Создание комплекса взаимосвязанных моделей систем на основе методологии IDEF

Создание комплекса взаимосвязанных моделей систем на основе методологии IDEF

Новосибирская государственная академия водного транспорта

Кафедра информационных систем

Курсовая работа

по дисциплине "Теория информационных процессов и систем"

Выполнил:

студент Минаев В.А.

группа ИТ-31а

Проверил:

преподаватель Голышев Д.Н.

Новосибирск, 2013

Содержание

Содержание

Введение

.        Теоретическая часть

.1 Закономерности систем

.3 Оценка сложности

.4 Модели систем

.4.1 Модель типа «Черный ящик»

.4.2 Модель состава системы

.4.3 Модель структуры системы

.4.4 Структурная схема системы

.5 Методологии IDEF

.5.1 Методология IDEF0

.5.2 Методология IDEF1X

.5.3 Методология IDEF3

.        Практическая часть

.1 Закономерности системы

.2 Классификация системы

.3 Сложность системы

.4 Информационная модель на основе технологии IDEF1X

.5 Функциональная модель на основе технологии IDEF0

.6 Модель на основе технологии IDEF3

Заключение

Список использованных источников

Введение

Человек - активная часть природы. Добиваясь своих целей, человек использует природу, воздействует на нее, преобразует ее и себя. Без преувеличения можно сказать, что самыми важными и наиболее интересными для человечества являются вопросы о возможностях человека в его отношениях с природой, о способах реализации этих возможностей, о факторах, способствующих и препятствующих расширению этих возможностей. Даже основной вопрос философии - о соотношении материи и сознания - принадлежит к этому кругу вопросов.

Наиболее очевидные и обязательные из признаков системности: - это структурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели. По отношению к человеческой деятельности эти признаки и в самом деле очевидны, поскольку встречаются в практическом опыте большинства людей. Всякое осознанное действие преследует определенную цель. В любом действии легко увидеть его составные части, более мелкие действия. При этом легко убедиться, что эти составные части должны выполняться не в произвольном порядке, а в определенной последовательности. Это и есть та самая подчиненная определенной цели взаимосвязанность составных частей, которая и является признаком системности.

Всякая деятельность тем успешнее, чем выше уровень ее системности; неудачи вызваны недостаточной системностью. Выделяют три уровня системности труда: механизация, автоматизация, кибернетизация. Возможности механизации ограничены участием человека. Автоматизировать можно только алгоритмизируемые процессы. Кибернетизация включает в технологический процесс интеллект - естественный или искусственный - в тех случаях, когда алгоритмизация решаемой задачи затруднительна или невозможна.

Основная идея разрешения проблем, связанных со сложными системами, состоит в том, чтобы в тех случаях, когда автоматизация (т.е. формальная алгоритмизация) невозможна, использовать человеческую способность, которая именно в таких случаях проявляется и которая называется интеллектом: способность ориентироваться в незнакомых условиях и находить решение слабоформализованных задач. При этом человек выполняет именно те операции в общем алгоритме, которые не поддаются формализации (например, экспертная оценка или сравнение многомерных и неколичественных вариантов, принятие управленческих решений, взятие на себя ответственности). Именно на этом принципе строятся автоматизированные (в отличие от автоматических)системы управления, в которых формализованные операции выполняют автоматы и ЭВМ, а неформализованные операции - человек.

Вариант задания:

Приобретение телевизора (в том числе предусмотреть процесс выбора модели и места покупки)

Цель работы:

Ознакомление с системообразующими свойствами систем, способами их классификации и мерами оценки сложности. Приобретение практических навыков по созданию комплекса взаимосвязанных моделей систем на основе методологии IDEF.

Задачи:

1.      Описать, как в системе проявляются основные системообразующие свойства

2.      Классифицировать систему по ряду признаков

.        Оценить сложность системы

.        Разработать комплекс взаимосвязанных IDEF моделей.

1.     
Теоретическая часть

.1 Закономерности систем

Целостность (интегративность, эмерджентность) проявляется в системе в виде возникновения новых качеств, не свойственных образующим ее компонентам, т.е свойства всей системы Q не являются простой суммой свойств ее элементов qi

Чем организованнее система, тем ее эмерджентность выше. Система находится всегда между крайними точками условной шкалы: абсолютная целостность - абсолютная аддитивность.

Иерархичность (коммуникативность). Считается, что любая система представляет собой элемент некоторой надсистемы. Элементы исследуемой системы выступают как системы более низкого порядка. При этом существуют системы одного уровня с рассматриваемой. Предполагается, что целостность (эмерджентность) систем проявляется на каждом уровне их иерархии - возникают новые свойства.

Эквифинальность. Способность системы при любых начальных условиях переходить в некоторое финальное состояние (конечных состояний может быть несколько за время существования системы). Термин ввел австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи (1901-1972 гг.). Эквифинальность объясняется опытом функционирования предшествующих во времени систем, испытывавших в своем развитии разные способы реагирования на воздействия окружающей среды.

Закон необходимого разнообразия. Его сформулировал английский психиатр Уильям Росс Эшби (1903-1972 гг.): управление может быть обеспечено только в том случае, если разнообразие управляющей системы  по крайней мере не меньше, чем разнообразие объекта управления :

Историчность. Время является непременной характеристикой системы, поэтому каждая система исторична - имеет свой жизненный цикл, стадии проектирования, рождения, становления, расцвета, упадка и смерти.

Робастность. Способность системы сохранять частичную работоспособность при отказе отдельных элементов или подсистем.

Гомеостаз. От греч. «homois» - подобный, одинаковый и «stasis» - неподвижный, состояние. Термин ввел американский физиолог Уолтер Брэдфорд Кеннон (1871-1945 гг.). Это равновесное состояние какой-либо системы, сохраняемое путем ее противодействия нарушающим это равновесие внешним и внутренним факторам.

Гомеокинез От греч. «homois» - подобный, одинаковый и «kinetikos» - движение. Это состояние системы, при котором ее показатели, при отсутствии изменений внешней среды, колеблются около некоторого среднего положения, оставаясь в определенных рамках.

Закономерности формулировки целей. Зависимость формулировки цели от стадии познания объекта. В процессе развития представлений об объекте исследования цель может переформулироваться.

Зависимость формулировки цели от внутренних и внешних факторов. Теория управления техническими системами оперирует понятием

цели только по отношению к внешним факторам. В открытых системах при формулировке целей внутренние факторы являются такими же значимыми, как и внешние.

Возможность формулировки общей цели в виде структуры целей. Цель возникает вначале в виде некоторого размытого «образа». Четкое ее представление невозможно без детализации в виде некоторого набора взаимосвязанных подцелей. Достижение целей вышележащего уровня не может быть полностью обеспечено достижением подцелей.

.2 Классификация систем

система информационный модель работоспособность

По типу элементов:

·        система типа «объект»

·        система типа «процесс»

·        детерминированные

·        стохастические

По отношению к окружающей среде:

·        открытые

·        закрытые

По происхождению:

·        искусственные

·        естественные

·        абстрактные

·        смешанные

По типу описания закона функционирования:

·        типа «Черный ящик»

·        типа «Серый ящик»

·        типа «Белый ящик»

По способу управления:

·        управляемые извне

·        управляемые изнутри

·        комбинированное управление

По вкладу человека-оператора:

·        механические

·        автоматические

·        автоматизированные

По доминированию:

·        централизованные

·        децентрализованные

По степени организованности:

·        хорошо организованные

·        диффузные

По разнообразию:

·        гомогенные

·        гетерогенные

По критериям рассмотрения:

·        мягкие (качественные критерии)

·        жесткие (количественные критерии)

По размеру:

·        малые

·        большие

По поведению:

·        простые

·        сложные

.3 Оценка сложности

Теоретико-множественная концепция отождествляет сложность системы с числом ее элементов.

Топологическая сложность определяется исходя из структуры и связей системы. При линейном - сложность структуры будет оцениваться длинной структуры от входа до выхода.

Алгоритмическая сложность оценивается на основе длины алгоритма функционирования системы, причем она пропорциональна самому «худшему» тестовому набору данных.

Вычислительная сложность определяется программным кодом системы:

= L1 + L2 + L3 + L4,

где:

·        L1 - общее число операторов (строчек)

·        L2 - число исполняемых операторов

·        L3 - показатель сложности (вложенности) циклов

·        L4 - показатель сложности условных операторов (определяется на основе числа условных операторов и их вложенности)

Теоретико-информационная сложность связывает сложность системы с энтропией (мерой неопределенности).

,

где N - число состояний системы.

.4 Модели систем

Любую систему можно с той или иной степенью достоверности смоделировать при помощи 4 типов моделей.

1.4.1 Модель типа «Черный ящик»

Система, которую представляют как «черный ящик», рассматривается как имеющая некий «вход» для ввода информации и «выход» для отображения результатов работы, при этом происходящие в ходе работы системы процессы наблюдателю неизвестны. Предполагается, что состояние выходов функционально зависит от состояния входов.

Каноническое представление чёрного ящика - это полное описание его функций. Два черных ящика с одинаковыми каноническими представлениями считаются эквивалентными.

Изучение системы по методу чёрного ящика сводится к наблюдениям за ней и проведению экспериментов по изменению входных данных, при этом в ходе наблюдения над реакциями системы на внешние воздействия достигается определённый уровень знаний об исследуемом объекте, позволяющий осуществлять прогнозирование поведения «чёрного ящика» при любых заданных условиях.

Рис. 1 Модель типа «Черный ящик»

.4.2 Модель состава системы

Модель состава системы дает описание входящих в нее элементов и подсистем, но не рассматривает связей между ними. Части системы, состоящие более чем из одного элемента, называют подсистемами. При необходимости можно ввести обозначения или термины, указывающие на иерархию частей. В результате получается модель состава системы, описывающая из каких подсистем и элементов она состоит.

Рис.2 Модель состава системы

Каждая из отмеченных на рисунке составляющих системы является подсистемой со своим составом. Поэтому для этих подсистем также можно построить свои модели состава.

.4.3 Модель структуры системы

Описание системы через совокупность необходимых и достаточных для достижения целей отношений между элементами называется моделью структуры системы. В данном случае речь идет о целевом (проблемном) анализе взаимосвязей между элементами, т.е. выделении из бесконечного числа связей необходимого и достаточного их количества в соответствии с имеющимися целями и дальнейшем их изучении.

.4.4 Структурная схема системы

Структурная схема системы является наиболее подробной и полной моделью любой системы на данном этапе нашего познания. При этом всегда остается актуальным вопрос об адекватности этой модели, разрешаемый только на практике.

Рис. 3. Различные виды структур систем

.5 Методологии IDEF

Взаимная совокупность методик и моделей концептуального проектирования IDEF разработана в США по программе Integrated Computer-Aided Manufacturing. В настоящее время имеются методики функционального, информационного и поведенческого моделирования и проектирования, в которые входят 10 IDEF-моделей, из которых в данной работе были построены лишь три:

·        IDEFO - Функциональное моделирование (Function Modeling Method). Наиболее известной реализацией IDEF0 является методология SADT (Structured Analysis and Design Technique). Эта методика рекомендуется для начальных стадий проектирования сложных искусственных систем управления, производства, бизнеса, включающих людей, оборудование, программное обеспечение.

·        IDEF1 и IDEF1X - Информационное моделирование (Information and Data Modeling Method). В IDEF1X имеется ясный графический язык для описания объектов и отношений в приложениях, так называемый язык диаграмм "сущность-связь".

·        IDEF3 - Моделирование деятельности (Process Flow and Object Stale Description Capture Method). В методике детализируется ответ на вопрос не "что система делает", а "как система это делает".

Рассмотрим эти три методологии подробнее.

1.5.1 Методология IDEF0

Методология IDEF0 основана на следующих концептуальных положениях:

Модель - искусственный объект, представляющий собой отображение системы и ее компонентов. М моделирует А, если М отвечает на вопросы относительно А (М - модель, А - моделируемый объект). Модель разрабатывают для понимания, анализа и принятия решений о реконструкции (реинжиниринге) или проектировании новой системы.

Система представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих некоторую полезную работу. Элементами системы могут быть любые комбинации разнообразных сущностей, включающих людей, информацию, программное обеспечение, оборудование, изделия, сырье или энергоносители.

Блочное моделирование и его графическое представление. Основной концептуальный принцип методологии IDEF - представление любой изучаемой системы в виде набора взаимодействующих и взаимосвязанных блоков, отображающих процессы, операции, действия, происходящие в изучаемой системе. В IDEF0 все, что происходит в системе и ее элементах, принято называть функциями. Каждой функции ставится в соответствие блок. На IDEF0-диаграмме, основном документе при анализе и проектировании систем, блок представляет собой прямоугольник. Связи, посредством которых блок взаимодействует с другими блоками или с внешней по отношению к моделируемой системе средой, представляются стрелками, входящими в блок или выходящими из него. Входящие стрелки показывают, какие условия должны быть одновременно выполнены, чтобы функция, описываемая блоком, осуществилась.

Строгость и формализм. Разработка моделей IDEF0 требует соблюдения ряда строгих формальных правил, обеспечивающих преимущества методологии в отношении однозначности, точности и целостности сложных многоуровневых систем.

Итеративное моделирование. Разработка модели в IDEF0 представляет собой итеративную процедуру. На каждом шаге итерации разработчик предлагает вариант модели, который подвергают обсуждению и последующему редактированию, после чего цикл повторяется.

Отделение «организации» от «функций». При разработке моделей следует избегать изначальной привязки функций исследуемой системы к существующей организационной структуре моделируемого объекта. Организационная структура должна явиться результатом использования модели.

1.5.2 Методология IDEF1X

IDEF1X является методом для разработки реляционных баз данных и использует условный синтаксис, специально разработанный для удобного построения концептуальной схемы.

Концептуальной схемой называется универсальное представление структуры данных в рамках коммерческого предприятия, независимое от конечной реализации базы данных и аппаратной платформы. Будучи статическим методом разработки, IDEF1X изначально не предназначен для динамического анализа по принципу "AS IS", тем не менее, он иногда применяется в этом качестве, как альтернатива методу IDEF1.

Использование метода IDEF1X наиболее целесообразно для построения логической структуры базы данных после того, как все информационные ресурсы исследованы (скажем с помощью метода IDEF1) и решение о внедрении реляционной базы данных, как части корпоративной информационной системы, было принято.

Однако не стоит забывать, что средства моделирования IDEF1X специально разработаны для построения реляционных информационных систем, и если существует необходимость проектирования другой системы, то лучше избрать другие методы моделирования.

.5.3 Методология IDEF3

Методология IDEF3 (workflow diagramming) - это методология графического моделирования, предназначенная для описания и документирования информационных потоков в системе, в которой процессы выполняются в заданной последовательности, взаимоотношений между процессами обработки информации и объектами, являющихся частью этих процессов и участвующие совместно в одном процессе.

Основная цель разработчиков методологии IDEF3 - обеспечение специалиста (эксперта) предметной области инструментом структурного анализа, при помощи которого он сможет представлять знания о выполнении операций в системе или организации в целом. Это метод, обеспечивающий аналитикам возможность описать ситуацию, когда процессы выполняются в определенной последовательности, а также описать объекты, участвующие совместно в одном процессе.

Цель описания может состоять как в документальном оформлении и распространении знаний о процессе, так и в идентификации противоречивости или несовместимости выполнения отдельных операций. Техника описания набора данных IDEF3 является частью структурного анализа.

2.     
Практическая часть

.1 Закономерности системы

Целостность системы «печатать фотографий» выражается в том, что произвести печать можно лишь в случае согласованного функционирования элементов системы - клиент, пункты печати фотографии, сотрудников точек печати и курьеров.

Иерархичность заключается в том, что система «печатать фотографий» имеет несколько подсистем, например, сама печать фотографии является подсистемой. Надсистемой в данном случае является работа любых документов, фотографии и т.д.

Эквифинальность системы в том, что она имеет конечное состояние - фотографии распечатаны и эксплуатируется клиентом.

Закон необходимого разнообразия выражен необходимостью клиента учитывать различные факторы, имеющие отношение к печати, как выбор фотографии, время работы магазина, его услуги (цветные, ч\б, фото или проявление) и т.п.

Закономерности осуществимости, жизнеспособности и потенциальной эффективности выражаются в данной системе, т. к. можно дать качественную оценку результата - печать хороших фото, или же наоборот, фотографии плохие. Отсюда можно вывести закономерности жизнеспособности и потенциальной эффективности метода покупки: к примеру, послушать продавца-консультанта, или же почитать отзывы на сайте предприятий, результат будет разный.

Историчность системы безусловна, поскольку прослеживается определенный жизненный цикл: решение о печати, выбор фотографии, проявление негативов и т.д.

Робастность системы можно наблюдать в случае закрытия одного или нескольких точек печати фотографии, либо же в случае болезни нескольких полиграферов. В этом случае фотографии все равно будут напечатаны, пусть и в другой точке печати.

Зависимость представления о цели и формулировка цели от стадии познания объекта. Она проявляется следующим образом: сначала клиенту просто надоедает смотреть фотографии на электронном устройстве. На следующем этапе это желание превращается в желание распечатать фотографии, затем уточняются качество печати фотографии и цена, в зависимости от нужд и финансовых возможностей покупателя. Таким образом, цель изменяется от абстрактной «смотреть фото на электронном устройстве» в конкретную «печать выборочных фотографий N с определённым качеством фото в таком-то месте за Х рублей».

Зависимость цели от внутренних и внешних факторов. Очевидно, цель будет корректироваться в зависимости от нескольких факторов, к примеру, размер рамок для фото, или же цена печати, или необходимость именно в цветных фотографиях. Также на конечную покупку окажет влияние качество печати местных точек печати.

Возможно сведение задачи формирования общей цели к задаче структуризации цели. Общая цель - напечатать фото. Ее можно разбить на несколько подцелей, таких как

·        выбрать качество фото

·        выбрать определённые фото

·        выбрать точку проявления негативов

·        выделить сумму денег

·        оформить заказ

·        …

Способ представления структуры целей зависит от стадии познания объекта. Если сначала человек просто хочет распечатать несколько любимых фотографий, то в дальнейшем он придет к цели распечатать больше фотоь свой досуг¸ то в дальнейшем он придет к цели приобретения телевизора, причем структура целей будет меняться.

В рассмотренной структуре целей проявляются закономерности целостности, т.к. отдельно выбор места печати или выделение денежной суммы не осуществляют печать фото. Только достижение всех подцелей будет эмерджентным.

.2 Классификация системы

. По типу элементов. Процесс.

2.      По характеру функционирования. Система детерминированная, поскольку известно, каким образом функционирует система.

3.      По отношению к окружающей среде данная система является открытой. Она взаимодействует с внешней средой в виде других клиентов нуждающихся в распечатке фото, других средств досуга (не телевидиние) и т.п.

.        По происхождению система смешанная. Здесь участвуют как люди (клиент, консультанты) так и механизмы (принтер)

.        По описанию переменных смешанная система. Им имеют место как количественные характеристики (цена, качество, формат печати), так и качественные характеристики (клиент доволен, хорошие снимки, плохие снимки, выгодная/невыгодная печать)

.        По типу описания закона функционирования систему можно классифицировать как «белый ящик». Все законы функционирования системы известны, где печатать фотографии, как их распечатать.

.        Способ управления системой комбинированный. Например, клиент может сам выбирать фото которые нужно печатать, а может попросить консультанта выбрать более удачные. Так же и с доставкой: самовывоз, доставка и т.п.

.        По доминированию система централизована. Работает принцип «клиент всегда прав».

.        По степени организованности данная система является диффузной. Не все функции определены четко. Клиент всегда решает сам где какие фото и какого качества печатать.

.        По критериям рассмотрения это система с мягкими критериями. Здесь важны качественные характеристики. Покупатель изъявляет желание напечатать «хорошие» снимки, «желательно недорого».

.        Размер системы малый (в зависимости от кол-ва снимков)

.        Сложность для покупателя, не разбирающегося в фотографиях - сложная.

.3 Сложность системы

По теоретико-множественной оценке сложности, рассматриваемая система является малой, она состоит из 8 элементов. (количество элементов меньше 1000)

Топологическая сложность определяется путем определения длины пути от начала до конца алгоритма. Таким образом, топологическая сложность данной системы равна 18. (см. рис 7)

Алгоритмическая сложность определяется длиной алгоритма при худшем наборе данных. Если в IDEF3-модели, изображенной на рисунке 7, пройти худший вариант (обойти пять магазинов из пяти возможных и выбрать модель в последнем магазине), то алгоритмическая сложность будет равна 42.

Вычислительную сложность примем равной алгоритмической, т.к. отсутствует программный код.

Теоретико-информационная сложность измеряется в битах, и равна

,

где N - число состояний системы. Таким образом, теоретико-информационная сложность будет равна бит.

.4 Информационная модель на основе технологии IDEF1X

Была построена IDEF1X-модель (реляционная модель) рассматриваемоащсй системы. Она изображена на рис. 4

Необходимые пояснения:

Клиент выбирает салон и делает заказ на фото.

.5 Функциональная модель на основе технологии IDEF0

На следующем этапе была построена функциональная модель системы IDEF0.

Рис. 5. IDEF0-модель первого уровня

Уровень декомпозиции данной модели слишком низок, для более детального рассмотрения ее необходимо декомпозировать. Результат декомпозиции изображен на рис. 6.

Рис. 6. IDEF0-модель второго уровня

Входами модели являются:

·        I1 - известные места печати

·        I2 - предпочтения покупателя (Цветные, Ч\Б, без проявления)

Выход:

·        O1 - расспечатаные фото

Исполнители здесь:

·        Ex1 - заказчик

·        Ex2 - человек забирающий фото

·        Ex3 - человек доставляющий фото в центр печати и проявления (курьер)

·        Ex4 - человек печатающий и проявляющий фото

·        Ex5 - кассир

·        Ex6 - автомобиль курьера

Нормы, правила:

·        Op1 - сумма денег

·        Op2 - качество фотографии

·        Op3 - удаленность

·        Op4 - услуги центра печати

·        Op5 - пожелания покупателя

·        Op6 - время работы

·        Op7 - свободный автомобиль доставки до центра печати

·        Op8 - способ оплаты

·        Op9 - место

·        Op10 - время (скорость выполнения)

Промежуточные выходы:

·        OO1 - выбранный магазин

·        OO2 - чек

·        OO3 - квитанция об оплате

2.6 Модель на основе технологии IDEF3

На третьем этапе была построена модель процессов IDEF3. Она изображена на рис. 7. V

Рис. 7. IDEF3-модель

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы была разработана модель системы «печать фото». Данная система была классифицирована и оценена с различных позиций.

Были построены три IDEF-модели данной системы, отражающие те или иные ее аспекты.

·        Информационная модель (реляционная модель данных) на основе технологии IDEF1X.

·        Функциональная модель на основе технологии IDEF0

·        Модель процессов на основе технологии IDEF3.

Список использованных источников

1)      Голышев, Д.Н. Теория информационных процессов и систем [Текст]: метод. указания к курс. работе «Информационные процессы и системы. Методы классификации, анализа и моделирования» /Д.Н. Голышев ; Новосибирская государственная академия водного транспорта. - Новосибирск: НГАВТ, 2007. - 10 с.

)        Голышев, Д.Н. Теория информационных процессов и систем [Текст]: учебное пособие /Д.Н. Голышев ; Новосибирская государственная академия водного транспорта. - Новосибирск: НГАВТ, 2013. - 105 с.

)        Блинков Ю.В. Основы теории информационных процессов и систем: учеб. пособие. - Пенза: ПГУАС, 2011. - 184 с.