Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 044.03; 681.518:061

05.13.06 - інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

МЕТОДИ, МОДЕЛІ І ТЕХНОЛОГІЯ РОЗРОБКИ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ ПРИ ЗМІНІ ВИМОГ

Євланов Максим Вікторович

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор Левикін Віктор Макарович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інформаційних управляючих систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Мороз Борис Іванович, Академія митної служби України, декан факультету інформаційних та транспортних систем і технологій, завідувач кафедри інформаційних систем і технологій;

доктор технічних наук, професор Томашевський Валентин Миколайович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри автоматизованих систем обробки інформації та управління;

доктор технічних наук, професор Ткачук Микола В'ячеславович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри автоматизованих систем управління.

Захист відбудеться "26" листопада 2008 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розіслано "25" жовтня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Чалий С.Ф.

Анотації

Євланов М.В. Методи, моделі і технологія розробки інформаційних систем при зміні вимог. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Харківський національний університет радіоелектроніки. - Харків, 2008.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми розробки нових методів, моделей та інформаційної технології розробки інформаційних систем при зміні вимог, яка відбувається внаслідок постійних змін бізнес-процесів та організаційної структури об'єктів автоматизації.

Розроблено метамоделі формування інформаційної системи та її компонентів, які дозволяють відобразити зміну функціональних вимог у структурі інформаційної системи. Для деталізованого опису метамоделей запропоновано моделі інформаційного простору системи, моделі операцій на елементами інформаційного простору, моделі операцій синтезу та аналізу метамоделі формування інформаційної системи. Розроблено моделі і методи синтезу варіанта конфігурації функціональної структури інформаційної системи, виявлення та усунення невідповідностей між елементами метамоделі формування інформаційної системи.

Визначено основні принципи побудови та створено структурно-об'єктну інформаційну технологію розробки інформаційних систем при зміні вимог. Розроблені методи, моделі та інформаційна технологія пройшли апробацію під час виконання робіт з розробки та реінжинірингу інформаційних систем організаційного управління.

Ключові слова: метамодель формування інформаційної системи, модель інформаційного простору, операція генерації нової інформації, операції синтезу метамоделі, виявлення невідповідностей, усунення невідповідностей, структурно-об'єктна інформаційна технологія.

Евланов М.В. Методы, модели и технология разработки информационных систем при изменении требований. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники. - Харьков, 2008.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы разработки новых методов, моделей и информационной технологии разработки информационных систем (ИС) при изменении требований, которое возникает вследствие постоянных изменений бизнес-процессов и организационной структуры объектов автоматизации.

Первый раздел посвящен анализу состояния проблемы разработки ИС и постановке задачи исследования. В диссертации рассматривается влияние изменений организационных структур и бизнес-процессов предприятий и организаций на ИС, особенности их структуры, а также на методы разработки ИС. Установлено, что нерешенной является проблема создания новых методов, моделей и технологии разработки и модернизации ИС в условиях постоянного изменения требований, выдвигаемых представителями заказчиков системы, возникающего вследствие постоянного изменения предприятий и организаций как объектов автоматизации.

Во втором разделе разработаны обобщенные метамодели формирования ИС и ее отдельных компонентов, которые позволяют учитывать воздействие изменяющихся требований к ИС на структуру и содержание как ИС в целом, так и ее отдельных компонентов. В качестве компонентов ИС предложено рассматривать совокупность обеспечивающих комплексов. Рассмотрены основные подходы к организации разработки ИС и управления процессами разработки ИС с использованием предложенных метамоделей. Определен перечень моделей, разработка которых обеспечит детализированное представление метамодели формирования ИС.

В третьем разделе разработаны математические модели локального и общесистемного информационных пространств ИС, на основе которых стало возможным формализовать постановку задачи синтеза метамодели формирования ИС. Разработаны модели операций над элементами информационного пространства ИС.

В четвертом разделе разработаны математические модели операций синтеза метамодели формирования ИС в виде одноместного и n-местного ковариантных функторов, что обеспечило возможность распараллеливания работ по созданию обеспечивающих комплексов ИС. Впервые разработана имитационная модель процессов распространения информации между элементами метамодели формирования ИС, что позволило формализовать процессы выявления и устранения несоответствий между отдельными элементами системы. інформаційний автоматизація метамодель

В пятом разделе предложены модели синтеза варианта конфигурации функциональной структуры ИС. Разработаны методы синтеза варианта конфигурации функциональной структуры ИС на основе типовых проектных решений и функциональных требований. Разработаны методы выявления и устранения несоответствий между элементами синтезированной метамодели формирования ИС, что дает возможность формализовать и автоматизировать формирование решений об устранении выявленных несоответствий на ранних стадиях разработки ИС.

В шестом разделе предложены принципы построения, концептуальная схема и результаты разработки структурно-объектной информационной технологии разработки ИС.

На основе применения разработанной технологии решены задачи разработки и модернизации ИС организационного управления предприятиями.

Анализ результатов внедрения диссертационных исследований показал, что использование разработанных методов, моделей и технологии разработки ИС при изменении требований позволило значительно сократить время и снизить стоимость разработки и модернизации ИС предприятий и организаций за счет отказа от повторно выполняемых работ по внесению изменений в разрабатываемую систему вследствие изменения отдельных требований к ИС.

Ключевые слова: метамодель формирования информационной системы, модель информационного пространства, операция генерации новой информации, операции синтеза метамодели, выявление несоответствий, устранение несоответствий, структурно-объектная информационная технология.

Ievlanov M.V. Methods, models and technology of information systems development under changing of requirements. - Manuscript.

A thesis for a doctor of technical science degree by speciality 05.13.06 -information technologies. - Kharkiv National University of Radioelectronics.- Kharkiv, 2008.

Dissertational work is devoted to the decision of an actual scientific and technical problem of development of methods, models and information technology of information systems development under changing of requirements, which take place as a result of constant changing of a business-processes and automation objects organization structures.

In the work the meta-model of formation of information system and its components, which make enable to reflect changing of functional requirements into information system structure are developed. For meta-models detailed describe the models of system information space, the models of operations on an information space elements, the models of operations of synthesis and analysis of information system formation meta-model are proposed. Models and methods of synthesis of functional structure configuration variant, methods of revealing and elimination of disparities between information system formation meta-model elements are developed.

The base principles are defined and the structure-objects information technology of developing information systems under changing of requirements are developed. The methods, models and information technology, which was developed, was approve during information management systems development and re-engineering.

Keywords: information system formation meta-model, information space model, operation of new information generation, operations of meta-model synthesis, revealing of disparities, elimination of disparities, structure-object information technology.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дотепер на основі проведених теоретичних досліджень і численних практичних розробок сформувалося зображення інформаційної системи (ІС) як відкритої системи, що має модульну структуру, варіанти конфігурації якої формуються залежно від цілого ряду факторів. Серед цих факторів прийнято виділяти:

- існуючі концепції, методології та стандарти керування підприємством і автоматизації процесів, що відбуваються на підприємствах;

- прийняту на конкретному підприємстві стратегію автоматизації його господарських процесів і органів керування;

- особливості господарських процесів підприємства;

- вимоги конкретних представників підприємства, яке автоматизується.

В основі такого представлення ІС лежать численні роботи вітчизняних вчених О.В. Алехновича, В.М. Глушкова, Є. Зіндера, А.Г. Івахненка, Г.Н. Калянова, В.І. Костюка, А.Г. Маміконова, А.А. Павлова, М.Ф. Бондаренка, В.М. Левикіна, Е.Г. Петрова, а також зарубіжних дослідників Д. Росса, П. Чена, Г. Буча, Д. Рамбо, А. Джекобсона, А.-В. Шеєра та ряду інших. Великий внесок у розвиток даної галузі науки й техніки зробили такі організації, як Object Management Group та їй подібні, які координують дослідження в галузі семантики і синтаксису моделей ІС та її елементів, а також в галузі стандартизації технологій моделювання ІС.

Однак сучасне зображення ІС не позбавлене недоліків. У переважній більшості випадків відкритість сучасних ІС реалізована на верхніх рівнях зображення подібних систем, що призводить до виникнення проблем адаптації ІС до особливостей конкретного підприємства, що автоматизується. Крім того, більшість методологій, моделей і методів розробки ІС засновані на припущенні про незмінність об'єкта автоматизації на період створення і впровадження ІС. Неправомірність подібного припущення особливо сильно виявляється для підприємств, господарські процеси та організаційна структура яких змінюються з часом під впливом як зовнішніх, так і внутрішніх умов. Подібні процеси є характерними для більшості підприємств України.

Ці та ряд інших недоліків визначають необхідність проведення наукових досліджень, що вивчають процеси розробки, впровадження та експлуатації ІС як систем, здатних змінювати свою структуру відповідно до змін вимог, заснованих на змінах об'єкта автоматизації.

Таким чином, розв'язувана в роботі проблема розробки методів, моделей та інформаційної технології розробки ІС при зміні вимог є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна роботи виконана в рамках таких науково-дослідних робіт (НДР): держбюджетна НДР № 162 (номер держреєстрації 0103U001559) "Дослідження і розробка методологій, технологій проектування інформаційних систем та їхніх програмно-апаратних елементів"; держбюджетна НДР № 134 (номер держреєстрації 0101U001763) "Розробка інформаційно-аналітичної системи з розподіленим штучним інтелектом ("Університет")"; держбюджетна НДР № 172 (номер держреєстрації 0103U001560) "Розробка типової інформаційно-аналітичної системи "Університет" (II черга)"; госпдоговірна НДР "Розробка інформаційної системи управління навчальним процесом (I черга)", яка виконана за договором № 06-06; держбюджетна НДР № 200 (номер держреєстрації 0106U003152) "Методи і технології створення інформаційно-освітнього середовища з метою інтеграції в загальноєвропейський простір вищої освіти". Здобувач брав участь у виконанні робіт з даних тем як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів, моделей і технологій створення ІС та її компонентів, орієнтованих на зміни вимог, що висуваються до ІС, для зменшення витрат на розробку ІС в умовах зміни структур та бізнес-процесів підприємств, що автоматизуються.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання дослідження:

- аналіз існуючих підходів до зображення ІС як системи, що здатна змінювати свою структуру та зміст відповідно до зміни зовнішніх і внутрішніх умов експлуатації;

- розробка метамоделей формування ІС та її компонентів на основі функціональних вимог і законів композиції компонентів ІС;

- розробка математичних моделей зображення інформаційного простору розроблюваної ІС;

- розробка математичних моделей операцій над елементами інформаційного простору розроблюваної ІС;

- розробка математичних моделей операцій синтезу метамоделей формування ІС;

- розробка математичних моделей процесів розповсюдження інформації між елементами синтезованої метамоделі формування ІС;

- розробка моделей і методів синтезу функціональної структури розроблюваної ІС, які дозволяли б синтезувати метамоделі формування ІС на основі моделей типових проектних рішень та вимог, що висуваються до системи;

- розробка методів усунення невідповідностей у метамоделях формування ІС;

- створення інформаційної технології розробки ІС, орієнтованої на сполучення достоїнств структурного і об'єктного підходів;

- проведення апробації інформаційної технології розробки ІС під час вирішення прикладних задач створення та модернізації ІС управління підприємством.

Об'єкт дослідження: процеси розробки ІС управління підприємствами та організаціями, структури і бізнес-процеси яких змінюються з часом.

Предмет дослідження: методи, моделі і технології розробки і реінжинірингу ІС в умовах зміни функціональних вимог і вимог до даних, які базуються на загальному формалізованому опису ІС.

Методи дослідження: загальна теорія систем Ю.А. Урманцева, математичні апарати теорії множин, теорії категорій, комбінаторної топології, диференційних рівнянь, мереж Петрі.

Наукова новизна отриманих результатів. Результатом дослідження є вирішення важливої науково-технічної проблеми розробки методів, моделей та інформаційної технології розробки ІС при зміні вимог, яка відбувається внаслідок постійних змін бізнес-процесів та організаційної структури об'єктів автоматизації. Внаслідок вирішення цієї проблеми були отримані такі основні результати:

- вперше розроблено узагальнені математичні метамоделі формування інформаційної системи та її компонентів, які описують особливості побудови інформаційної системи на основі окремих формалізованих функціональних вимог і законів композиції компонентів, що дає можливість відобразити зміну цих функціональних вимог у структурі інформаційної системи в цілому та у рамках її окремих компонентів під час розробки та функціонування інформаційної системи;

- вперше розроблено узагальнену категорну модель зображення загальносис-темного інформаційного простору інформаційної системи, яка передбачає синтез узагальненого простору на базі локальних інформаційних просторів, заданих типовими модулями інформаційної системи, що дозволило формалізувати операції синтезу метамоделі формування інформаційної системи з урахуванням функціо-нальних вимог, що змінюються, та конкретних законів композиції;

- вперше розроблено моделі операцій синтезу метамоделі формування інформаційної системи, які спрямовано на зображення процесу синтезу у вигляді категорно-функторного перетворення моделей інформаційних просторів у метамодель формування інформаційної системи, що дає можливість підвищити ефективність процесів розробки інформаційної системи шляхом розпаралелювання процесів ро-зробки забезпечуючих комплексів інформаційної системи;

- вперше розроблено імітаційну модель процесу розповсюдження інформації між елементами метамоделі формування інформаційної системи, яка враховує частоту формування значень відповідних елементів, дублювання таких елементів, а також ступінь їх використання, що дає можливість зменшити час розробки інформаційної системи за рахунок своєчасного виявлення та усунення невідповідностей між окремими елементами метамоделі формування інформаційної системи, що ро-зробляється;

- вперше розроблено методи синтезу варіанта конфігурації функціональної структури інформаційної системи на основі типових проектних рішень та на основі функціональних вимог, які складаються з етапів формування зображень і вибору конкретного варіанта функціональної структури, синтезу метамоделі формування інформаційної системи на основі обраного варіанта функціональної структури, аналізу синтезованої метамоделі на предмет виявлення невідповідностей. Розроблені методи дозволяють знизити вартість та скоротити час розробки інформаційної системи за рахунок відмови від надлишкових функціональних типових проектних рішень, а також за рахунок виявлення невідповідностей на ранніх стадіях ро-зробки інформаційних систем;

- вперше розроблено методи усунення виявлених невідповідностей елементів метамоделі формування інформаційної системи, які обробляють розриви на шляхах розповсюдження інформації, множинну генерацію однакової інформації в інформаційній системі, дублювання атрибутів інформаційного простору шляхом порівняння часових і структурних параметрів статичних та операційних елементів метамоделі формування інформаційної системи. Використання цих методів дозволяє формалізувати та автоматизувати процес формування рішень щодо усунення виявлених невідповідностей під час розробки інформаційної системи;

- вдосконалено математичні моделі операцій над елементами локальних та загальносистемного інформаційних просторів інформаційної системи, що розробляється, які, на відміну від існуючих, враховують структуру та особливості формування підмножин атрибутів інформаційного простору, що беруть участь у відпо-відних операціях. Це дало змогу підвищити ефективність створення метамоделей формування окремих компонентів інформаційної системи за рахунок обґрунтованого зменшення кількості типів відповідних операцій;

- набула подальшого розвитку модель зображення типового модуля інформаційної системи, яка, на відміну від існуючих, характеризується теоретико-множинним зображенням вхідних і вихідних документів як сукупностей підмножин атрибутів та операцій над атрибутами, що дозволило формалізовано описати інформаційний простір системи, враховуючи особливості структурних та об'єктних моделей даних;

- набули подальшого розвитку моделі зображення процесів синтезу варіанта конфігурації функціональної структури інформаційної системи, які, на відміну від існуючих, використовують теоретико-ігрове зображення процесів синтезу на основі типових проектних рішень або функціональних вимог, що дає можливість пі-двищити ефективність розробки функціональної структури системи шляхом вилучення надлишкових типових проектних рішень і функціональних вимог.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені в дисертаційній роботі методи та моделі розробки інформаційних систем при зміні вимог були застосовані для створення структурно-об'єктної інформаційної технології розробки інформаційних систем організаційного управління. В роботі запропоновано основну концепцію структурно-об'єктної технології та структурну схему взаємозв'язків основних робіт у її рамках; розроблено дану технологію, а також моделі і методи обліку та контролю робіт технології під час розробки й впровадження ІС і моделі документування робіт даної технології під час розробки ІС. Розроблені методи, моделі та інформаційна технологія розробки ІС пройшли апробацію під час виконання робіт зі створення ІС управління навчальним процесом Чернівецького торгівельно-економічного інституту Київського національного торгівельно-економічного університету в рамках госпдоговірної теми за договором № 06-06.

Отримані теоретичні і практичні результати впроваджені на підприємствах: АТЗТ "Хладопром" (акт впровадження від 12.12.2007 р.); ВАТ "Харьковаптека-2" (акт впровадження від 15.04.2008 р.); ВАТ "МТЗМ" (акт впровадження від 22.05.2008 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі положення дисертації, які виносяться на захист, основні результати теоретичних та експериментальних досліджень отримані автором особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать такі результати: в [1] розроблено визначення та описи компонентів ІС як забезпечуючих комплексів ІС; в [3] розроблено схему структурно-об'єктної технології розробки інтерфейсного комплексу; в [4] розроблено основну концепцію структурно-об'єктної технології розробки ІС та схеми використання структурного та об'єктного підходів під час розробки забезпечуючої частини ІС; в [6] розроблено модель елемента ІС як документу, що складається із сукупності підмножин атрибутів, та технологію візуального моделювання ІС під час розробки елементів її функціональної структури; в [7] розроблено метамодель формування функціо-нальної структури ІС на основі функціональних вимог та законів композиції окремих компонентів; в [8, 37] розроблено математичні моделі проектних профилів ро-зробки і впровадження ІС як засобів обліку та контролю робіт структурно-об'єктної технології розробки ІС; в [9] розроблено моделі навчального процесу у вищому навчальному закладі України; в [12] розроблено концепцію побудови інтегрованого інструментального засобу як варіанта реалізації структурно-об'єктної технології розробки ІС; в [13] розроблено формалізоване визначення документу, автоматизована обробка якого виконується у ІС, як множини атрибутів; в [14] розроблено формалізований опис метамоделі формування ІС, реінжинірінг якої проводиться; в [16] розроблено математичну модель одномісного коваріантного функтора як операції синтезу моделей ІС та метамоделі формування ІС; в [17, 40] розроблено формалізовані описи процесів синтезу метамоделі формування ІС на основі функціональних вимог до окремих елементів ІС; в [18] розроблено моделі процесів синтезу варіанта конфігурації функціональної структури ІС; в [19] розроблено узагальнену математичну модель технології взаємного перетворення візуальних моделей під час розробки ІС; в [21, 43] розроблено моделі генерації нової інформації, визначені над елементами кластера інформаційного простору розроблюваної ІС; в [22] розроблено моделі операцій рецепції інформації, визначені над елементами кластера інформаційного простору розроблюваної ІС; в [23] розроблено метод вирішення задач обліку та контролю впровадження та супроводження користувачів як елементів розроблюваної ІС; в [24] розроблено модифіковані визначення цінності інформації, що зберігається, які покладено за основу побудови моделей операції зберігання інформації; в [25] розроблено метод усунення невідповідностей елементів метамоделі формування ІС, що виникають внаслідок множинної генерації однієї й тієї самої інформації; в [26] розроблено постановка задачі формалізованого опису метамоделі формування ІС та схему інформаційної взаємодії типових модулів ІС з користувачами та іншими елементами ІС; в [27] розроблено визначення основних проблем формування проектної документації на ІС; в [28] розроблено концепцію розпаралелювання процесів розробки компонентів ІС та схему робіт, що виконуються в рамках технології розробки ІС; в [30] отримано результати аналізу особливостей діяльності вищих навчальних закладів як об'єктів автоматизації та розроблено вимоги до ІС, що враховують ці особливості; в [33, 34] розроблено моделі процесів синтезу функціональних вимог до ІС, за якими здійснюється синтез варіанта конфігурації функціональної структури ІС; в [35, 47, 48] розроблено визначення основних задач коригування бізнес-процесів підприємства за результатами впровадження ІС; в [36] розроблено основні принципи побудови топологічних моделей інформаційного простору ІС; в [38] розроблено концепцію структурно-об'єктної інформаційної технології розробки інтерфейсного комплексу ІС; в [39] розроблено підхід до розробки технології формування динамічної бази даних ІС; в [42] розроблено метамодель формування ІС; в [44, 47] розроблено формулювання задач коригування бізнес-процесів підприємства за результатами супроводження ІС; в [45, 49] розроблено опис впливу впровадження ІС на бізнес-процеси вищих навчальних закладів; в [50] розроблено визначення задач реінжинірингу автоматизованих бізнес-процесів підприємства під час впровадження чи модернізації ІС; в [53] розроблено принципи моделювання процесу розповсюдження інформації та формування варіантів рішень щодо усунення виявлених невідповідностей між елементами метамоделі формування ІС.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи доповідалися і одержали схвалення на таких конференціях: International Conference "e-Management & Business Intelligence" (Varna, Bulgaria, 2007, 2008); IV Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji "Nowoczesnych naukowych osiagniec - 2008" (Przemysl, Polska, 2008); Міжнародному радіоелектронному Форумі "Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку" (Харків, 2002, 2005); V Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих учених "Системний аналіз та інформаційні технології" (Київ, 2003); IV Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології" (Одеса, 2003); Міжнародній конференції "Теорія й техніка передачі, прийому й обробки інформації" (Харків, 2000, 2002-2004); 10-й Міжнародній науково-технічній конференції "Фізичні й комп'ютерні технології" (Харків, 2004); 12-й Міжнародній конференції з автоматичного керування (Харків, 2005); 1-й міжнародній конференції "Глобальні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку" (Харків, 2006); I Міжнародній науково-практичній конференції "Науковий потенціал світу '2004" (Дніпропетровськ, 2004); VII Міжнародній науково-практичній конференції "Динаміка наукових досліджень '2004" (Дніпропетровськ, 2004); I Міжнародній науково-практичній конференції "Наука і освіта '2005" (Дніпропетровськ, 2005); I Міжнародній науково-практичній конференції "Європейська наука XXI століття: стратегії й перспективи розвитку - 2006" (Дніпропетровськ, 2006); II Міжнародній науково-практичній конференції "Перспективні розробки науки й техніки - '2006" (Дніпропетровськ, 2006); Міжнародній науково-практичній конференції "Стратегії ІТ-технологій в освіті, економіці та екології" (Харків, 2007); Всеукраїнській науково-практичній конференції "Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в економіці" (Харків, 2006); V конференції з фізики високих енергій, ядерної фізики та прискорювачів (Харків, 2007); конференції "Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці та освіті" (Кривій Ріг, 2002, 2005).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 55 працях, серед яких 9 статей у наукових журналах та 15 статей у збірниках наукових праць, що включені до Переліку ВАК України з технічних наук (з них 6 статей одноосібно), 30 публікацій у працях, матеріалах і тезах доповідей конференцій і семінарів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, шести додатків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 388 с., у тому числі: основний текст дисертації - 278 с., 40 ілюстрацій на 29 с., 5 таблиць на 6 с., шість додатків на 49 с., список використаних джерел з 255 найменувань на 26 с.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дисертаційного дослідження, сформульовано мету та основні задачі дослідження, визначені об'єкт, предмет і методи дослідження, наукова новизна і практична значущість отриманих результатів, наведено дані про публікації та особистий внесок автора в роботи, виконані у співавторстві, наведено відомості про апробацію результатів дисертації.

У першому розділі виконано аналіз проблем проектування сучасних ІС для підприємств, організаційна структура та бізнес-процеси яких з часом змінюються. Результати проведеного аналізу свідчать, що більшість проблем, які ускладнюють процеси проектування та експлуатації ІС, є наслідками представлення ІС як статичної рівноважної системи без урахування змін вимог, що висуваються до системи під час її розробки. Цей висновок визначає основний напрямок досліджень дисертаційної роботи як створення методів, моделей і технології розробки ІС та її компонентів, орієнтованих на зміни вимог, що висуваються до системи. Виходячи з цього положення, в розділі сформульовано головну мету та задачі дослідження.

У другому розділі розроблено узагальнені математичні метамоделі формування ІС та її компонентів, які спрямовано на побудову ІС з окремих компонентів у вигляді елементів функціональної структури та забезпечуючих комплексів ІС на основі формалізованих функціональних вимог та законів композиції компонентів. Метамодель процесу формування ІС з окремих компонентів має вигляд

, (1)

де - позначення метамоделі ІС як сукупності систем одного роду (I-системи); - універсум усіх можливих первинних елементів I-системи; - множина первинних елементів, з яких складається ІС як І-система; - множина вимог, за якими здійснюється відбір первинних елементів до ІС як І-системи; - операція виділення множини первинних елементів з універсума U за вимогами множини; - множина відношень, які визначаються на первинних елементах множини; - операція єдності первинних елементів m множини та відношень r множини; - множина законів композиції, за якими здійснюється єдність первинних елементів множини та відношень множини; - операції призначення або вимоги a множини, за якою виділиться первинний елемент m множини, або закону композиції z множини, за яким здійсниться єдність конкретних первинних елементів m множини {М i} та відношень r множини.

Окремий компонент ІС в цьому випадку визначається як об'єкт-система, метамодель формування якого має, відповідно, вигляд

, (2)

де - метамодель компонента ІС як об'єкта-системи, з яких складається ІС як І-система; - універсум усіх можливих первинних елементів, з яких складається компонент ІС як об'єкт-система; - множина первинних елементів, з яких складається компонент ІС як об'єкт-система; - множина вимог, за якими здійснюється відбір первинних елементів до компонента ІС як об'єкта-системи; - операція виділення множини з універсума U за вимогами множини; - множина відношень, які визначаються на первинних елементах множини; - операція єдності первинних елементів m множини та відношень r множини; - множина законів композиції, за якими здійснюється єдність первинних елементів множини та відношень множини; - операції призначення вимоги a множини, за якою виділиться первинний елемент m множини, або закону композиції z множини, за яким здійсниться єдність конкретних первинних елементів m множини та відношень r множини.

Як окремі компоненти запропоновано розглядати забезпечуючи комплекси - сукупність інтегрованих проектних рішень з видів забезпечень, які мають автоматизувати виконання задач, поставлених перед ІС, відповідно до типів цілей автоматизації та структурою ІС, що розробляється. В роботі запропоновано в рамках ІС розглядати такі комплекси: інтерфейсний; інформаційний; розрахунковий; комунікаційний; інтелектуальний; технічних засобів. Таке зображення компонентів ІС дало змогу визначити сутність розробки ІС при зміні вимог, що висуваються до системи, як сукупність робіт з розробки одного чи декількох забезпечуючих комплексів на базі єдиної метамоделі формування ІС, яка враховує особливості обраного Замовником варіанта ФС ІС, що проектується.

На базі розроблених метамоделей формування ІС та забезпечуючих комплексів виділено типові модулі, які реалізують процеси обміну інформацією між користувачем та окремими елементами ІС. Як такі типові модулі в роботі визначено модулі прийому інформації (МПІ). модулі відображення інформації (МВІ), модулі обробки даних і прийняття рішень (МОДПР).

Виділення в рамках ІС окремих МПІ, МВІ та МОДПР можливо тільки у випадку, якщо ці модулі розглядаються як окремі локальні інформаційні простори, на базі яких формується загальносистемний інформаційний простір ІС. Виходячи з цього, для деталізації метамоделі формування ІС при зміні вимог слід розробити:

- опис локальних інформаційних просторів як кластерів загальносистемного інформаційного простору, на яких слід визначати конкретні МПІ, МВІ та МОДПР;

- опис операцій над елементами локальних та загальносистемного інформаційного просторів (операцій мікрорівня);

- опис операцій синтезу метамоделі формування ІС на базі моделей локальних чи загальносистемного інформаційного просторів та моделей операцій над елементами цих просторів;

- опис операції аналізу метамоделі формування ІС.

Основні результати розділу опубліковано у роботах [1, 5, 7, 14, 15, 26, 31, 32, 41, 42, 46].

Третій розділ присвячено розробці моделі зображення типового модуля ІС, узагальненої категорної моделі зображення загальносистемного інформаційного простору ІС та вдосконаленню математичних моделей операцій над елементами інформаційного простору ІС, що розробляється. Модель зображення типового модуля ІС базується на розгляданні МПІ, МВІ та МОДПР як сукупності документів, формування та обробка екземплярів яких здійснюється у розроблюваній ІС. Виходячи з цього, модель зображення типового модуля ІС має вигляд

, (3)

де - модель j-го модуля ІС, що розробляється,; - j-й модуль ІС, що розробляється; - кількість модулів, які реалізовано в ІС; - підмножина атрибутів, що описують заголовки документів, які реалізовано в модулі,; - набір елементів, які описують структуру документа із заголовком; - підмножина атрибутів типу "анкета" документа із заголовком,; - підмножина атрибутів типу "таблиця" документа із заголовком,; - підмножина атрибутів типу "текст" документа із заголовком,; - формалізований опис j-го атрибута, який використовується для формалізованого опису документа із заголовком,; - підмножина предикатів структурного впорядкування, елементи якої визначають структуру документа та порядок слідування атрибутів у відповідності з даною структурою; - підмножина предикатів обчислень, елементи якого визначають правила обчислення окремих атрибутів документа; - підмножина предикатів відповідностей, елементи якого визначають відповідність значень між атрибутами документа; - кількість документів, які реалізовано в модулі, що розглядається.

Виходячи з (3), було запропоновано модель локального інформаційного простору, який забезпечує реалізацію та експлуатацію j-го типового модуля, що має вид:

, (4)

де - лінійно незалежні атрибути, підмножину яких сформовано в результаті виконання для (3) відображення

, (5)

- кількість документів, моделі яких використовуються в процесі формування j-го локального інформаційного простору ІС,; - кількість лінійно незалежних атрибутів, які використовуються для опису заголовка i-го документа,; - кількість лінійно незалежних атрибутів, які використовуються для опису вмісту i-го документа та його окремих структурних частин,; - загальносистемний інформаційний простір ІС.

На підставі моделей (3) та (4) було розроблено формалізований опис локального інформаційного простору ІС як підкатегорії топологічних просторів

, (6)

а загальносистемного інформаційного простору ІС як категорії

, (7)

де - підкатегорія лінійно-незалежних топологічних просторів, яка визначає структуру локального інформаційного простору ІС як кластера загальносистемного інформаційного простору ІС; - категорія лінійно-незалежного топологічного загальносистемного інформаційного простору ІС;, - підмножини одиничних морфізмів, які описують операції генерації нової інформації;, - підмножини морфізмів, які описують операції рецепції інформації;, - підмножини морфізмів, які описують операції зберігання інформації, що визначені на локальному або на загальносистемному інформаційному просторі ІС відповідно.

Тоді деталізований опис метамоделі формування ІС, який синтезується в результаті визначення варіанту функціональної структури розроблюваної ІС як сукупності типових модулів, матиме такий вигляд:

, (8)

де - метамодель формування ІС, яка відображає особливості варіанту функціональної структури розроблюваної ІС; - універсум, що являє собою сукупність локальних інформаційних просторів проектних рішень, які знаходяться у розпорядженні розробників ІС; - сукупність функціональних вимог представників Замовника розроблюваної ІС; - формалізований опис законів формування обраного Замовником варіанта функціональної структури ІС, який може бути представленим одним з таких виразів

; ; ; (9)

- коконуси морфізмів, які описують процес призначення локальних інформаційних просторів ІС до окремої функціональної підсистеми, функціонального контуру чи функціонального модуля; J - кількість локальних інформаційних просторів ІС, які беруть участь у формуванні загальносистемного інформаційного простору ІС.

Опис операції генерації нової інформації у типовому модулі було створено на підставі зображення моделі (4) цього модуля як сукупності локальних кластерів атрибутів n документів. Такий локальний кластер в загальному випадку має вигляд

. (10)

Тоді операції генерації нової інформації у модулі слід розглядати як сукупність одиничних морфізмів, яка має вид

. (11)

Визначимо для опису процесу генерації нової інформації додатковий опис іншої сукупності. Тоді операцію генерації нової інформації можна подати таким виразом:

; (12)

де - точка інформаційного простору, що розглядається; - відрізок часу, протягом якого розглядається процес генерації нових значень локального кластера атрибутів в точці; - опис процесу репродукції значень локального кластера атрибутів з врахуванням залежності швидкості генерації нової інформації від кількості раніше згенерованих значень який має вигляд

; (13)

- характерний час відтворення значень локального кластера атрибутів; - матриця коефіцієнтів сповільнення процесу генерації нової інформації,; - опис конкурентної взаємодії різних елементів інформаційного простору в процесі генерації нової інформації (з урахуванням інформаційного симбіозу); - матриця коефіцієнтів антагоністичної взаємодії значень локальних кластерів атрибутів і; - опис процесу втрати згенерованого значення локального кластера атрибутів за результатом зустрічання двох однакових значень; - опис процесу заміни значення локального кластера атрибутів значенням локального кластера атрибутів; - антисиметрична матриця, яка описує спад генерації значень локального кластера атрибутів та одночасно зростання генерації значень локального кластера атрибутів протягом відрізку часу у точці інформаційного простору; - опис переміщення значень локального кластера атрибутів в інформаційному просторі; - матриця коефіцієнтів дифузії значень локального кластера атрибутів,; - кількість локальних кластерів атрибутів, що виділяються в локальному інформаційному просторі ІС.

Для розробки моделей операцій рецепції інформації було виділено чотири типи подібних операцій, а саме: а) рецепція раніше згенерованої інформації для її подальшої обробки та зберігання; б) рецепція раніше згенерованої інформації для її подальшого відтворення; в) рецепція інформації, що зберігається, для її подальшого відтворення; г) рецепція інформації, що зберігається, для конкретизації процесу генерації нової інформації.

На основі розглянутого вище визначення локального інформаційного простору ІС як сукупності локальних кластерів атрибутів n документів зроблено висновок, що кожна з підмножин операцій рецепції інформації типів а) і б) складатиметься з епіморфізмів відповідно, кожен з яких має вигляд

, (14)

де - операції мірності від 0 до n відповідно; - оператор, що визначає участь атрибута в операції рецепції інформації, який має вигляд

; (15)

- ймовірність вірного розпізнання інформації, що рецептується; - ймовірність виникнення помилок під час виконання операції рецепції інформації.

Операції в загальному випадку визначені універсальною алгеброю ІС, конкретний вигляд якої, в свою чергу, визначається обраними інструментальними засобами розробки ІС.

Кожна з підмножин операцій рецепції інформації типів в) і г) також складатиметься з епіморфізмів, кожен з яких має вигляд

 . (16)

Для опису операцій зберігання інформації були модифіковані визначення видів цінності інформації, збереженої в ІС. Це дозволило розділити інформацію, що зберігається в ІС, на три основні групи за критерієм тривалості очікування рецепції цієї інформації:

- кон'юнктурно цінна інформація, рецепція якої здійснюється в будь-який момент часу з відрізку, де - час прийняття рішення про генерацію нової інформації, - час, менший, ніж усі характерні часи ІС;

- прогностично цінна інформація, рецепція якої здійснюється в будь-який момент часу з відрізку, де - час прийняття рішення про генерацію нової інформації, - час, який дорівнює або перевищує усі характерні часи ІС;

- асимптотично цінна інформація, рецепція якої здійснюється в будь-який момент часу з відрізку, де - час прийняття рішення про генерацію нової інформації, - час, значно більший, ніж усі характерні часи ІС.

Характерним часом ІС для конкретної функціональної задачі називають значення відрізку часу, протягом якого здійснюється однократне використання модулів ІС для вирішення цієї функціональної задач.

На основі запропонованої класифікації та зображення локального інформаційного простору ІС як сукупності локальних кластерів атрибутів n документів зроблено висновок, що підмножина операцій зберігання інформації складатиметься з ін'єктивних морфізмів, кожен з яких має вигляд

, ; (17)

де - логічні оператори часової доцільності зберігання інформації, які набувають одне з таких значень

; (18)

- час, необхідний на зберігання інформації (даних або метаданих), пов'язаної з зазначеним локальним кластером атрибутів, який визначається як максимальний з часів, необхідних для зберігання значення одного з атрибутів, що створюють цей локальний кластер; - логічний оператор рецептивної доцільності зберігання інформації, значення якого визначається за виразом

; (19)

- морфізм, що описує операцію рецепції інформації моделями (14) чи (16), аргументом якого є лінійно незалежний атрибут, що бере участь у формуванні значень, які зберігаються, локального кластера атрибутів.

Основні результати розділу опубліковано у роботах [6, 10, 13, 20-22, 24, 26, 36, 43, 52].

У четвертому розділі розглядаються моделі операцій синтезу метамоделі формування ІС та імітаційна модель процесу розповсюдження інформації між елементами метамоделі формування ІС, яку пропонується використовувати для аналізу синтезованої метамоделі формування ІС. В роботі виділено основні типи операцій синтезу метамоделі формування ІС та запропоновано розглядати їх як часткові випадки використання одномісного чи n-місного коваріантних функторів. Математичну модель процесу синтезу метамоделі формування ІС на основі загальносистемного інформаційного простору зображено як одномісний коваріантний функтор, що має вигляд

, (20)

де - рівень зображення тезауруса вихідного категорного зображення, яке описано категорією А; - рівень зображення тезауруса підсумкового категорного зображення, яке описано категорією В; - клас об'єктів вихідної категорії А, які описують елементи вихідного зображення; - клас об'єктів кінцевої категорії В, які описують елементи підсумкового зображення; - клас морфізмів вихідної категорії А, які описують зв'язки елементів вихідного зображення; - клас морфізмів кінцевої категорії В, які описують зв'язки елементів підсумкового зображення; - система правил трансформації елементів класу об'єктів вихідної категорії А в елементи класу об'єктів кінцевої категорії В; - система правил трансформації елементів класу морфізмів вихідної категорії А в елементи класу морфізмів кінцевої категорії В.

Математичну модель процесу синтезу метамоделі формування ІС на основі сукупності локальних інформаційних просторів зображено як n-місний коваріантний функтор, що має вигляд

, (21)

де - n-місний функтор, ковариантний за всіма категоріями-початками даного функтора; - рівень зображення тезауруса вихідного категорного зображення, яке описано добутком категорій; - клас об'єктів добутку категорій; - клас морфізмів добутку категорій; - система правил трансформації елементів класу об'єктів добутку категорій в елементи класу об'єктів кінцевої категорії В; - система правил трансформації елементів класу морфізмів добутку категорій в елементи класу морфізмів кінцевої категорії В.

В процесі розробки операцій аналізу синтезованої метамоделі формування ІС було виявлено, що виникнення невідповідностей між окремими кластерами та атрибутами інформаційного простору ІС є наслідком виконання операцій генерації нової інформацій, що виводять ІС зі стабільного стану. Для розробки операцій виявлення протиріч введено припущення, за яким метамодель формування ІС являє собою солітонну систему, що коливається. При цьому коливання в метамоделі виникають в результаті виконання операцій генерації нової інформації і розповсюджуються в ІС внаслідок виконання операцій рецепції та зберігання інформації. Використання цього припущення дозволило розробити імітаційну модель процесів розповсюдження інформації між елементами метамоделі формування ІС з використанням апарата мереж Петрі, яка в загальному випадку має вид

, (22)

де - мережа Петрі, яку побудовано з урахуванням категорно-топологічного зображення інформаційного простору ІС; - скінченна множина позицій мережі Петрі, які визначено як описи кластерів загальносистемного інформаційного простору ІС,; - скінченна множина переходів мережі Петрі, які визначено як описи операцій рецепції та зберігання інформації на кластерах, що складається з підмножин; - підмножина переходів, елементами якої є підмножини описів атрибутів кластера інформаційного простору, над якими виконується операція рецепції згенерованої інформації; - підмножина переходів, елементами якого є підмножини описів атрибутів кластера інформаційного простору, над якими здійснюється операція зберігання згенерованої інформації; - скінченна зліченна множина маркування мережі,; - підмножина маркувань позицій мережі (24), елементами якої є кортежі вигляду

, (23)

- значення маркування в позиції мережі (24), яка описує конкретний атрибут кластера; - значення, яке набуває маркування позиції,; - унікальний ідентифікатор атрибута, який присутній у кластері; - унікальний ідентифікатор кластера інформаційного простору, на якому визначена операція генерації нової інформації,; - унікальний ідентифікатор кластера інформаційного простору, в якому зберігається згенерована інформація,; - унікальний ідентифікатор кластера інформаційного простору, що визначається поточною позицією мережі (24); - підмножина маркувань переходів мережі (24), елементами якої є кортежі вигляду

, (24)

- значення маркування в переході мережі (24), яке описує конкретний атрибут кластера, що бере участь у i-й операції мікрорівня; - значення, яке приймає маркування переходу,; - унікальний ідентифікатор атрибута кластера, що бере участь у i-й операції мікрорівня; - зворотна функція інцидентності мережі Петрі, яка описує початок виконання операції рецепції чи зберігання інформації над кластером вхідної інформації і має вигляд

(25)

- пряма функція інцидентності мережі Петрі, яка описує завершення виконання операції рецепції чи зберігання інформації і формування кластера вихідної інформації і має вигляд

. (26)

Правило формування початкових маркувань мережі (24) має вигляд:

, (27)

де - характерний час відтворення значень локального кластера атрибутів, які генеруються внаслідок виконання операції генерації нової інформації.

Використання наведеного вище припущення для розробки формалізованих описів операцій усунення виявлених невідповідностей дозволило створити формалізовані описи операцій усунення конкурентної взаємодії атрибутів та операції заміщення атрибутів як операцій якісного аналізу взаємодії двох атрибутів, що генерують нову інформацію, яка повністю або частково співпадає. Операцію усунення конкурентної взаємодії атрибутів слід розглядати як операцію якісного аналізу системи диференційних рівнянь, яка має вигляд

. (28)

Для проведення якісного аналізу системи (28) необхідно, базуючись на ізоклінах вертикалей () як лініях та, та на ізоклінах горизонталей як лініях та, побудувати фазовий портрет системи (28), на якому визначено сукупність сталих станів та площини сталості для атрибутів та. Використання фазового портрету системи (28) дозволило формалізувати процес формування варіантів рішення щодо визначення переможця у конкурентній взаємодії атрибутів як порівняльний аналіз площин сталості на фазовому портреті цих атрибутів. Переможцем у конкурентній взаємодії буде той атрибут, площина сталості якого буде більша за іншу.

Аналогічно операцію заміщення атрибутів слід розглядати як операцію якісного аналізу системи диференційних рівнянь, яка має вид

. (29)

Для проведення якісного аналізу системи (29) необхідно, базуючись на визначеннях ізокліни вертикалей () як лінії та ізокліни горизонталей як лінії, побудувати фазовий портрет системи (29), на якому визначено сукупність сталих станів і площини сталості для атрибутів та. Використання фазового портрету системи (29) дозволило формалізувати процес формування рішення щодо визначення переможця у конкурентній взаємодії атрибутів як порівняльний аналіз площин сталості на фазовому портреті цих атрибутів, що являють собою фокусні відрізки відповідних парабол. Переможцем у конкурентній взаємодії буде той атрибут, фокусний відрізок якого буде більший за інший.