Языки описания информационных систем

 

Для описания информационных систем используются следующие основные языки:

– язык вопросов;

– язык сообщений о необходимых изменениях информационного фонда (язык обновления);

– язык ответов;

– язык сообщений об изменениях алгоритмов обработки и поиска (язык адаптации);

– информационный язык (для выражения результатов информационного поиска);

– алгоритмический язык информационных систем.

В настоящее время известны следующие специфические языки описания информационных систем:

1. Язык нумерации. Предложения такого языка представляют собой последовательность цифр. Вопрос на языке такого типа означает номер информационной задачи. Разновидности языка:

– с фиксированным количеством цифр в предложении;

– с переменной длинной предложения.

2. Языки идентификаторов. Вместо последовательностей цифр в качестве предложений используются идентификаторы – последовательность букв и цифр (первый символ – буква).

3. Языки форматного типа. Каждое предложение такого языка выглядит как последовательность слов фиксированной длины. Длины слов могут быть и неодинаковыми, и определяться их позициями в последовательности. В простейших языках этого типа форматы всех предложений одинаковы.

В более сложных языках может применяться несколько фиксированных форматов. Для распознавания формата часто применяется включение дополнительного слова, служащего признаком вида формата.

Возможны форматные языки с неопределенным числом элементов формата. В таких языках в конце каждого формата вводится дополнительный элемент (хвостовая метка), указывающий конец предложения.

4. Языки позиционного типа имеют неопределенную длину элементов, при этом номер элемента (слова) в предложении называется его позицией.

Языки бывают с числом позиций:

– с фиксированным;

– с неопределенным.

Вместо хвостовых меток используется указатель числа позиций.

5. Языки древовидного типа являются дальнейшим развитием позиционных языков. Элементы предложений могут принадлежать разным уровням. Перед каждым элементом в предложении размещается код, являющийся признаком уровня. Признак конца предыдущего элемента может быть объединен в один код с признаком уровня последующего. Каждый элемент некоторого уровня считается входящим в ближайший от него слева элемент более высокого уровня. То есть, каждое предложение представляет собой древовидную структуру.

                                                                                     

	3. Иванов: 2.25: 2.21: 1.31: 2. Сидоров: 0.17: 0.18: 0.19: ыы : – хвостовой символ ыы – хвостовая метка

 

6. Языки анкетного типа. В результате заполнения анкеты получается вопрос или обновляющее сообщение.

7. Языки с грамматическим строем. После грамматического разбора предложения такого языка получается древовидная структура (аналогично языкам древовидного типа).

8. Нормированные языки. Представляют собой строго определенные подмножества естественного языка, предложения которых по отношению к предметной области семантически однозначны. Выделяют эти подмножества путем задания словаря, допустимых правил построения и ряда ограничений.

9. Естественный язык. Текст расчленяется на отдельные слова.

 

2.4. Формирование информационной системы

на основе структурного анализа

 

Для формирования информационной системы рекомендуется использовать методы, регламентирующие уровень сложности технических решений.

Цикл разработки системы включает в себя следующие основные этапы:

– выработка стратегии;

– анализ;

– проектирование;

– кодирование (программирование);

– тестирование и отладка;

– эксплуатация и сопровождение.

Этап выработки стратегии является начальной стадией разработки системы. На этом этапе выявляются информационные потребности в указанной предметной области, создается план разработки, идентифицируются и проверяются ключевые требования к системе, составляется техническая схема, представляющая собой эскизный проект системы. На последующих этапах полученные данные подвергаются дополнениям и уточнениям.

Этап анализа. Здесь требуется выработка детальной спецификации информационной системы в терминах функциональной схемы предприятия. Данная спецификация является основой согласованного с пользователем списка услуг и требуемых характеристик разрабатываемой информационной системы.

Этап проектирования. Задачей этого этапа является исследование структуры системы и логических связей ее элементов. Проектирование определяется как итерационный процесс получения логической модели системы вместе со строго сформулированными целями, поставленными перед нею, а также написания спецификаций физической системы, удовлетворяющей этим требованиям. Здесь логические представления, выработанные на предыдущем этапе, переводятся в спецификации программ, файлов, входных и выходных данных, управляющих воздействий. Результатом проектирования является первый вариант проекта, который затем последовательно дорабатывается.

Этап программирования. На этом этапе разрабатываются автономно тестируемые программы по спецификациям, подготовленным во время системного проектирования.

Тестирование и отладка. Предусматриваются две стадии тестирования: тест программ и тест всей системы. Планировать работы по тестированию желательно еще на этапе системного анализа.

Системное тестирование должно демонстрировать надежность всей системы. Проверке подлежат все уровни реализации, от корректности работы со структурами данных до понятности пользовательского интерфейса.

Ввод в эксплуатации. Этот этап предусматривает перенос новой информационной системы из тестовой среды в рабочую.

Главная особенность индустрии создания программного обеспечения состоит в концентрации сложности на начальных этапах (анализ, проектирование), при относительно невысокой сложности, трудоемкости последующих этапов. Нерешенные вопросы и ошибки, допущенные на этапах анализа и проектирования, порождают на последующих этапах большие проблемы, иногда приводящие к неуспеху всего проекта. Рассмотрим эти этапы подробнее.

После выработки стратегии необходимо проанализировать те требования, которым должна отвечать система. Анализ является важнейшим среди всех этапов цикла разработки. Он оказывает существенное влияние на все последующие этапы, являясь в то же время наименее изученным и понятным процессом.

На этом этапе необходимо понять, что предполагается сделать, и зафиксировать это документально. При этом язык, на котором формулируются требования к разрабатываемой системе, должен быть достаточно прост и понятен заказчику.

Список требований к разрабатываемой системе должен включать:

– совокупность условий, при которых предполагается эксплуатировать будущую систему (аппаратные и программные ресурсы, предоставляемые системе; внешние условия ее функционирования; состав людей и работ, имеющих к ней отношение);

– описание выполняемых системой функций;

– ограничения в процессе разработки (директивные сроки завершения отдельных этапов, имеющиеся ресурсы, организационные ресурсы, организационные процедуры и мероприятия, обеспечивающие защиту информации).

Целью анализа является преобразование общих, неясных знаний о требованиях к будущей системе в точные, по возможности, определения. На этом этапе определяются:

– архитектура системы, ее функции, внешние условия функционирования, распределение функций между аппаратурой и программным обеспечением;

– интерфейсы и распределение функций между человеком и системой;

– требования к программным и информационным компонентам программного обеспечения, необходимые аппаратные ресурсы, требования к базе данных, физические характеристики компонентов программного обеспечения, их интерфейсы.

Во многих аспектах системный анализ является наиболее трудной частью разработки. Проблемы, с которыми сталкивается системный аналитик, взаимосвязаны, что является одной из главных причин трудности их разрешения:

– аналитику сложно получить исчерпывающую информацию для оценки требований к системе с точки зрения заказчика;

– заказчик, в свою очередь, не имеет достаточной информации о проблеме обработки данных, чтобы судить, что является выполнимым, а что – нет.

– аналитик сталкивается с чрезмерным количеством подробных сведений о предметной области и о новой системе;

– спецификация системы из-за объема и технических терминов часто непонятна для заказчика;

– в случае ясности спецификации заказчика, она будет недостаточной для проектировщиков и программистов, создающих систему.

Применение известных аналитических методов снимает некоторые из перечисленных проблем анализа. Эти проблемы могут быть существенно снижены за счет применения современных структурных методов, среди которых центральное место занимают методологии структурного анализа.

Структурным системным анализом принято называть метод исследования системы, которое начинается с ее общего обзора и затем детализируется, приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней.

Для таких методов характерно:

– разбиение информации на уровни абстракции с ограничением числа элементов на каждом из уровней (обычно от 3 до 6-7);

– ограниченный контекст, включающий лишь существенные на каждом уровне детали;

– двойственность данных и операций над ними;

– использование строгих формальных правил записи;

– последовательное приближение к конечному результату.

Приступая к структурному системному анализу, желательно уже иметь в виду конкретное принципиальное техническое решение, составленную приближенную смету затрат, сформулировать системные требования и оценить ожидаемый эффект.

Основные задачи структурного системного анализаможно сформулировать следующим образом.

1. Выработка первоначального плана

На этом этапе проходит ознакомление разработчиков с предметной областью, документацией и пользователями. Определяются назначение и основные цели разработки информационной системы. Составляется план проведения структурного системного анализа.

2. Анализ существующей системы

Исследуются все существующие системы в сфере действия проектируемой информационной системы. Кратко формулируются выявленные проблемы.

В случае, когда информационной системы в обследуемой организации нет, эти аспекты теряют смысл.

3. Определение требований

Здесь определяются направления дальнейшего развития проекта. Исследуются цели создания информационной системы, формируются и согласовываются с пользователем конкретные задачи, для решения которых разрабатывается информационная система. Результаты исследований вместе с выявленными новыми требованиями документируются для выполнения последующих работ.

4. Разработка эскизного проекта

Выявленные требования вызывают необходимость внесения в проект информационных систем новых функций и данных. Обычно делается несколько эскизных проектов, поскольку новые требования могут быть реализованы различными способами. Документацию по проектируемой системе желательно реализовать в виде операционных диаграмм.

5. Анализ данных

На этом этапе формулируется логическое определение всех данных информационной системы.

Проверяется полнота их описаний и соответствие требованиям предметной области.

6. Детальная проработка системы

Созданные ранее операционные диаграммы расширяются введением дополнительных операций, отражающих разделение автоматизируемых и неавтоматизируемых процессов. Детально рассматриваются процедуры. Проверяется логика автоматизируемых процессов путем изучения профилей доступа (соотнесение процессов и данных для них).

Специфицируются форматы входных и выходных данных. Приводятся примеры пользовательского интерфейса. Анализируется завершенность детального описания системы.

7. Составление плана разработки

Делается подробная оценка проекта в целом, рассматриваются сроки выполнения последующих этапов, корректируется план реализации системы.

8. Подготовка спецификации и сводного отчета

Составленные ранее отдельные компоненты спецификаций системы теперь дополняются разделами общесистемного характера, которые обсуждаются с пользователями. Проводится окончательное согласование проектных спецификаций. На основе утвержденных спецификаций готовится сводный отчет.

Не подлежит сомнению, что качественный структурный системный анализ выполним лишь при наличии высокой квалификации и большого опыта проектировщиков. Однако далеко не последнюю роль играют сами методы, тщательно подготовленная документация и процедуры. Главная задача – получить от заказчика четкие спецификации системы.

Структурный системный анализ, в частности, предлагает целый комплекс методов, процедур и нормативных документов, разработанных для решения поставленных задач. В него входят:

– функциональный анализ, дающий более полный взгляд на функциональные процессы системы;

 – анализ данных, предназначенный для полного и однозначного определения (сущностей) и их взаимосвязи;

– анализ требований, позволяющий сопоставить выявленные в прикладной области требования с характеристиками существующей системы (если таковая имеется) для оценки необходимых измерений.

Все методологии структурного системного анализа базируются на базе общих принципов, часть из которых регламентирует организацию работ на ранних этапах жизненного цикла программного обеспечения, а часть используется при выработке рекомендаций по организации работ.

В качестве базовых принципов структурного системного анализа используются следующие:

– принцип решения трудных проблем путем разбиения их на множество меньших независимых задач, легких для понимания и решения;

– принцип иерархического упорядочивания, то есть части системы декомпозируются в древовидные иерархические структуры, каждый из уровней которых добавляет новые детали к уже существующим;

– принцип абстрагирования – выделение существенных с некоторых позиций аспектов системы и отвлечение от несущественных, с целью представления проблемы в простом общем виде;

– принцип формализации – необходимость строго методического подхода к решению проблемы;

– принцип упрятывания – упрятывание несущественной на данном этапе информации;

– принцип концептуальной общности – следование единой философии на всех этапах жизненного цикла создания и использования программного обеспечения (структурный анализ – структурное проектирование – структурное программирование – структурное тестирование);

– принцип полноты – контроль присутствующих лишних элементов;

– принцип непротиворечивости – обоснованность и согласованность элементов;

– принцип логической независимости – концентрация внимания на логическом проектировании для обеспечения независимости от физического проектирования;

– принцип независимости данных – модели данных должны быть проанализированы и спроектированы независимо от процессов их логической обработки, а также от их физической структуры и распределения;

– принцип структурирования данных – данные должны быть структурированы и иерархически организованы;

– принцип доступа конечного пользователя – пользователь должен иметь средства доступа к базе данных, которые он может использовать непосредственно (без программирования);

Руководствуясь всеми принципами в комплексе, можно на более ранних стадиях разработки программного обеспечения понять, что будет представлять собой создаваемая система, обнаружить промахи и недоработки, что, в свою очередь, облегчит работы на последующих этапах и понизит стоимость разработки.

Для описания систем используется метод подобия, когда система сравнивается с некоторым эталоном. При наличии этого эталона можно ввести количественное и качественное описание характеристик системы.

Для количественного описания вводятся числа, выражающие соотношение между данной характеристикой системы и эталоном.

Качественные характеристики находят с помощью метода экспертных оценок [ ].

 

3. КИБЕРНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД И ДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

 

Наиболее распространенным описанием информационных систем является кибернетический подход, основанный на представлении систем в виде «черного ящика». При этом модель системы представляется множеством величин, описывающим процесс функционирования реальной системы и образующим в общем случае 4 подмножества:

– совокупность входных воздействий на систему x_i Î X, i =1, n_x;

– совокупность входных воздействий внешней среды u _l Î V, l =1, n_v;

– совокупность внутренних параметров системы h_k Î H, k =1, n_H;

– совокупность выходных характеристик системы y_j Î Y, j =1, n_Y;

В перечисленных множествах выделяют управляемые и неуправляемые элементы. В общем случае указанные множества не пересекаются. Внутренние параметры системы, входные параметры, параметры внешней среды являются независимыми переменными, а выходные – зависимыми.

В общем случае x_i, v_l, h_k, y_j являются элементами непересекающихся подмножеств и содержат как детерминированные, так и стохастические составляющие.

                                              x(t) = (x₁(t), x₂(t),... x_nx(t)),

                                          u (t) = (u ₁ (t), u ₂ (t),... u _{n u} (t)),                               (1)

                                             h(t) = (h₁(t), h₂(t),... h_nh(t)),

                                             y(t) = (y₁(t), y₂(t),... y_ny(t)).

Процесс функционирования системы в векторной форме:

                                                     y (t) = F_S (x, u, h, t)                                        (2)

В общем случае F_S может быть задано в виде функции, функционалов, логических условий, словесных правил, в алгебраической или табличной форме.

F_S может быть задан несколькими алгоритмами функционирования системы А_S. А_S определяется как метод расчета выходных характеристик по x, u, h.

Закон (3.2) описывает поведение системы во времени. Такие модели называются динамическими, а описание системы – динамическим. Статическое определение системы исключает фактор времени и является частным случаем динамического описания. y=f(x, v,h) (исключая t).

Описание F_S может быть получено через свойство системы в конкретные моменты времени, которые называются состояниями системы. В общем случае описание системы S может быть представлено набором состояний системы в определенные моменты времени.

Алгоритм функционирования может быть задан различными способами: табличным, графическим, аналитическим. Такие соотношения получают через конкретные состояния системы в некоторые моменты времени, которые описывают свойства системы.

Эти состояния системы описываются векторами

                                         z ’ = (z ₁ ’, z ₂ ’,..., z_n ’)                                       (3)

                                           z ’’ = (z ₁ ’’, z ₂ ’’,..., z_n ’’)

в момент времени t Î [0,T]. При этом функционирование системы S рассматривается как последовательность состояний z₁(t), z₂(t),... z_k(t). Это может быть интерпретировано как перемещение точки в k -мерном пространстве фазовых состояний системы. Совокупность возможных состояний называется пространством состояний объекта моделирования Z.

Для такого описания необходимо задать состояние системы в начальный момент, вектор входных воздействий x(t), вектор изменения внутренних параметров h(t) и вектор воздействия внешней среды v (t). На каком-то промежутке времени D t = t - t₀ описание системы будет выглядеть как два векторных уравнения:

                                                 z(t) = Ф (z₀, x, v, h, t)                                        (4)

                                                  y(t) = F(z, t).

В общем случае в модели системы S время может рассматриваться на интервале [0,T] (модельное время) как непрерывное, так и дискретное. Если время задается дискретно (задан интервал квантования D t), то T=m* D t, где m – число дискретов. Если описание системы не содержит элементов случайности или они не учитываются (стохастические влияния внешней среды v (t) и внутренние стохастические параметры h(t) отсутствуют), то модель называется детерминированной: y(t) = F_S(x,t).

 Для сложных информационных систем используются агрегативные модели, позволяющие описать широкий круг систем. При этом сложная система разделяется на конечное число частей (подсистем), сохраняя при этом связи, обеспечивающие взаимодействие частей.

По этому принципу построена классификация моделей систем. В настоящее время выделяют 5 классов моделей систем:

– непрерывно-детерминированные;

– дискретно–детерминированные;

– дискретно-стохастические;

– непрерывно-стохастические;

– комбинированные.