Лекция 4. Основные рабочие процессы: Моделирование предметной области

Метод структурного моделирования SADT (IDEF0

SADT (аббревиатура выражения Structured Analysis and Design Technique - методология структурного анализа и проектирования) - это методология, разработанная специально для того, чтобы облегчить описание и понимание искусственных систем, попадающих в разряд средней сложности. SADT была создана и опробована на практике в период с 1969 по 1973 г.

Затем эта методология была принята в качестве стандарта в ВВС США и получила название IDEF0. Настоящее время IDEF0 получил статус международного стандарта.

Описание системы с помощью SADT называется моделью. В SADT-моделях используются как естественный, так и графический языки. Для передачи информации о конкретной системе источником естественного языка служат люди, описывающие систему, а источником графического языка - сама методология SADT. Графический язык SADT организует естественный язык вполне определенным и однозначным образом, за счет чего SADT и позволяет описывать системы, которые до недавнего времени не поддавались адекватному представлению.

Как известно, модель может быть сосредоточена либо на функциях системы, либо на ее объектах. Поэтому при моделировании систем различают два подхода:

- Функциональный

- Объектный.

Возникает вопрос, какой из методов наиболее полно претворяет в жизнь принципы системного подхода, или в другой формулировке, что является первичным – функции или объекты? На первый взгляд этот вопрос сродни проблеме «»курица – яйцо»: функции выполняются объектами и с помощью объектов и, в то же время, объекты создаются для выполнения функций. Чтобы разобраться с этой проблемой, обратимся к определению основополагающего понятия теории проектирования систем – понятию системы.

Основой существования любой системы, несомненно, является цель (или полезный результат). Именно на основе системной цели определяются функции, с помощью которых будет достигнута данная цель. Функции определяются путем разбиения глобальной цели на подцели, то есть путем построения дерева цели. При этом, рассматривая два соседних уровня дерева целей, можно говорить, что нижний уровень по отношению к верхнему является функциями, а верхний по отношению к нижнему – целью. Таким образом, построив дерево целей с достаточной для конкретной задачи степенью детализации, мы можем считать нижний уровень этого дерева функциями системы, то есть цели превращаются в средства достижения этой цели.

Таким образом, функции системы проявляются на этапе целеполагания, то есть на самых ранних этапах формирования систем. Объекты, которые должны выполнять выявленные функции, определяются вслед за этим, а не наоборот: создадим объекты (отделы, подразделения, персонал, оборудование), а потом придумаем, чем они будут заниматься (хотя в реальной жизни так бывает достаточно часто).

Данные рассуждения доказывают, что при реализации системного подхода, именно функции исходной системы (предприятия, организации, фирмы) должны быть отправной точкой в процессе проектирования информационной системы. Таким образом, именно функциональный подход, наиболее полно отвечает требованию системности, целостности.

SADT-модели, реализованные в CASE средствах, ориентированы именно на функции, то есть эти модели являются функциональными. Функциональная модель представляет с требуемой степенью детализации систему функций, которые в свою очередь отражают свои взаимоотношения через объекты системы. Модели данных (объектные модели) дуальны к функциональным моделям и представляют собой подробное описание объектов системы, связанных системными функциями.

Целью функциональной модели является получение ответов на некоторую совокупность вопросов. Эти вопросы неявно присутствуют (подразумеваются) в процессе анализа и, следовательно, они руководят созданием модели и направляют его. Это означает, что сама модель должна будет дать ответы на эти вопросы с заданной степенью точности. Если модель отвечает не на все вопросы или ее ответы недостаточно точны, то мы говорим, что модель не достигла своей цели.

Принципы SADT-моделирования

Метод структурного анализа и проектирования основан на достаточно простых и ясных принципах, и это позволяет избегать разночтений модели разными людьми, что зачастую бывает в процессе моделирования и анализа систем. Но чтобы достичь этого результата, очень важно строго придерживаться этих принципов. Нужно отметить, что современные CASE – средства, реализуют поддержку выполнения большинства из этих принципов.

Принцип первый – принцип «черного ящика»

Модель является отображением системы. Однако моделируемая система никогда не существует изолированно: она всегда связана с окружающей средой. Причем зачастую трудно сказать, где кончается система и начинается среда. По этой причине в методологии SADT подчеркивается необходимость точного определения границ системы. SADT-модель всегда ограничивает свой объект, то есть, модель устанавливает точно, что является и что не является объектом моделирования, описывая то, что входит в систему, и подразумевая то, что лежит за ее пределами. Отделенная от окружающей среды система с указанием связей с этой средой называется контекстом системы. Контекст системы изображается в виде «черного ящика», имеющего входы и выходы, которые отображают взаимодействие системы с окружающей средой (рис.4.1). Каждая из показанных на рисунке стрелок имеет свое название и назначение.

1. Стрелки слева Вход (Input) отображают необходимые для исполнения процесса входы.

1. Стрелки справа Выход(Output) отображают результаты исполнения процесса (выходы).

1. Стрелки снизу Механизм (Mechanism) отображают, с помощью чего и кого выполняется процесс, то есть механизмы – это те объекты, которые собственно и исполняют данный процесс. Например: оператор, рабочий, автоматизированная система предприятия и т. п.

1.
Стрелки сверху Управления (Control) отображают объекты, диктующие правила исполнения процесса. Это могут быть инструкции по технике безопасности для процесса изготовления детали рабочим, работающим на станке, или учебные планы для процесса обучения в вузе.

Рис.4.2. Контекст системы “Образовательная деятельность”

Принцип второй – принцип неизменности точки зрения

Ответы на поставленные вопросы будут зависеть от того, чья точка зрения отражается при создании модели. Например, мы получим разные модели предприятия при отражении точки зрения генерального директора, главного инженера или начальника отдела кадров. Поскольку качество описания системы резко снижается, если оно делается с различных позиций, SADT требует, чтобы модель рассматривалась все время с одной и той же позиции. У модели может быть только одна точка зрения, иона не должна меняться при декомпозиции.

Например, если вы строите модель образовательного процесса в вузе с точки зрения ректора и добрались при декомпозиции до деятельности кафедры, вы не должны описывать ее с позиций заведующего кафедрой, как бы логично это не казалось.

Кроме того, как мы убедимся далее, точка зрения определяется еще и тем временным отрезком, для которого делается модель: стратегическим, тактическим или оперативным. При построении модели этот отрезок должен оставаться неизменным.

Принцип третий «функции – объекты»

После того, как определены субъект, цель и точка зрения модели, начинается первая интеграция процесса моделирования по методологии SADT. Автор модели определяет, что включить в модель, а что исключить из нее. Точка зрения диктует автору модели выбор нужной информации об объекте моделирования и форму ее подачи. Цель становится критерием окончания моделирования. Конечным результатом этого процесса является набор тщательно взаимоувязанных описаний, начиная с описания самого верхнего уровня всей системы и кончая подробным описанием деталей или операций системы.

Каждое из таких тщательно взаимосогласованных описаний называется диаграммой. Диаграммы представляют собой совокупность функций и объектов. Функции изображаются блоками и именуются глаголами («изготовить», «принять») или отглагольными существительными («обработка», «изготовление», «обучение»).

Объекты изображаются дугами (стрелками) и именуются существительными: «деталь», «студент», «станок», «паспорт» и т.д.

Кроме того, SADT требует, чтобы в диаграмме было не менее трех и не более шести блоков. Эти ограничения поддерживают сложность диаграмм и модели на уровне, доступном для чтения, понимания и использования.

На рис.4.3. приведен пример диаграммы «Образовательная деятельность», в которой выделены три функции, связанные между собой набором дуг.

Рис.4.3. Декомпозиция контекстной диаграммы

Принцип четвертый – принцип декомпозиции диаграмм

SADT-модель объединяет и организует диаграммы в иерархические структуры, в которых диаграммы наверху модели менее детализированы, чем диаграммы нижних уровней. Другими словами, модель SADT можно представить в виде древовидной структуры диаграмм, где верхняя диаграмма является наиболее общей, называется контекстной диаграммой и обозначается А-0, а самые нижние наиболее детализированы. Контекстная диаграмма подвергается разбиению на несколько новых диаграмм. При этом уровень, следующий непосредственно за контекстной, обозначается А0. Каждому блоку на диаграмме присваивается номер, и диаграмма, являющаяся декомпозицией данного блока получит номер этого блока. На рис. представлено дерево диаграмм из модели образовательной деятельности вуза. Верхняя диаграмма (контекст) описывает образовательную деятельность. Диаграмма А0 детализирует контекст, указывая на три главные функции: организацию учебного процесса, выполнение учебного процесса и управление учебным процессом. Следующий уровень будет состоять из трех диаграмм, каждая из которых будет являться декомпозицией одной из трех функций и иметь номер соответственно А1, А2 и А3. Дальнейшая декомпозиция приведет к появлению десяти диаграмм, которые будут именоваться А11, А12, А13, А21, А22, А23, А31, А32, А33, А34. Это пример того, как SADT организует описание системы, создавая иерархию добавляющихся на каждом уровне деталей.

Принцип пятый –принцип сохранения дуг

В процессе построения модели мы переходим на более детальное представление системы. При этом важно не потерять связь с родительскими диаграммами, иначе на нижних уровнях мы получим систему, отличную от контекстной. Это гарантируется только в том случае, если будет соблюдаться принцип сохранения дуг. Он означает, что при построении дочерней диаграммы все граничные дуги родительской диаграммы должны быть перенесены в неизменном виде.

На рис. мы можем убедиться, что входные дуги «примерный учебный план» и «абитуриенты», дуги управления «государственные стандарты» и «Закон о высшем и послевузовском образовании», дуги механизмов «сотрудники института», дуги выхода «специалисты», присутствующие на контекстной диаграмме (рис.), без изменения перешли на дочернюю диаграмму А0 (рис.).

Принцип шестой – принцип декомпозиции дуг

Дуга в SADT на верхних уровнях модели обычно представляет набор объектов. Например, дуга, именуемая «сотрудники института», отражает профессорско – преподавательский состав, администрацию, инженерный состав и т.д. На нижних уровнях модели бывает важно уточнить, какие конкретно объекты связаны с выполнением данной функции. Для этого дуги могут разветвляться и эти ветви подсоединяться к различным блокам. Так на рис. дуга «сотрудники института», разветвилась на две ветви: «профессорско – преподавательский состав» и «администрацию», первая их которых стала механизмом функции «выполнение учебного процесса», а вторая двух функций – «организация учебного процесса» и «управление учебным процессом».

Этот пример иллюстрирует, как ветви дуг показывают, из чего состоит набор объектов.

Разветвления дуг, изображаемые в виде расходящихся линий, означают, что все содержимое дуг или его часть может появиться в каждом ответвлении дуги. Дуга всегда помечается до разветвления, чтобы дать название всему набору. Кроме того, каждая ветвь дуги может быть помечена или не помечена в соответствии со следующими правилами:

непомеченные ветви содержат все объекты, указанные в метке дуги перед разветвлением (т.е. все объекты принадлежат этим ветвям); ветви, помеченные после точки разветвления, содержат все объекты или их часть, указанные в метке дуги перед разветвлением (т.е. каждая метка ветви уточняет, что именно содержит ветвь).

Кроме того, что дуги могут разветвляться, они могут и сливаться.

Слияние дуг в SADT, изображаемое как сходящиеся вместе линии, указывает, что содержимое каждой ветви идет на формирование метки для дуги, являющейся результатом слияния исходных дуг. После слияния результирующая дуга всегда помечается для указания нового набора объектов, возникшего после объединения. Кроме того, каждая ветвь перед слиянием может помечаться или не помечаться в соответствии со следующими правилами: непомеченные ветви содержат все объекты, указанные в общей метке дуги после слияния (т.е. все объекты исходят из всех ветвей); помеченные перед слиянием ветви содержат все или некоторые объекты из перечисленных в общей метке после слияния (т.е. метка ветви ясно указывает, что содержит ветвь).

Принцип седьмой – принцип единства оформления диаграмм

Поскольку в разработке модели принимает участие целый коллектив аналитиков и экспертов, необходимо соблюдать единые правила оформления диаграмм, которые сводятся к следующему.

Диаграмме дается название, которое располагается в центре нижней части ее бланка. На каждой диаграмме написана стандартно идентифицирующая ее информация: автор диаграммы, частью какого проекта является работа, дата создания или последнего пересмотра диаграммы, статус диаграммы (рабочая версия (working), эскиз (draft), рекомендовано (recommended), принято (publication). Указывается, кто являлся экспертом диаграммы и когда он ее проверял (reader, date). Вся идентифицирующая информация располагается в верхней части бланка диаграммы.(рис.4.3.)

В правом верхнем углу указывается место диаграммы в модели, а в нижней части бланка расположен номер диаграммы А-0 (то есть, контекст) и ее название, в данном примере это «Образовательная деятельность».

Виды связей между блоками

Между объектами и функциями возможны четыре отношения: вход, управление, выход, механизм. Каждое из этих отношений изображается дугой, связанной с определенной стороной блока. По соглашению левая сторона блока предназначена для входных дуг, верхняя сторона - для управленческих дуг, правая сторона - для выходных дуг, нижняя сторона - для дуг механизмов. Таким образом, стороны блока чисто графически сортируют объекты, изображаемые касающимися блока дугами.

Связи между предыдущей и последующей функцией могут быть двух типов:

1. Прямые

1. Обратные

Прямые связи устанавливаются между выходом предыдущего блока с входами последующего. Здесь возможны такие варианты:

1.1. Выход – вход, то есть связь между выходом предыдущей функции и входом последующей:

Такие связи присутствуют в случае моделирования различных стадий жизненного цикла какого-то процесса. Функции относятся к одному типу.

Например, при моделировании процесса обучения студентов в вузе

1.2.Выход – управление, то есть связи между выходом предыдущей функции – управлением последующей:

Связи этого вида устанавливаются между функциями организации и функциями выполнения (производительными функциями).

Например, учебные планы являются управлением для процесса обучения, при этом функция «Разработка учебного плана» относится к организационной группе функций (планирование), и ее выход будет являться стрелкой управления для производственной функции «Обучение студентов».

1.3.Выход – механизм, то есть связи между выходом предыдущей функции и механизмом последующей:

Связи этого вида также устанавливаются между функциями организации и функциями выполнения (производительными функциями).Например, для процесса обучения «преподаватели» являются механизмом, и организационная функция «Прохождение конкурсного отбора преподавателями» предназначена для подготовки этого механизма.

Обратные связи устанавливаются между выходом последующего блока и входами предыдущего. Возможные варианты обратных связей:

2.1. Выход – вход, то есть связи между входом предыдущей функции и выходом последующей, или другими словами, обратная связь по потоку данных. Она возникает в тех случаях, когда изображают на одной схеме различные стадии одного процесса, улучшающего выходы до желаемого качества. В приведенном ниже примере обучение будет длиться до тех пор, пока студент не выполнит положенную учебную программу.

2.2. Выход – управление Обратная связь по управлению и обратная связь по входу являются более сложными, поскольку они представляют итерацию или рекурсию. А именно выходы из одной функции влияют на будущее выполнение других функций, что впоследствии влияет на исходную функцию. Обратная связь по управлению возникает тогда, когда выход некоторого блока влияет на блок с большим доминированием.

2.3. Выход – механизм

Связи "выход-механизм" встречаются нечасто и представляют особый интерес. Они отражают ситуацию, при которой выход одной функции становится средством достижения цели для другой, связи "выход-механизм" характерны при распределении источников ресурсов (например, требуемые инструменты, обученный персонал, физическое пространство, оборудование, финансирование, материалы).

Когда диаграммы в модели становятся слишком трудными для чтения, для упрощения описания системы могут разумным образом использоваться специальные технические приемы типа "вхождения дуг в тоннель".

Стратегии декомпозиции

Сложность объектов автоматизации определяется числом элементов и связей между ними. Число элементов можно оценить количеством персонала, номенклатурой средств труда, предметов труда, готовой продукции и т.п., а количество связей - количеством информации, используемой для управления. Количество связей зависит от количества элементов.

Современные объекты автоматизации – это сложные системы, состоящие из тысяч элементов и связей.

Одним из проявлений сложности является то, что человек не охватывает всех сторон сложного явления, что связано с конкретными физиологическими возможностями человека. Чтобы охватить явление, приходиться работать группами людей, причем каждому выделяется часть дела. При этом возникает проблема декомпозиции (разделения на части). Декомпозицию можно рассматривать как один из способов борьбы со сложностью.

Основная цель декомпозиции - разделение системы на части, имеющие меньшую сложность. При этом обеспечиваются условия для анализа и синтеза подсистем.

Первой проблемой декомпозиции является разделение систем на части с меньшим числом элементов и связей, то есть с меньшим числом переменных величин.

Разделение производится обычно таким образом, чтобы подсистемы подчинялись какой либо классификации, например, по функциям управления, по иерархии управления и т.п.

Необходимо учитывать естественную декомпозицию, которая находит свое выражение в существующей структуре управления, обязанностях должностных лиц, действующей документации. Это облегчает работу, но пользоваться этим следует осторожно, критически оценивая ситуацию с учетом своих целей.

Плодотворным способом является проведение многократной декомпозиции по нескольким разным направлениям, при котором каждый элемент системы можно от нести одновременно к нескольким подсистемам

В целом декомпозиция должна быть проведена таким образом, чтобы достичь цели моделирования.

Декомпозиция в SADT - это процесс создания диаграммы, детализирующей определенный блок и связанные с ним дуги. Результатом ее является описание, которое представляет собой "разламывание" родительского блока на меньшие и более частные функции. Способов разбиения родительской диаграммы на составляющие ее процессы может быть множество. Это связано с разнообразием видения авторами исходной системы, имеющейся информации о ней, кругозором и опытом автором. Поэтому под стратегией декомпозиции будем понимать принципы, положенные в основу представления об исходной системе, и способы разбиения ее на основе этих принципов.

Необходимо постоянно следить за стратегией декомпозиции и ее влиянием на качество модели. Существует множество стратегий декомпозиции. Рассмотрим некоторые наиболее часто применяемые стратегии, которым можно следовать, создавая модель.

Основные известные стратегии декомпозиции.

Стратегия, основанная на организационном принципе, или стратегия по стабильным подсистемам. При этой стратегии учитывается организационная структура предприятия. Данная стратегия приводит к созданию набора моделей, по одной модели на каждую подсистему или важную компоненту. Затем для описания всей системы должна быть построена составная модель, объединяющая все отдельные модели. Рекомендуется использовать разложение на подсистемы, только тогда, когда разделение на основные части системы не меняется. Нестабильность границ подсистем быстро обесценит как отдельные модели, так и их объединение.

Стратегия, основанная на функциональном подходе

Декомпозиции базируется на функциональных взаимоотношениях действий системы, и отвечает на вопрос что делает система, независимо от того, как она работает. Кроме того, в функциональных декомпозициях отдают предпочтение подробному показу сути выполняемых функций системы, а не их последовательности. Поэтому следует придерживаться этой стратегии всегда, когда это возможно.

Стратегия, основанная на отслеживании этапов преобразования входов системы в конечный продукт, или стратегия жизненного цикла. Такая стратегия может оказаться эффективной для описания технологических процессов. Рекомендуется применять эту стратегию, когда целью системы является улучшение одного из основных входов и когда вы легко можете определить последовательные стадии улучшения этого входа.

Стратегия РЗ (people, papers, procedures). Стратегия, основанная на описании взаимодействия персонала и функций, выполняемых каждым отдельным лицом. Данную стратегию рекомендуется использовать только в начале работы, в тех случаях, когда объем сведений о системе не достаточен.

На рис. 1,2,3 показаны результаты применения различных стратегий к одной и той же исходной системе – «Выполнение учебного процесса».

Стратегия «по системным функциям». Данная стратегия является развитием стратегии, основанной на функциональном подходе, и исходит из того, что в системе любой природы - экономической, технической, социальной, биологической – всегда выполняются определенные группы функций: производительные, функции организации и функции управления. Производительные функции являются именно теми функциями, которые обеспечивают получение того полезного результата, для которого предназначена система. Функции организации создают или модернизируют систему. Создание любой системы начинается с определения цели, или полезного результата этой системы. Для предприятия глобальная цель в терминах стратегического менеджмента, как известно, называется миссией. После формулирования миссии определяются цели организации, более конкретные, чем миссия, и выраженные, как правило, количественными параметрами. Затем уточняются и эти цели, в конце концов, строится дерево целей, или дерево полезных результатов, зеркальное отображение которого очень часто дает нам структуру организации. Следующей задачей процесса организации является определение всех необходимых элементов системы, которые будут выполнять те или иные производительные функции. К таким элементам относятся структурные подразделения, средства производства, предметы труда, персонал (в виде квалификационных требований). К элементам можно отнести и нематериальные составляющие, такие как информационные системы, лицензии, торговые марки и т.п., а также корпоративную культуру и стиль компании.

Следующая функция организации – это определение процессов, с помощью которых будут выполняться производительные функции.

И, наконец, завершает процесс организации функция планирования, которая должна определить параметры управления и наметить на плановый период их значения.

Функции организации осуществляются пошагово, функция за функцией, причем возможен возврат на предыдущие шаги и их корректировка. Таким образом, процессы организации протекают итерационно

Планирование отнесено к функциям организации, поскольку именно план является реальной целевой функцией для процессов управления. По отношению к системе управления цель является внешней, лежащей вне контура управления.

Функции управления делятся в свою очередь на общие и специализированные Общие функции управления являются инвариантными к объекту управления, они присущи любому объекту управления независимо от его природы; это функции учета, контроля, анализа и прогноза, анализа и принятия решений. Эти функции выполняются циклически всегда в указанном порядке и образуют замкнутый контур управления. Специализированные функции управления связаны со спецификой объекта управления, особенностями его деятельности. Специализированные функции могут быть выявлены при построении дерева полезных результатов, как нижний уровень этого дерева.

Кроме того, при классификации функций необходимо учитывать такой параметр как временной горизонт, имеющий по крайней мере три значения: стратегический (от 5 до 20 лет), тактический, или среднесрочный,(от 1года до 5 лет) и оперативный, или краткосрочный (от одного дня до 1 года). Может быть и другая, более уточняющая градация.

Таким образом, можно построить трехмерную матрицу, элементами которой будут все возможные функции, которые должны выполняться на предприятии. Осями этой матрицы будут являться три переменные:

v горизонт времени

v специализированные функции управления (бизнес-функции)

v функции организации и общие функции управления

Таким образом, можно построить трехмерную матрицу, элементами которой будут все возможные функции, которые должны выполняться на предприятии. Осями этой матрицы будут являться три переменные:

- горизонт времени

- специализированные функции управления (бизнес-функциии)

- функции организации и общие функции управления

Построив матрицу, менеджер может увидеть полный набор всех функций, а после этого заняться проектированием этих функций, то есть приданием им смыслового содержания и описанием с использованием CASE- средств. Данный подход полезен и в процессе реинжиниринга. В этом случае в рамках указанного подхода строится модель TO-BE и сравнивается с моделью AS-IS, построенной на основе функций, выполняемых на фирме. Сравнение двух указанных моделей дадут ключ к реформированию процесса стратегического менеджмента, реструктуризации дерева целей и, возможно, переосмысления миссии.