MVC(Model- View-Controller, Модель-Вид- Контроллер). Это обусловлено, прежде всего, том, что шаблон MVC наиболее полно соответствует одной из распространенных архитектур построения информационной системы — трехуровневой архитектуры.
Применение шаблона MVC при типовом проектировании позволяет осуществить разделение информационной системы на три независимые(слабо зависимые) функциональные части: модель(связь с базой данных), представление (пользовательский интерфейс) и контроллер (управляющую логику), что облегчает разработку, модификацию и настройку каждой отдельной архитектурной части информационной системы.
При использовании данного шаблона проектирования система делится три отдельных больших блока:
Модель, которая отвечает за бизнес-логику приложения, предоставление данных Представлению и оповещение его об изменениях своего состояния, а также реагирует на команды Контроллера путем изменения своего состояния.
Представление, которое отвечает за отображение данных пользователю в определенном виде (Представление получает эти данные и оповещения об их изменении от Модели) и получение от него команд на редактирование данных, отправление команд пользователя Контроллеру. 3) Контроллер, который отвечает за интерпретацию команд пользователя, получаемых от Представления, в набор действий над Моделью для ее последующего изменения.
Наглядно схема работы информационной системы аутентификации по клавиатурному почерку, спроектированной по шаблону проектирования MVC, представлена на рисунке.
В качестве примера других паттернов, например, проектирования классов, можно привести такие как «Фабричный метод», «Шаблонный метод»; паттернов проектирования объектов — «Абстрактную фабрику», «Хранителя» и др.
Сравнительный анализ методов проектирования
Очевидно, что выбор методов определяется целями проекта и в значительной мере влияет на весь его дальнейший ход. Важнейшими из подходов являются структурный (функциональный), объектно-ориентированный, отдельно выделяются методы методологии ARIS.
ARIS поддерживает большое количество методов моделирования, используемых для построения этих моделей. Среди них такие известные как диаграммы Чена, Unified Modeling Language (UML), Object Modeling Technique (OMT) и т.п. Последняя версия ARIS поддерживает более 83 методов моделирования.
Функционально-технологические методы проектирования ИС обеспечивают анализ непрерывно изменяющегося спектра организационных и управленческих функций и опережающих технологий их решения с целью синтеза системной архитектуры системы, удовлетворяющей ее функциональному назначению и заданным показателям качества.
Функционально-технологические методы характеризуются:
- -целостным подходом к анализу и синтезу системной архитектуры ИС и реализуемых в этой архитектуре организационных и управленческих функций;
- -учетом динамики организационных и управленческих функций, а также обеспечивающих их программно-технических решений и системных архитектур;
- -учетом взаимосвязей организационных и управленческих функций, обеспечивающих их информационных технологий и системной архитектуры ИС при определяющей роли функций и технологий по отношению к структуре;
- -учетом физических и информационных связей между элементами ИС;
- -учетом взаимосвязей создаваемой ИС с внешней средой.
Существенным достоинством функционально-технологических методов является формирование и применение динамичных типовых конструкторских решений при создании ИС: типовых прикладных решений, типовых технологических подсистем и типовых операций по обработке информации, а также связанных с ними программно-технических решений.
Наиболее существенное различие между разновидностями структурного анализа заключается в их функциональности. Модели SADT (IDEF0) наиболее удобны при построении функциональных моделей. Они наглядно отражают функциональную структуру объекта: производимые действия, связи между этими действиями. Таким образом, четко прослеживается логика и взаимодействие процессов организации.
Главным достоинством нотации IDEF0 является возможность получить полную информацию о каждой работе, благодаря ее жестко регламентированной структуре. С ее помощью можно выявить все недостатки, касающиеся как самого процесса, так и то, с помощью чего он реализуется: дублирование функций, отсутствие механизмов, регламентирующих данный процесс, отсутствие контрольных переходов и т.д.
Что касается нотации стандарта IDEF1X, то, наряду со многими достоинствами, существенным недостатком его является невозможность адекватно и полно описать предметную область. Поэтому, код клиентского приложения, генерируемый в дальнейшем на основе информации о структуре БД, не позволяет построить эффективное приложение со сложной бизнес – логикой. Это вызвано тем, что данные для хранения в БД необходимо представить в таблицах, к структуре которой предъявляются требования нормализации и т.п. В настоящее время более перспективным считается проектирование информационной системы не от данных(БД), а от программного приложения.
DFD(IDEF2) позволяет проанализировать информационное пространство системы и используется для описания документооборота и обработки информации. Поэтому диаграммы DFD применяют в качестве дополнения модели бизнес-процессов, выполненной в IDEF0.
IDEF3 хорошо приспособлен для сбора данных, требующихся для проведения анализа системы с точки зрения рассогласования/согласования процессов во времени.
Формирование и использование типовых конструкторских решений в соответствии с функционально-технологическими методами обеспечивают высокую динамику проработки технических решений для всех видов взаимодействующих процессов и взаимосвязь их по трем уровням проектирования (полииерархическая модель):
- -концептуальный (общесистемных проблем), на котором осуществляется анализ и синтез системных архитектур;
- -функционирующих объектов информационной системы, где формируются решения по созданию и совершенствованию информационной системы;
- -элементов информационной системы – создание программно-технической инфраструктуры функционирующих объектов.
ИС, решающие аналитические и в особенности аналитико-логические задачи, зачастую оперируют неточной и неопределенной информацией. Такие задачи возникают, в частности, на валютных рынках, на фондовых биржах, при оценке риска инвестиций, при прогнозах спроса и предложений на рынках ценных бумаг и т.д. Проектирование подобных систем требует усиления функционально-технологических методов объектными методами.
Принципиальное различие между структурным и объектно-ориентированным подходом заключается в способе декомпозиции системы. Объектно-ориентированный подход использует объектную декомпозицию, при этом статическая структура системы описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы описывается в терминах обмена сообщений между объектами
В настоящее время объектный подход стал особенно популярен и характеризуется разработчиками как универсальное средство проектирования. Однако методология применения UML на этапах анализа и проектирования описана достаточно слабо (т.е. можно найти описание диаграмм, но логика их использования регламентируется слабо), поэтому рано говорить о UML как о действительно полноценной замене всем другим подходам.
Однако структурные и объектно-ориентированные методы проектирования не позволяют достичь согласованности структур данных и алгоритмов при независимой разработке. Причин несколько.
- Во-первых, отсутствие формализации на этапе начального проектирования, когда из предметной области выделяются информационные понятия и определяются их реквизиты.
- Во-вторых, возможность создания множества алгоритмов для реализации одной задачи.
Для достижения согласованности структур данных необходимо при определении понятий и их реквизитов выделять атомарные реквизиты. То есть, реквизиты, которые не могут быть представлены совокупностью других реквизитов.Здесь на выручку приходит аспектный подход.
Проектирование базы данных в аспектном подходе выполняется на основе реляционной модели представления данных. Используются понятия отношения, атрибута, функциональной зависимости. Но процесс формирования схемы данных отличается от реляционного подхода, поскольку, во-первых, в нем не применяется стандартная процедура нормализации, и, во-вторых, множество атрибутов, построенное на основе реквизитов предметной области, дополняется множеством вспомогательных атрибутов.
Следует отметить, что структура данных, построенная при помощи аспектного подхода, обладает свойством сохранения функциональных зависимостей, свойством соединения без потерь и каждое ее отношение находится в третьей нормальной форме.
Для реализации алгоритмов задач при работе пользователя с информационной системой можно использовать два подхода.
В первом случае, описание задачи записывается в виде грамматики аналогично программному сценарию. Программа — интерпретатор анализирует это описание и выполняет операторы по мере определения терминальных и нетерминальных символов, указанных перед ним в правилах грамматики.
При втором подходе на основе правил грамматики создаются программные объекты (ассоциированные с переменными) и связи между ними. Связи реализуются через события. При наступлении очередного события (изменение значения переменной) посылаются сигналы на изменения объектам, которые связаны с данным правилом вывода.
Таким образом, аспектный подход может использоваться как при структурном, так и при объектно-ориентированном проектировании ИС.
Однако следует отметить, что аспекты могут снижать надежность системы, в которую они включены, и, кроме того, могут нарушить работу важных частей системы, которые нормально работали без аспектов. Кроме того аспекты добавляют необходимые сквозные свойства к системе.
С помощью методов ARIS проектирование информационной системы осуществляется путем построения моделей автоматизируемого объекта, отражающие его жизнедеятельность с разных сторон. Это может быть организационная структура предприятия, дерево его целей, информационные модели, отражающие структуру информации, используемой на предприятии и т.п.
Конкретный набор методов ARIS, используемых для построения таких моделей, формируется в зависимости от целей проекта из числа тех восьмидесяти трех методов, которые поддерживает система ARIS. При этом также определяется, какие из четырех аспектов архитектуры ARIS (организационная структура, функциональная составляющая, информационная составляющая и процессная составляющая) найдут свое отображение в итоговом наборе моделей.
Однако, отсутствие четких соглашений по моделированию управляющих воздействий в рамках eEPC ARIS может привести к созданию моделей, не отвечающих на поставленные вопросы, в то время как нотация IDEF0 системы BPWin позволяет решить эту задачу. С другой стороны, описание процедуры, выполняемой одним сотрудником, может быть описано более адекватно при помощи eEPC ARIS, чем IDEF0 или IDEF3 BPWin.
ARIS предоставляет существенно больше возможностей по работе с отдельными объектами модели, но именно вследствие чрезмерного количества настроек работа по созданию модели должна регламентироваться сложной, многоаспектной документацией – т.н. «Соглашениями по моделированию».
В свою очередь, BPWin отличается простотой в использовании, и достаточной строгой регламентацией при создании диаграмм (стандарт IDEF и рекомендации по его применению, бланк IDEF для создания диаграммы, ограниченное количество обязательно заполняемых полей, ограничение количества объектов на одной диаграмме и т.д.). ARIS, безусловно, является более «тяжелым» инструментом, по сравнению с BPWin, но это в итоге оборачивается значительными трудностями и высокими затратами на его эксплуатацию.
Проведенный анализ сильных и слабых сторон структурного, объектно-ориентированного подходов и методологии ARIS является основой технологии проектирования ИС с использованием CASE – технологий.
Это в полной мере относится к использованию оригинального, типового или смешанного проектирования ИС. В методе оригинального проектирования этап анализа имеет классический вид, необходимо качественное и полное построение бизнес-процессов организации с проведением их реинжиниринга. Для правильного и точного выявления и формализации требований хорошо подходят нотации структурного подхода и ARIS. Выбор будет обуславливаться:
- -потребностями и целями проекта (либо это комплексное обследование и моделирование с масштабными преобразованиями, либо качественный сбор информации и небольшие изменения), аспектами анализа и требованиями к информации;
- -предпочтениями аналитиков и наличием инструментальных средств.
Главной целью формирования моделей ИС является обеспечение перехода от моделей описания организации к системе моделей, описывающих конкретные компоненты проекта, такие как приложения, базы данных, при котором обеспечивается отображение задач организации в функции и компоненты ИС (этап проектирования ИС). Этап проектирования в обоих случаях основан на использовании языка UML и наиболее удачной методики Лармана.
При типовом проектировании этап анализа сводится к сбору информации и утверждении ее полноты и адекватности у Заказчика для настройки системы, для этого замечательно подходят средства объектно-ориентированного подхода. Благодаря наглядности моделей сотрудники Заказчика понимают модели и могут участвовать в их обсуждении (добиться таких результатов при использовании нотации структурного подхода практически невозможно).
Выбор обуславливается еще и тем, что легко перейти к этапу проектирования и инструмент будет единый. Проектирование — непосредственно проработка настроек системы, т.е. реализация бизнес-процессов Заказчика в рамках внедряемой системы. Использование структурных нотаций или моделей ARIS нецелесообразно и избыточно.
На практике очень часто следует применять смешанное проектирование – когда новые модули разрабатываются по схеме оригинального проектирования, в остальном — типового проектирования.
Предложенные варианты использования подходов и методов к проектированию ИС обеспечивают снижение сложности процесса создания ИС, существенно повышают эффективность проекта и помогают избежать ненужных, избыточных действий благодаря оптимальному выбору инструментов в зависимости от типа проекта.
Примечание.Основные подходы к разработке программных продуктов с упором на разработку, представление и управление требованиями изложены в статье блога экспертов Вебурситета.
Заключение
Сложность процесса проектирования информационных систем(как и любой другой творческой деятельности), нестандартность проектных (жизненных) ситуаций вызывают необходимость знать различные методы проектирования информационных систем и умения пользоваться(владеть) ими.
Методы проектирования информационных систем основа их качества, залог правильного использования графических и инструментальных средств.
Представленные в статье методы проектирования информационных систем могут с успехом применяться при курсовом и дипломном проектировании.
