1.3. Анализ процессов исследования и проектирования информационных систем
Для того, чтобы применить системный подход к решению задач исследования, проектирования и управления информационными системами, приведем ряд законов (принципов) системного подхода в форме правил (утверждений), отражающих накопленный опыт в проектировании и управлении сложными системами. При формировании этого параграфа были использованы материалы, представленные в [4].
Особенностью информационных производственных систем является их способность изменять свою структуру и цель функционирования в зависимости от изменяющихся внешних и внутренних условий. Реализация такой способности достигается технологией проектирования и управлением. Увеличение эффективности выполнения производственных процессов на предприятии (как в целом, так и отдельных его частей) требует от технологии проектирования и управления
учитывать сильные взаимосвязи между факторами, определяющие поведение системы;
учитывать неопределенность в поведении системы в целом и составляющих ее частей, возникающую в результате влияния случайных факторов;
реализации управляющих воздействий, благодаря которым производственная система, преодолевая неопределенность, достигает поставленной цели.
Первоначально рассмотрим схемы выполнения работ для трех групп, которые были описаны в предыдущем параграфе. В первой группе работ (рис. 1.1) предварительно исследуется внешняя среда (надсистема), и для информационной системы предприятия формируются цель и параметры работы (входные данные), которые представляются, в общем виде, как ограничения. Затем по цели и входным параметрам исследуется существующая информационная система, и определяются соответствие информационной системы поставленной цели и «узкие» места в ее работе.
Исследование внешней
среды (надсистема)
Исследование
существующей производственной системы
Рис. 1.1. Схема выполнения работ первой группы
Во второй группе работ (рис. 1.2) оценивается эффективность существующей информационной системы в различных условиях ее эксплуатации.
Третья группа работ (рис. 1.3) – это создание и исследование проекта новой информационной системы. Термин «проектирование» (от латинского слова projectus, буквальный перевод – брошенный вперёд) означает процесс создания проекта – прототипа новой системы. Понятие «проектирование» – это понятие скорее техническое и не всегда предполагает применение каких-то математических методов для построения системы, при проектировании, прежде всего, применяются различные инженерно-технических решений, обоснование которых может осуществляться математическими расчетами.
Задание
параметров внешней среды
Исследование
существующей производственной системы
при заданных условия
Рис. 1.2. Схема выполнения работ первой группы
Рис. 1.3. Схема выполнения работ третьей группы
Рассмотренные схемы, как нетрудно заметить, состоят из типовых элементов. В общем случае, последовательность этапов проектирования информационной производственной системы, удовлетворяющая требованиям системного подхода, следующая:
исследование информационных и управляющих процессов на предприятии и построение концептуальной модели этих процессов;
проведение анализа этой модели и сравнение вариантов деятельности;
создание (синтез) рабочих моделей информационных и управляющих процессов, используя графики управления потоками заданий,
детальный анализ синтезированной системы и
внедрение систем.
На этапе исследования информационных и управляющих процессов выполняются следующие действия:
Построение иерархической структуры системы, которая включает заданную для исследования и синтеза систему.
Одна и та же совокупность элементов может рассматриваться как самостоятельная система и как часть (подсистема) другой, большей системы (надсистема), в которую она входит. В свою очередь, эта же совокупность элементов может рассматриваться как надсистема по отношению к частям (подсистемам), которые входят в неё. Следовательно, ни одна техническая система не может рассматриваться изолировано, поскольку она является элементом большей системы.
Утверждение 1.1: Для исследуемой системы цель задает надсистема.
Цель – это категория внешняя по отношению к системе.
Следует отметить, что выше утверждалась «вложенность» систем друг в друга. Покажем это. При повышении уровня рассмотрения отдельные системы трансформируются в элементы. При анализе того или иного элемента раскрываются его структура и свойства как целостной системы. Выделение какого-либо из элементов, его самостоятельный анализ обязательно сопровождается установлением его связей с другими элементами данной и других систем. Указание полного перечня элементов, а также совокупности их связей между собой и внешней средой и фиксирует структуру системы. А это иерархия.
Утверждение 1.2: Система должна представляться в иерархическом виде.
Иерархическая структура – это многоуровневая структура системы, компоненты которой упорядочены по уровням координации и субординации. Функции управления в такой системе распределены между соподчиненными уровнями. В реальной производственной системе, в общем случае, между элементами существуют вертикальные и горизонтальные связи. Но горизонтальные связи слабее вертикальных. Для нас интересны сильные связи, которые устанавливают подчиненность одного или нескольких компонентов нижележащего уровня только одному из компонентов вышележащего уровня.
Цели и структура в реальной производственной системе не являются статическими. В зависимости от изменений во внешней среде и возникновения новых задач они могут и должны изменяться. Эти изменения должны реализовываться не только при первичном создании системы, но и во время функционирования системы. Динамичность структуры особенно характерна для систем, выполняющих функции проектирования и управления, где основную роль играют коллективы сотрудников.
Определение 1.1. Метод перепроектирования существующих производственных процессов с целью кардинального улучшения основных показателей деятельности предприятия получил название реинжиниринга.
Следовательно, создаваемая система должна быть управляемой, т.е. способной изменять свое движение. Под изменением движения системы понимается ее способность изменить свою структуру и способ функционирования под влиянием управляющих воздействий.
Утверждение 1.3: В управляемой системе должен присутствовать механизм управления в виде управляющей и управляемых частей, объединенных прямой и обратной связями (рис. 1.4).
Управляющая часть системы соответствует старшей в иерархическом смысле системе (надсистеме) по сравнению с исследуемой системой, которая является управляемой частью. Старшая система ставит цель исследуемой системе. Параметры цели передаются по линии прямой связи (ПС). Эта связь является управляющей. По линии обратной связи (ОС) передаются параметры, информирующие старшую систему о фактическом выполнении исследуемой системой (младшей по отношению к старшей) заданной цели.
Для производственных систем управляемость является основным свойством. Следовательно, при исследовании и синтезе таких систем должны быть предусмотрены механизмы управления системой в целом и отдельными ее частями.
Утверждение 1.4: Структура системы должна описываться в виде иерархии управляемых контуров (рис. 1.1).
Обмен между звеньями одного иерархического уровня осуществляется только через систему вышестоящего иерархического уровня. Управление должно осуществляться не в виде обмена данными между элементами, участвующими в производстве, а в виде формализованных команд (приказов или распоряжений), поступающих из соответствующей старшей в иерархическом смысле системы с учетом данных о состоянии работы всех систем, входящих в нижестоящий уровень. Такая организация позволяет обеспечить управление только по вертикали, что сокращает интенсивность потоков данных, повышает надежность управления, адаптивность структуры функционирования элементов системы. Особенно это важно для виртуальных предприятий.
Рис. 1.4. Структура взаимодействия систем:
И – исходные данные, В – выходные данные,
ПС – прямая связь, ОС - обратная связь
Задание цели функционирования производственной системы.
Цель первична. Для ее реализации должна надлежащим образом формироваться совокупность технических средств, или групп сотрудников, или технических средств и групп обслуживающих людей, т.е. производственная система.
Утверждение 1.5: Система может быть создана, если ей задана цель.
Можно сделать вывод, что конкретная система не может рассматриваться самостоятельно. Для ее исследования в целях анализа и синтеза необходимо определить более общее формирование, куда она входит как элемент.
Глобальная (общая) цель, поставленная перед системой, в общем случае, порождает множество локальных (частных) целей. Это происходит, как правило, потому, что глобальная цель может быть непосредственно недостижима и необходимо выделить ряд подчиненных ей частных целей, достигая которые можно прийти к заданной глобальной цели. Локальные цели, таким образом, выступают как средство достижения глобальной цели.
Проверка возможности выполнения глобальной и локальных целей.
Цели должны быть сформулированы таким образом, чтобы каждую из них можно было оценить количественно, а также в системе должен быть механизм, позволяющий оценить степень достижения заданных целей.
Утверждение 1.6: Исследуемая система может существовать, если она содержит механизмы достижения заданных целей, количественно характеризующих в каждый момент времени степень соответствия поведения системы заданным целям.
Для функционирования механизмов достижения целей необходимо определить набор постоянно обновляемых количественных данных и алгоритм их обработки для вычисления оценок качества управления.
Утверждение 1.7: Показатели, определяющие цель, должны быть количественно измеримы.
Функция качества управления должна оценивать расхождение между целевыми и фактическими значениями показателей, что дает практически всю необходимую информацию для организации управления производственными процессами.
Упрощение исследуемой системы.
Для самостоятельного рассмотрения исследуемой системы ее представляют в виде единичного контура управления. Для этого все системы, имеющие связь с исследуемой системой, разделяют на два типа: старший и младший. Старшие управляют исследуемой системой, а младшие получают от неё управляющие воздействия. Для самостоятельного рассмотрения исследуемой системы в ней выделяется механизм связанности.
Утверждение 1.8: В системе, выделенной для самостоятельного исследования, должен присутствовать механизм связанности в виде совокупности трех частей: старшей системы, исследуемой системы и младшей системы, соединенных прямой и обратной связями.
Со стороны систем старшего типа в исследуемую систему поступают обобщенные исходные данные, определяющие выполнение цели. Исследуемая система вырабатывает для всех систем младшего типа данные, которые объединяются в общие выходные данные, которые затем рассылаются в процессе фактического функционирования по конкретным подсистемам (рис. 1.4).
Такой подход позволяет организовать управление модульной структурой и обеспечить контроль эффективности управления с использованием типового критерия. Такой критерий называется внешним.
Утверждение 1.9: Исследуемая система должна иметь внешние критерии на входе и выходе, характеризующие степень соответствия её поведения задаче управления. Критерии на входе задает старшая в иерархическом отношении система; критерий на выходе формирует сама исследуемая система.
Внешние входной и выходной критерии количественно характеризуют степень связанности исследуемой системы с остальными системами, взаимодействующими с ней в процессе функционирования.
Оптимизация внутренних усилий поведения исследуемой системы осуществляется с использованием внутренних критериев.
Утверждение 1.10: Исследуемая система свободна в выборе совокупности внутренних критериев, предназначенных для оптимизации распределения её ресурсов в целях оптимального удовлетворения внешним критериям.
Внутренние критерии могут быть самой разнообразной формы и зависят от специфики исследуемой системы, требований к её функционированию и т.п.
На первом этапе, производственные процессы предприятия должны быть детально исследованы, что необходимо, чтобы каждый участник этой деятельности в любой ситуации располагал достаточной информацией для принятия эффективного решения. Известно, что сложные вещи проще воспринимаются, если они не только описаны, но и каким-либо образом зрительно представлены, т.е., по возможности, следует использовать средства визуального моделирования. Формальный способ визуализации – это построение 2-D или 3-D моделей. Модель, построенная с заданной степенью детализации, является более или менее верным представлением моделируемой сущности.
После проведения реинжиниринга предприятие ориентируется на производственные процессы. При этом исполнители делятся не по отделам, а по группам, которые ориентированны на выполнение конкретной задачи. Сотрудники на местах должны четко представлять суть задания и свою роль в его исполнении, а руководители должны иметь возможность контролировать и, по необходимости, изменять процесс исполнения. Как мы видим, при таком подходе сотрудники или производственные подразделения разделяются по рабочим коллективам, которые совместно выполняют некоторый законченный процесс. Выявление таких групп, а так же всех изменений в структуре предприятия, является целью организационного анализа.
На этапе проведения анализа модели выполняются следующие действия:
Создание математической модели.
Математическая модель должна обеспечивать моделирование поведения системы в целях прогнозирования вариантов ее состояния в зависимости от условий реальной обстановки. Поведение должно быть такое, которое приводило к желаемой цели с минимальными затратами ресурсов за отведенный временной отрезок. Альтернативные варианты достижения цели необходимо оценивать количественно.
Утверждение 1.11: В управляемой системе должен присутствовать механизм моделирования в виде математической модели, обеспечивающий формирование рекомендаций для оптимизации процесса достижения заданной цели.
При моделировании и оптимизации важен процесс выявления и изучения внутренних и внешних противоречий системы, так как выявленные противоречия разрешаются при оптимизации работы системы.
Оценка эффективности математической модели.
В процессе построения математической модели для сложных систем выявляются дополнительные знания о системе. Поэтому процесс построения математической модели – это итерационный процесс. Связано это, прежде всего, с неполнотой математической модели. Отразить в функциональных зависимостях модели и в выражениях для критериев все факторы, влияющие на исследуемый процесс, сразу и, часто, в какой-то период времени практически невозможно. Итерация включает: формирование математической модели (назовем ее гипотетической), контроль эффективности гипотетической модели, принятие решения о корректировке гипотетической модели на следующем шаге итерации или об окончании процесса построения математической модели. Некоторые действия по построению модели можно и нужно автоматизировать. Но организовать процесс контроля и поиск дополнительных знаний о системе автоматически пока не представляется возможным, поэтому необходимо участие специалиста в процессе построения модели.
Поэтому при моделировании желательно использовать средства, которые позволяют визуализировать модели и результаты моделирования, что повышает эффективность построения моделей.
Следовательно, на втором этапе строятся и исследуются модели производственных процессов. При реинжиниринге процесс начинается с создания различных сценариев деятельности анализируемых производственных процессов. Для каждого из них формируется общее описание процесса, включающее исполнителей, заказчиков и сам производственный процесс, а затем проводится моделирование различных вариантов процессов. На основе всех полученных данных выбирается обновленная модель производственного процесса. Критерием оценки служит оптимальное сочетание основных показателей деятельности предприятия (времени процессов, затрат, загрузки исполнителей и пр.).
На этапе создания рабочих моделей информационных и управляющих процессов выполняются следующие действия:
Встраивание в систему диалоговой системы моделирования.
Как было отмечено выше, модели производственных процессов могут быть не адекватны реальной производственной ситуации. Поэтому управляемая система должна иметь компонент моделирования, который бы предусматривал оперативное вмешательство пользователя при выборе решений с целью достижения эффективного решения в данный момент времени. Безусловно, программный компонент системы должен предоставлять необходимые данные для выбора или корректировки решений.
Проектирование в системе механизма, обеспечивающего обучение.
Управляемая система должна строиться с применением таких концепций, которые позволяют рассматривать пользователя как звено системы управления. Речь идет уже не просто о диалоговом вмешательстве, а о симбиозе искусственного и естественного интеллектов. Взаимодействуя с компонентом моделирования пользователь может сам откорректировать модель, а выбирая решения из заданных системой альтернатив, пользователь как бы дает данные для пересмотра системой производственных моделей и правил оценки решений. В этом случае в управляемой системе должен быть предусмотрен специальный механизм обучения.
Утверждение 1.12: В управляемой системе должен присутствовать механизм обучения в виде дополнительного контура, обеспечивающего заданную корреляцию зависимостей и циркулирующих в системе параметров под влиянием управляющих воздействий элементов естественного и искусственного интеллектов.
Организация взаимодействия пользователя с механизмом обучения и со всей управляемой системой обеспечивается специальным языком, с помощью которого задаются необходимые данные и управляющие операторы. Как мы видим, главную роль в выборе решений и корректировке моделей играет пользователь.
Утверждение 1.13: Главенствующая роль человека в управляемой системе обеспечивается механизмом общения элементов естественного (пользователя) и искусственного интеллектов в виде специализированного операционного диалогового языка.
Таким образом реализуется эффективное управление системой.
Проектирование в системе механизма, обеспечивающего организацию и контроль функционирования системы в реальном масштабе времени.
Любую управляемую систему нельзя рассматривать как статическую. Её надо рассматривать в непрерывном развитии и совершенствовании, т.е. в динамике. Изменения управляемой системы под влиянием различных воздействий должны происходить своевременно, т.е. в реальном масштабе времени.
В общем случае для управляемых систем временные ограничения являются абсолютными. Правда, они могут носить различный характер в зависимости от решаемой задачи: жесткие ограничения, когда выполняется управление технологическим оборудованием, или мягкие ограничения, когда выполняется проектирование.
Утверждение 1.14: В управляемой системе должен присутствовать механизм регулирования работы в реальном масштабе времени в виде специализированной контрольно-организующей системы.
Создание в системе визуализации данных и результата для повышения оперативности ее восприятия оператором в процессе функционирования системы в реальном масштабе времени.
Оператор должен органически включаться в данный процесс с помощью специального механизма, объединяющего его интеллект с машинными решениями. Для этих целей могут использоваться естественных язык, язык математических выражений, язык геометрических фигур. В производственных задачах, как показывает опыт автоматизации, находит применение симбиоз языков геометрических фигур, математических выражений и лаконичного письменного текста (эти языки расставлены в порядке уменьшения значимости).
Для создания языка геометрических фигур исследуемый процесс разделяется на однозначные операционные элементы, называемые информационными моделями, с помощью которых оператор создает модели процессов и состояния реальных объектов. Операционные элементы, из которых формируются информационные модели, несут оператору информацию для принятия решений в автоматизированной системе. Для работы с операционными элементами каждому элементу сопоставляется функция, а для создания более сложных конструкций из них – используется контекстно-свободная грамматика.
Конечно, при использовании языка геометрических фигур оператор может неоднозначно воспринимать данные, но при изменении ситуации в автоматизированной системе к худшему неоднозначность восприятия информации уменьшается.
Буквенно-цифровые данные дублируют ли позиграфические данные?
В настоящее время ввод/вывод данных во многих случаях организуется позиграфическим методом. Позиграфический метод – это метод ввода и вывода данных с помощью графических представлений. В этом случае, благодаря связям между элементами изображения общей информационной модели как структурного целого, создается избыточность, повышающая надежность и обеспечивающая высокую помехоустойчивость данных.
Однако графический способ представления данных имеет границы применения. Как правило, в процессе управления требуются конкретные значения величин. Поэтому графическое изображение процесса или объекта дополняются цифровыми значениями.
Утверждение 1.15: Данные в линии «вычислительная машина → оператор» должны отображаться в двух формах – позиграфической и буквенно-цифровой, обеспечивающих соответственно оперативность и точность восприятия.
На третьем этапе формируется рабочий вариант информационной или управляющей системы, которая готова к ее исследованию в реальных условиях.
На этапе детального анализа синтезированной системы выполняются работы по оценке в реальных условиях положительных и отрицательных свойств информационной или управляющей системы, и отрабатывается сопроводительная документация. Цель проведения детального анализа синтезированной системы – это оценки качества решения задачи системного проектирования и полученных в процессе синтеза параметров системы, а также выявления предельных возможностей системы, узких мест в системе и т.д.
Задача синтеза обычно решается на сравнительно простых моделях, использующих предположения и допущения, которые позволяют получить конечный результат в заданные сроки. Детальный анализ синтезированной системы, выполняемый с целью уточнения значений характеристик и определения фактической эффективности, проводится на основе более сложных моделей, в качестве которых чаще всего используются имитационные модели, позволяющие получить результаты, в максимальной степени соответствующие реальным за счёт большей детализации по сравнению с аналитической моделью. Кроме того, в процессе детального анализа синтезированной системы должны быть выявлены предельные возможности системы, узкие места в системе, а также определена степень соответствия характеристик системы заданным требованиям.
Способ реализации определяется свойствами производственного процесса, например:
при изготовлении изделия в цехах – это графики запуска-выпуска;
при выпуске изделия на автоматических линиях – это программное управление оборудованием;
при управлении ТПП – это применение PDM-системы и т.д.
На этапе внедрения системы выбранная альтернатива распространяется в производстве.
Во всех случаях с помощью специального программного обеспечения или вручную строятся диаграммы управления производственными процессами. Следует отметить, что анализ, подобный представленному здесь, требует большого вложения времени и труда в изучение как самой предметной области (детальное представление деятельности компании, анализ, унификация), так и языков моделирования. (с использованием специального программного обеспечения, например, WorkFlow)