Концептуальное (инфологическое) проектирование (КП) системы – это конструирование информационных моделей предметной области(ОУ), котрые не зависят от условий программной и аппаратной реализации.

Здесь выполняется три функции:

1. определение типов сущностей предметной области

2. определение типов связей между сущностями

3. определение атрибутов и связывание их с типами сущностей и связей.

4. создание локальных концептуальных моделей данных в виде диаграмм “сущность - связь”.

5. обсуждение ЛКИМД с пользователями.

Рис. 3.1.3.1 Соответствие этапов проектирования и элементов архитектуры ANSI/SPARC.

Этап логического проектирования.

Логическое проектирование – это конструирование информационных моделей на базе существующих концептуальных модулей. Т.е. на этом этапе концептуальная модель данных преобразовывается в локальную логическую модель данных и далее в глобальную логическую модель данных(ГЛМД) с учетом типа используемой СУБД. Этот этап содержит 2 подэтапа:

На первом подэтапе выполняется:

1. преобразование локальной концептуальной модели данных (ЛКМД) в локальную логическую модель данных(ЛЛМД);

2. определение набора отношений(таблиц) исходя из структуры ЛЛМД;

3. проверка ЛЛМД с помощью правил нормализации;

4. проверка ЛЛМД в отношении транзакции пользователей;

5. создание окончательной диаграммы «сущность-связь» для каждой ЛЛМД;

6. определение требований к ЛЛМД с точки зрения обеспечения целостности данных;

7. обсуждение ЛЛМД с конечными пользователями.

На втором подэтапе выполняется:

1. слияние ЛЛМД в ГЛМД;

2. проверка и корректировка ГЛМД;

3. создание окончательного варианта диаграммы «сущность-связь», отображающей ГЛМД;

4. обсуждение ГЛМД с конечными пользователями.

Т.о. концептуальное и логическое проектирование позволяет решить следующие задачи:

1 - разбить весь проекта на группу относительно небольших простых задач исходя из структуры предметной области, т.е. создать ЛКМД

2 преобразовать ЛКМД в ЛЛМД

3 объединить ЛЛМД в ГЛМД

Этап физического проектирования

Этот этап состоит из 3-х подэтапов:

1. внедрение ГЛМД в среду конкретной СУБД:

Проектируются основные таблицы в среде СУБД

Реализация функций связанных с управлением ПО или т.н. бизнес-правил для ПО

2. создание проекта физического представления БД:

Выбор конкретной структуры хранения данных

Определение требований к внешней памяти

3. разработка средств защиты БД:

Разработка и учет пользовательских представлений о защите данных

Определение правил доступа для разных типов пользователей

На этом же этапе необходимо рассмотреть вопросы мониторинга и настройки всей системы.

Выбор СУБД.

Выбор СУБД необходим для обеспечения оптимального способа поддержки данной БД и всех приложений ИС. Целесообразно этот выбор осуществить между этапами концептуального и логического проектирования, т.к. это даёт возможность определиться в типе СУБД. Выбор СУБД является довольно трудоемкой задачей, т.к. различные СУБД существенно отличаются друг от друга по целой группе параметров.

Общий список параметров включает:

1. физические параметры:

предусмотрены ли файловые структуры в данной СУБД;

наличие средств индексирования;

наличие средств сжатия данных;

возможность шифрования данных;

требуемые объемы ОЗУ и ПЗУ для данной СУБД и т.д.

2. параметры определения данных:

тип базовой модели организации данных;

наличие поддержки в расширении первичных ключей;

наличие средств поддержки целостности данных;

предусмотренные типы данных;

3. общие параметры:

стоимость СУБД;

наличие поддержки работы СУБД в Internet;

производительность данной СУБД;

4. параметры, определяющие доступность в плане создания приложений:

возможности языка запросов;

наличие многопользовательского доступа;

возможность использования языков современного уровня;

5. группа параметров, описывающих средства технологии разработки ИС:

наличие инструментов для работы с оконным интерфейсом;

наличие case-инструментов;

Эти параметры обычно снабжаются теми или иными весовыми коэффициентами, которые определяют степень важности этого параметра для данного заказчика (предприятия). Это позволяет используя числовые данные по каждому параметру рассчитать для каждой СУБД общий(интегральный) показатель и, следовательно, более объективно оценить её. Заказчик и проектировщик ИС выбирают ту СУБД, для которой интересующий показатель – наибольший(наилучший).

Разработка приложений.

Цель разработки приложений заключается:

1. создание проекта транзакций

2. создание проекта интерфейса пользователя.

Проектирование транзакций.

Транзакций – одно действие или последовательность действий, выполняемых одним и тем же пользователем и/или одной прикладной программой(ПП), в результате чего появляется возможность обеспечить доступ к БД и/или изменить её содержимое (пример транзакций – регистрация клиента в БД какого-либо банка).

Обычно транзакция выполняется частично персоналом АИС, а частично ПП или самой СУБД.

Основные типы транзакций:

1. транзакции извлечения – действия, обозначающие выборку данных из базы

2. транзакции обновления – действия, в результате которых обеспечивается либо удаление определенных данных, либо их изменение, либо добавление некоторых данных.

3. смешанные транзакции

При проектировании транзакций необходимо определить и задокументировать характер(свойства) всех транзакций, которые будут реализовываться в АИС. В их числе:

1. исходные данные, которые использует транзакция;

2. выходные данные, формируемые транзакцией;

3. функциональные характеристики транзакций;

4. степень важности транзакции для пользователя;

5. предполагается интенсивность использования данной транзакции.

Главным направлением деятельности Компании «Метод» с момента ее основания и по настоящее время является разработка изобретающих компьютерных программ на основе методов концептуального проектирования технических систем.

Концептуальное проектирование - это отдельный вид проектной деятельности. Её результат - варианты концепций проектируемой технической системы (ТС) как в целом, так и ее отдельных частей.

Концепция ТС имеет различные формы представления, отличающиеся уровнем проработки (конкретности). Это:
Функциональная схема, в которой указан набор элементов ТС, выполняющих ту или иную техническую функцию, и способ их взаимодействия.

Принцип действия , определяющий взаимосвязь между физическими (химическими и т.п.) явлениями, протекающими в ТС на различных этапах ее жизненного цикла.

Принцип изменения , указывающий, как надо изменить материалы, конструкцию, режимы работы и взаимодействие устройства с окружающей средой, чтобы улучшить его характеристики.

Конструктивная схема , которая определяет состав ТС, взаимное расположение и взаимосвязь между ее элементами, особенности их конструктивного исполнения, используемые материалы, оптимальное соотношение параметров элементов и другие существенные признаки. Обычно, для краткости изложения, конструктивная схема ТС представляется в виде отличительной формулы . В ней перечисляются только те конструктивные признаки, которые отличают проектируемую ТС от ее прототипа.

Основной объем задач концептуального проектирования приходится решать на ранних стадиях разработки ТС: при разработке концепт - проекта и эскизном проектировании. Иными словами, тогда, когда определяется облик будущего изделия. Однако, и в дальнейшем, на этапах рабочего проектирования, испытаний, постановки на производство разработчики сталкиваются со сложными техническими проблемами. Их устранение так же требует методов концептуального проектирования.

Место и объем концептуального проектирования как отдельной поисковой процедуры поясняет следующая схема.

Концептуальное проектирование - это важнейшая составляющая процесса создания нового изделия. В конечном итоге, именно число проработанных концепций будущего изделия определяет его новизну и качество , а, следовательно, его конкурентоспособность и объем продаж .

Практическое применение методов концептуального проектирования показало, что они незаменимы при решении таких задач, как:

разработка новых устройств и технологий;
повышение качества и снижение издержек производства;
прогноз развития конкретной области техники;
получение приоритета в заданной области техники;
управление знаниями и интеллектуальной собственностью предприятия.

Изобретательство и концептуальное проектирование

Изобретательство и концептуальное проектирование являются родственными видами деятельности, отличающимися, в основном, своим целями.

Изобретательство - это индивидуальная инициативная деятельность. Цель изобретателя состоит в создании изобретения, т.е. технического решения, обладающего мировой новизной . Изобретательство, как вид человеческой деятельности, сродни искусству. Поэтому очень часто создание изобретения несет в себе элемент случайности . Многие замечательные изобретения появляются «ни тогда» и «ни там», как того требует реальное производство. Это одна из главных причин трудностей внедрения изобретения в практику.

Случайный характер изобретательства может задержать развитие техники не на годы, а на тысячелетия! Например, древним грекам были известны все элементарные технические устройства, которые использовал Эдисон в своем фонографе для записи и воспроизведении звука. Они знали о свойствах струн колебаться при дуновении ветра, о колебании мембран барабанов, применяли рычаг для увеличения силы и использовали дощечки, покрытые воском, для записи слов. Однако соединить все эти знания вместе в одном устройстве они не смогли. Кстати, изобретению фонографа Эдисон также обязан счастливому случаю.

В отличие от изобретательства, концептуальное проектирование - это плановая производственная деятельность . Её цель - решить техническую проблему, которая поставлена перед разработчиками, в заданный срок. При этом, обычно, не ставится задача найти принципиально новое техническое решение, т.е. изобретение.

Если техническое решение находится после установленного срока, то, как правило, реализовать его практически не удается. Использование такого решения в текущем проекте невозможно, т.к. упущено время. В следующем проекте аналогичного изделия этому решению также обычно не находится места, т.к. появляются новые требования и новые решения.

Цель концептуального проектирования - обеспечение планомерности решения технической проблемы - достигается за счет применения современных информационных технологий. В отличие от изобретательства, в котором преобладает творческое начало человека, концептуальное проектирование - это, в первую очередь, технология. Именно она позволяет гарантировать нужный результат в установленные сроки.

ТРИЗ и концептуальное проектирование

ТРИЗ - теория решения изобретательских задач - была разработана Альтшулером Г.С. и его учениками в СССР в период 50 - 80-х годов прошлого века. Эта методология успешно развивается и в настоящее время. Методы ТРИЗ используют как отдельные изобретатели, так и консультационные фирмы во многих странах мира.

ТРИЗ и концептуальное проектирование являются родственными методологиями. У них одна и та же цель - плановое, целенаправленное решение технических проблем, но различные методы.

Основной арсенал ТРИЗ - это эвристические методы , состоящие из специальных алгоритмов, инструкций, методических рекомендаций и т.п., которые ориентированы на использование их человеком. Методы ТРИЗ помогают изобретателю проанализировать техническую проблему, придумать решение и расширить область его применения.

Более широкое использование методов ТРИЗ в инженерной практике ограничено необходимостью предварительного обучения . Овладеть этими методами на должном уровне можно только после длительного обучения на специальных курсах у опытного преподавателя.

Соответствующей реакцией на проблему обучения стало создание компьютерных программ, реализующих методы ТРИЗ. Однако, это не позволяет полностью избежать предварительного обучения. В этих программах компьютер используется как вспомогательное средство. С его помощью изобретатель, в основном, регистрирует результаты решения технической проблемы, а также находит подходящие эвристические приемы и технические примеры. При работе с такими компьютерными программами весь объем творческих операций изобретатель должен выполнить сам.

В концептуальном проектировании для решения технических проблем используются формальные методы и большие базы знаний , которые могут быть реализованы только в виде компьютерных программ. Пользователю совсем необязательно знать, какие методы (алгоритмы) применяются в этих программах. Ему достаточно указать техническую проблему, нажать кнопку «Решить» и выбрать лучшее из найденных решений. Таким образом, методы концептуального проектирования позволяют любому инженеру целенаправленно решать технические проблемы без предварительной методической подготовки.

Несмотря на указанные различия, подходы ТРИЗ и концептуальное проектирование не исключают, а дополняют друг друга. Методы ТРИЗ незаменимы при поиске направлений решения технической проблемы. Они помогают инженеру перейти от сложной технической проблемы к типовым изобретательским задачам. После этого можно применить методы концептуального проектирования. Уже сейчас изобретающие программы на основе методов концептуального проектирования могут решать некоторые изобретательские задачи средней степени сложности. Это обеспечивают обширные базы конкретных инженерных знаний и сложные формальные алгоритмы, которые используются в этих программах.

Кроме того, как показывает наш опыт, наилучших результатов при работе с современными изобретающими программами добиваются инженеры, владеющие ТРИЗ.

К этому надо добавить, что полностью формализовать весь процесс решения технических проблем не удастся никогда. Очевидно, что со временем область применения изобретающих компьютерных программ будет расширяться, но они никогда полностью не заменят в этом деле человека. И вызвано это не тем, что еще не решены какие-то математические проблемы или не хватает быстродействия и памяти у существующих компьютеров. Проблема только в одном: компьютер не изобретает, потому что он этого не хочет!

Не много стоит построить небоскреб: знаний и умений - достаточно. Много стоит идея такого здания, которую можно реализовать в любых климатических условиях при возможных тектонических движениях земной коры: знаний и умений - будет явно недостаточно при этих (всего двух!), но кардинально существенных, условиях.

Сомнительно, что человек решится на концептуальное проектирование такой идеи. Есть уникальные технические решения, которые в разных странах мира разные специалисты реализовали в зданиях, мостах, телекоммуникационных сооружениях и других сложных конструкциях. Все это востребовано в конкретном месте для конкретной цели и рассчитано на конкретные условия применения.

Статика и динамика систем

Современное концептуальное проектирование - это статика. Условия применения результатов интеллектуальной деятельности человека - это всегда динамика. Сама человека - это непрерывное развитие (динамика).

Сегодня уровень науки, технологий и знаний слишком мал, чтобы создавать динамичные системы. Если человек проектирует самолет: это, как минимум, мотор и два крыла. Если создает престижный автомобиль, то у авто будет кожаный салон и четыре колеса. О подводных лодках, истребителях и космических кораблях вовсе можно не говорить: инерция и жесткая конструкция делают их уязвимыми для любого динамичного, не обязательно «интеллектуального», снаряда.

Каждая новая техническая система - лучше предыдущей. Она впитывает опыт создания предшественниц, нивелирует допущенные ранее ошибки и просчеты. Со статикой результатов интеллектуальной деятельности человека привыкли мириться: другого выхода нет. Допускать допущенные просчеты в концептуальном проектировании новых технических, социальных и иных систем уже не принято.

Любое проектирование - это спиралевидный динамический процесс, который адаптивно учитывает достигнутые ранее знания и умения, определяет изменения в области применения и ориентируется на обоснованные требования потребителя.

Сбор и анализ информации

Не только человек, но и любое живое существо наблюдает и собирает информацию. Сознательно или подсознательно - не суть важно. Только в результате анализа воспринятых данных и «понимания» их сквозь призму накопленного опыта (знаний и умений) происходит анализ ситуации и принятие решения.

Человек разработал множество методов и инструментальных средств для сбора и анализа информации, но выделять этот процесс как стадию, например, подготовка данных или предварительное проектирование, бессмысленно. Человек сознательно воспринимает информацию и принимает решения, обдумывая текущие цели и задачи. Человек подсознательно выполняет гораздо больше действий и, в конечном итоге, именно подсознание подталкивает сознание к формированию правильного поведения и исполнению конкретного действия.

Сбор и анализ информации - это начало социальной или технической системы. Это сама по себе концепция начала работ. Всегда первичная информация собирается и изучается в контексте поставленной цели и решаемых задач. Всегда вторичная информация отражает все те же поставленные цели и задачи. Каждый новый этап - это концептуальное проектирование на новом витке развития знаний о достигнутом и достигаемом: о цели и решаемых задачах.

Статика и жесткое конструирование

Человек не всегда придает объективное значение своей деятельности. Дело вовсе не в том, что он к этому не стремится, просто часто он ставит перед собой одни цели, но достигает другие. Концептуальное проектирование существовало всегда, но «сознательно» человек к этому отнесся только с появлением компьютерной техники и программирования.

Между тем, ассоциации: «концепция = информационная система» не существует. Во всяком случае: об этом свидетельствует современное положение вещей.

Простой пример. Система электронного документооборота организации. Сколько лет создавались такие системы? Сколько таких систем разработано? Сколько научных конференций - состоялось, копий - сломано, бумаги - исписано? По сей день ни один из результатов «концептуального проектирования» систем документооборота не состоялся как концептуально исполненный.

Жесткие конструкции синтаксиса и семантики языков программирования. Четкое понимание, что формализовать динамику области применения и решаемой задачи человек не в силах: знаний и умений явно недостаточно. Результат: всякая модель формализации области применения и требуемой задачи обращается в статическую конструкцию.

Современный мир виртуальных технологий мало чем отличается от пирамиды Хеопса. Изменить что-либо в созданной информационной системе крайне сложно. Любое изменение чревато существенными затратами стороннего труда (разработчика, программиста, автора): сама информационная система ничего «для себя сделать не может».

Объективные законы физического мира

Естественное концептуальное проектирование, как пример создания идеальной системы, существовало всегда. Есть разница между тем, что человек делает, и что он понимает. Пирамида Хеопса не одинока в своем исполнении. Почти километр «изящных» железобетонных конструкций: небоскреб Бурдж-Халифа в Дубай (ОАЭ) - не единственное высотное сооружение. Аналогичных примеров можно привести множество: естественное концептуальное проектирование свойственно человеку, и человек это демонстрирует параллельно в различных регионах планеты в различных сферах социальной, производственной и духовной практики.

Любая роспись иконы в храме, выполненная на сферической поверхности, но воспринимаемая объемно и, естественно, с любого места в этом храме, создана многократно различными специалистами в различные времена.

Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ), одно из заметных достижений прошлого века, была выполнена одним человеком, но привлекла внимание многочисленных специалистов, которые развили и использовали ее в реальной практике.

ТРИЗ - идеальный пример современного концептуального проектирования, начатый одним человеком и развитый множеством людей, но не достигший, объективно возможного, концептуального уровня развития.

ТРИЗ - заметное, но не монументальное достижение. Альтшуллер, Шапиро и тысячи их последователей внесли вклад в теорию, практику и изобретательское дело, но результат «ничтожен»: последователи и правообладатели, фантастические рассказы и статьи о сильном мышлении... в сравнении: Леонардо Да Винчи своими исследованиями полетов птиц и кардинально новой идеей: «не крыло должно махать, но аэроплан должен лететь» - прославился больше и украсил свои многочисленные концептуальные изобретения загадочной Джакондой.

Субъективные положения социального мира

ТРИЗ не строилась на фундаменте технического задания, а ее родоначальник Альтшуллер не руководствовался какими-либо методами выполнения работ. «Мастера» теории решения изобретательских задач и тысячи их учеников довольствовались малым:

все искусственные системы развиваются по определенным законам;
все системы развиваются, преодолевая противоречия;
для одинаковых противоречий, решения проблем могут сильно различаться.

С точки зрения общественного сознания, актуальности и полезности целевая установка ТРИЗ социально значима и имеет реальное практическое применение.

Автоматизировать процесс решения изобретательских задач, исключив из него «элементы случайности: внезапное и непредсказуемое озарение, слепой перебор и отбрасывание вариантов, зависимость от настроения и т. п» (цитата из "Википедии").

ТРИЗ существенно повлияла на общественное сознание и позволила многим тысячам специалистов решить реальные практические задачи. Было создано множество лабораторий изобретающих машин и спроектировано несколько десятков интеллектуальных систем.

Однако теория решения изобретательских задач по сей день ничем не отличается от курса средней или высшей школы, но гораздо слабее организована в методическом плане. Все три базовых постулата концепции ТРИЗ не имеют ровным счетом никакого значения. Ни об одной «изобретающей машине» общественное сознание до сих пор не имеет никакого представления, а идею искусственного интеллекта и возможность создания интеллектуальной системы уже давно не воспринимает всерьез.

Обозначить - не значит использовать: концептуально о базовых постулатах ТРИЗ

Постулат «1»: нет разницы между естественной и искусственной системой, потому. как и то, и другое развивается не по определенным, а по объективным законам. То, что человек не познал или не понимает объективности законов Природы, ровным счетом для этих законов ничего не значит.

Постулат «2»: все системы развиваются, но причем здесь противоречия. Есть задача, есть необходимость ее концептуального проектирования, и есть проблема образования (квалификации) специалистов, задействованных в ее решении.

Постулат «3»: даже на пустом месте, которое обнаружили два квалифицированных специалиста в поисках одного противоречия, они сформулируют два десятка кардинально различных варианта решения.

Так было, есть и будет, пока уровень знаний и умений будет основываться на субъективном мнении, а не на объективных законах Природы.

Цели и задачи проектирования - это всегда важно, но гораздо важнее их концепция. Во всякой области применения развивающаяся естественная система или создаваемая человеком искусственная система есть нечто, обозначаемое целью, и спектр составляющих этого нечто, обозначаемый задачами. Есть требования, которые формулирует потребитель (заказчик), автор идеи.

Концептуальное проектирование (КП) - это динамика развития цели и составляющих ее задач, как способ движения к пониманию сути вещей, явлений и процессов. Человек сначала понимает, что нужно сделать, затем что-то делает и, переосмысливая созданное, пересматривает цель и составляющие ее задачи.

Методы и средства проектирования

Интересная особенность поисковой выдачи по запросу: «методы и средства концептуального проектирования»: 97 % результатов связаны с информационными системами, программированием, базами данных и другими направлениями в области компьютерного дела и информационных технологий; остальные 3 % придутся на «более практичные» сферы социальных и производственных потребностей: авиационные двигатели, производственные процессы, социальные или природоохранные проекты и другое.

Странная особенность человеческого менталитета, когда он приобретает знания и приближается к пониманию объективных законов Природы: ставить свои достижения на первое место, пренебрегать достижениями других людей и считать только свой собственный опыт определяющим критерием познания окружающей среды и влияния на нее.

Концептуальное проектирование: примеры из области разработки программного обеспечения.

1) В настоящее время принято выделять следующие методологии разработки ПО:

Структурный подход, в основу которого положен принцип алгоритмической де-композиции.
Объектно-ориентированный подход, который использует объектную декомпозицию.

2) Основными этапами КП являются:

Предварительное проектирование.
Эскизное (рабочее или техно-рабочее) проектирование.
Изготовление, испытания и доводка опытного образца системы.

3) Есть два подхода к КП:

Первый подход включает формулирование, определение и интеграцию объектов высокого уровня, используемых для построения модели. Основное внимание при этом уделяется интеграции понятий (концепции), представляющих объекты.
Второй подход - моделирование сущностей. Моделирование и интеграция представлений пользователей в терминах диаграмм сущностей.

Другие определения методов, инструментальных средств, трактовки целей и задач в современном общественном сознании отражены в аналогичном стиле.

Объективный подход к проектированию

Трудно согласиться с авторами разнообразных концептуальных теорий, методик и средств выполнения концептуального проектирования. Во-первых, компьютерное дело - не самое главное в социальной и производственной сфере, хотя имеет огромное значение. Во-вторых, идея формализации - это гарантия статики и жестких конструкций при решении абсолютно любой задачи. В-третьих, при всем надлежащем и уважительном отношении к знаниям и умением признанных авторитетов и специалистов приоритет имеют не их знания и умения, а объективные законы природы.

Наука и практика обязаны теории решения изобретательских задач. Это было на самом деле великое дело: систематизировать физические, химические, социальные и другие достижения, практические решения, изобретения, технологические процессы. Задача сформулировать системы физических эффектов или определить объективные закономерности - воистину актуальна, была всегда, и в современном мире ее актуальность стремительно растет.

Объективный подход в проектировании: ничего жесткого и формального, все процессы и понятия развиваются, непрерывно пересматриваются анализируются и совершенствуются. Говорить о концептуальном проектировании в формальном ключе нельзя. Фиксировать смысл в терминах реляционных или иерархических отношений между предметами или явлениями, значит фиксировать конечный результат.

Суть не в том, что такое цель, задача, средство или метод. В концептуальном контексте важен смысл, а не его формальное обозначение.

Человек и пчела

Менталитет венца Природы - человека по сей день не позволяет ему наделить иное живое существо интеллектом. Человек до сих пор не понимает, что его ровным счетом ничего не значит для объективных законов Природы.

Человек может считать, что действует сознательно и не понимать, что его мозг непрерывно делает что-то бессознательно, чтобы уже через три года ребенок после рождения начал, к примеру, выражать свои потребности словами, а к пяти годам строить пирамиды из кубиков, а к десяти годам мечтать о полетах на Луну или статусе известного композитора.

Концептуальное проектирование своего поведения пчела делает на автомате. Результат - есть польза пчелиной семье, окружающей среде и человеку. Пусть человек считает, что интеллектом пчела не обладает. Это ровным счетом ничего не значит.

Концептуальное проектирование своего поведения делает каждый человек лучше, чем пчела: у него гораздо больше функциональных и интеллектуальных возможностей. Не обязательно быть великим архитектором, конструктором истребителей пятого поколения. Достаточно быть простым преподавателем средней школы и без знания ТРИЗ, на одном дыхании создать концепцию подготовки детей к сложной и интересной жизни в обществе. На благо себе и людям.

Аннотация

ПРОБЛЕМАТИКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Бутенко Л.Н.

Статья посвящена проблемам концептуального проектирования технических систем. Показана актуальность междисциплинарной интеграции методов, применяемых для получения новых технических решений.

Problems of Conceptual design

The aim of this article is demonstration of problems and methods of conceptual design theory. Discussing intellectual problems in development theory achievements aspect. Shows the intersubject research for successful solving of this problems. This production can to change a scientific paradigm.

In this article we present this studies, procedures, metarules, which can management of relationship designing and some semantic describes of this aspect.

ПРОБЛЕМАТИКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Бутенко Л.Н.

Волгоградский государственный технический университет
400131, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28, [email protected]

«Того, кто не задумывается о далёких трудностях,
непременно поджидают близкие неприятности»
Конфуций

«-Голова – она может всё». Граф Калиостро
Григорий Горин «Формула Любви»

В настоящее время высокую актуальность приобрели исследования в области концептуального проектирования ввиду того, что применение традиционных детерминированных методов описания, контроля и управления выявило их большую ограниченность, а порой и невозможность построения моделей проектируемых систем.

Современное состояние исследований в методологических дисциплинах (исследование операций, системотехника, системный анализ) а также теории принятия решений, многоуровневых иерархических систем, автоматического управления, катастроф таково, что не позволяет исследовать сложные, плохо структуризованные, динамичные предметные области.

Математическое моделирование в настоящее время ориентировано на параметрический синтез.

Лучшие из методов автоматизации программирования (логическое, структурное и объектно-ориентированное программирование CASE-технологии) не имеют в своем составе развитых познавательных средств. Мощные средства автоматизации проектно-конструкторских работ (например, AutoCAD) не имеют средств для представления сложных развивающихся объектов.

Методы и средства искусственного интеллекта (ситуационное управление, экспертные системы, инженерия знаний, базы знаний) не имеют средств для углубления понимания предметных областей, они лишь мобилизуют имеющиеся знания.

Методы проектирования организаций (проблемно-ориентированный подход, функциональный подход, системное проектирование и другие) не имеют средств для восстановления целостности интересов организаций и областей их деятельности.

Мощные познавательные методы, развитые в рамках философской диалектики, теории познания, в логике и методологии науки, в теории мышления, структурализма пока еще не стали средствами прикладной, инженерной работы.

Теория систем в своем развитии находится в методологическом тупике и не выработала методов постулирования сложных классов систем.

Синергетика имеет предметом физические или физикалистские процессы.

Математический аппарат (теория множеств, теория категорий и функторов, теория структур, теория топосов) широко применяется в теории систем и в ряде прикладных задач (проектирование баз данных), но до сих пор не был способен обеспечить исследование сложных предметных областей и проектирование сложных объектов.

Концептуальное проектирование системы – это стадия, на которой принимаются определяющие ее последующий облик решения на различных системных уровнях, проводится исследование созданных решений и их предварительное согласование.

Приведем ряд базовых определений:

Концепт (лат. conceptus - понятие) – понятие;

Термин «концептуальный» обозначает характер процесса (описания, представления и т.д.) или объекта (модели, структуры, результата и т.д.), отличающийся тем, что качественная определенность объектов представляется в форме понятий ; Концептуально мыслить - это базовая способность человеческого мышления с большими скоростями «свертывать» и обобщать информацию любого рода. Свертка информации может находить отображение в понятиях, числе, временной или пространственной структуре.

Рассмотрим массив интеллектуальных задач и способы их решения с точки зрения системного подхода к концептуальному проектированию систем любого класса.

Наиболее современное определение системы приведено в

Система = (элементы, отношения, внешняя среда, наблюдатель, язык)

Рассмотрим проблемы концептуального проектирования с точки зрений современного представления того, что называется системой. Первое, что бросается в глаза, то, что это определение статично, в нем отсутствуют правила построения систем. Только в последнее время в определении появляться новые объекты, которые влияют на эффективность процесса концептуального проектирования систем, например, Наблюдатель (проектировщик), Язык (язык проектирования). Формулировка первой проблемы заключается в том, что для обеспечения свойств системы должны быть созданы массивы правил их обеспечения. Приведем перечень инвариантных свойств системы, которые образуют кортеж :

S = (a,b,c,d,f, … , ),

где:a–первичность целого (системы); b–неаддитивность системы;c–размерность системы;d–сложность структуры системы;e–жесткость системы;f–вертикальная целостность системы;g – горизонтальная обособленность системы;h – иерархичность системы;i–множественность (разная глубина) описания системы;j–взаимозависимость системы и внешней среды;k–степень самостоятельности системы;l–открытость системы;m–совместимость системы;n–целенаправленность системы;o–наследственность системы;p–приоритет качества;q–приоритет интересов системы более высокого уровня;r–надёжность системы;s–оптимальность системы;t–неопределенность информационного обеспечения системы;u–эмерджентность системы;v–мультипликативность системы;w–непрерывность функционирования и развития системы;x–альтернативность путей функционирования и развития системы; y–синергичность системы;z–инерционность системы;–адаптивность системы;–организованность системы;–уровень стандартизации системы;–инновационный характер развития системы.

Для того, чтобы система была целостным объектом необходимо определить характер и последовательность интеллектуальных процедур, обеспечивающих проявление всех вышеназванных свойств.

Отметим, что свойства любой системы только в частном случае могут быть определены функцией структуры этой системы, более приемлемым, по нашему мнению, является зависимость «свойства–организация» системы. Под организацией будем понимать множество элементов и отношений, а также взаимодействие между элементами. В этом случае, концептуальное проектирование систем должно подчиняться закономерностям организации систем, как с точки зрения строения, так и функционирования. Здесь обнаруживается необходимость существования и, соответственно, проектирования такой надсистемы, которая осуществляет целепорождение и координацию всех проявлений свойств системы. Такая надсистема принципиально отлична от внешней среды.

Интеллектуальной проблемой является также создание «границ» системы с внешней средой, где главным является сохранение целостности и обеспечение устойчивости.

Влияние наблюдателя на процесс концептуального проектирования может быть определено через взаимодействие субъекта и объекта. В данном случае необходимо решить задачу о возникновении, формировании, развитии и воплощении идеи проектируемой системы. Приведем самые распространенные определения идеи:

Идея – форма постижения в мысли явлений объективной реальности ;

Идея – это терм, окруженный релевантным знанием ;

Идея – это зафиксированное в каком-либо коде представление об устройствах объекта, о сути процесса, о причинах и следствиях явлений .

Полная цепь развертывания идеи об объекте как о системе обозначена в : Наблюдатель порождает интенции, т.е. исходные намерения в границах аспекта. Следующий шаг проявления идеи – результат развития намерения в конкретной среде. Здесь знание становиться можно уже «рассматривать», это выражение сущности явления. Далее – этап проявления сущности. Это этап системообразования, здесь сущность как нечто целое обнаруживает различие своих частей. и, «наконец», этап восхождения к классам систем при помощи новых аксиом. Как следует из описания, вопрос о том, как появляется идея, является очень сложным, а процедуры ее усложнения, происходящие в Наблюдателе описаны в психологии недостаточно четко. В психолингвистике было уточнено понятие концепта и оказалось, что концепт не равнозначен термину понятия . Концепт существует в ментальном мире человека не в виде четких понятий, а как «пучок» представлений, понятий, знаний, ассоциаций, переживаний, который сопровождает слово. Концепты не только мыслятся, они «переживаются», они предмет эмоций, симпатий и антипатий,а иногда и столкновений. Концепт трактуют как некоторую базовую когнитивную сущность, позволяющую связывать смысл с употребляемым словом, как содержательную единицу процесса концептуализации, посредством которого действительность преломляется в голове человека.

Таким образом, мы выходим на проблему получения выводного знания. Человек может проявлять новое знание «методом открытия» и «методом постулирования». Отметим, что в данном контексте возникают проблемы учета изменения информации в процессе выводного знания (т.е. вывод является немонотонным), а также проблемы горизонтального и вертикального синтеза, средоточием которых является проблема совместимости между элементами и между системными уровнями проектирования.

Для концептуального проектирования особое значение имеет получение именно новых решений. Укажем на взаимосвязь этой проблемы с проблемой системогенеза, а также с проблемой получения выводного знания.

Отметим также, что особой актуальностью обладает концептуальное проектирование систем в аспекте обеспечения их инновационного развития. Это непосредственно связано с качественными переходами между системами, требующими изменения организации этих систем. Эту новую область исследований, по нашему мнению следует назвать гетеродинамикой. На рис.1 показаны возможные направления дальнейших междисциплинарных исследований. Подчеркивая прагматическую направленность, мы хотели бы указать на тесную взаимосвязь с задачами стратегического планирования, стратегического менеджмента, стратегического маркетинга для самых разных предметных областей.

Библиографический список:

1. Никаноров С. П. Метод концептуального проектирования систем организационного управления и его применение. Электронный научно-информационный журнал «СИСТЕМНОЕ УПРАВЛЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ» http://www.situation.ru/app/j_art_960.htm

2. Теслинов А.Г. Развитие систем управления: методология и концептуальные структуры. М.: «Глобус», 1998. 229с.

3. Волкова В.Н., Денисов А.А.Основы теории систем и системного анализа

4. Стратегический маркетинг: Р.А.Фатхутдинов. – СПб.: Питер, 2003.

5. Философский энциклопедический словарь. М: Советская Энциклопедия. 1983

6. Финн В.К.Философские проблемы логики интеллектуальных систем. Журнал Российской Ассоциации искусственного интеллекта. «Новости искусственного интеллекта» № 1. Москва 1999. с. 36.

7. Птушенко А. «Техника Молодёжи» № 3, 2003, стр 24.

8. Залевская А.А. Введение в психолингвистику. Российск.гос.гуманит.ун-т. М., 2000, 382 с.

9. Александров Е.А.Основы теории эвристических решений. М. Советское радио, 1975, 254 с.

10. Бутенко Дм.В. Взаимосвязь стратегического планирования и концептуального проектирования. // XXX Юбилейная Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+SE`2003 Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2003г., с. 107

Задачей концептуального проектирования является определение информационных потребностей "предприятия", тех процессов и данных, которые необходимы для обеспечения этих потребностей. Процесс концептуального проектирования начинается с изучения деятельности "предприятия", т.е. с анализа предметной области . Вначале определяются цели и задачи предприятия, анализируются процессы (планирование, управление, контроль), обеспечивающие достижение этих целей и выполнение поставленных задач. Затем осуществляется разбиение процессов на процессы более низкого уровня до тех пор, пока в результате декомпозиции не будет достигнут уровень приложений, выполнение которых возможно без дальнейшего разбиения. Далее определяются информационные потребности каждого приложения, определяются требования к данным, которые, в сущности, определяют локальные представления, о которых речь шла выше. Дальнейший процесс объединения этих локальных представлений, устранение возникающих противоречий, имеет своей целью создание единого цельного представления БД, называемого как уже упоминалось выше концептуальным представлением. К сожалению, следует констатировать, что проектирование БД все еще является весьма субъективным занятием, поскольку не существует действительно строгих методов решения этой задачи.

Концептуальная схема описывает общее представление в терминах некоторой абстрактной модели данных .

2.Модель данных

Любая модель данных содержит три компоненты:

Описание структуры данных , т.е. описание объектов, на которых строится БД.

Ограничения целостности , т.е. набор правил, которые ограничивают множество экземпляров этих объектов, допустимых в БД.

Набор допустимых операций , т.е. набор операторов, которые применяются для обработки экземпляров объектов.

Модель данных предполагает, как минимум, наличие языка определения данных (ЯОД) для описания структуры и языка манипулирования данными (ЯМД), включающего операции извлечения и модификации данных, а также наличие механизма поддержания соответствия данных предметной области на основе формально описанных правил.

Популярный подход к моделированию данных был предложен Питером Ченом в работе «Модель сущность-связь – к унифицированному виду данных». Этот подход основан на модели «сущность-связь» или ER-модели, обсуждению которой посвящена настоящая лекция.

ER-модель основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена длялогического представления данных.

3.Модель «сущность-связь». Семантические концепции

Укажем семантические концепции (конструктивные элементы), используемые в этой модели.

Сущности (мы будем пользоваться более привычным термином – Объекты ) подразделяются на правильные(сильные) и слабые . Слабым называется объект, который находится в зависимости от некоторого другого объекта, т.е. он не может существовать, если не существует этот другой объект .Правильным объектом называется объект, который не является слабым. Например, в базе данных фирмы, в которой хранятся данные о предпочтениях клиентов, объект «Предпочтения» является слабым, т.к. экземпляра этого объекта, соответствующего конкретному клиенту, не может быть в базе данных, если не существует соответствующий экземпляр объекта «Клиент». В частности, если данный экземпляр объекта «Клиент» будет удален, то так же должны быть удалены все зависящие от него экземпляры объекта «Предпочтения».

Возможны случаи, когда некоторый объект А является специальным видом другого объекта В . Тогда говорят, что А является подтипом В (или " А есть В ") или В является обобщением А . Например, в базе данных "Авиалинии" имеется объект "Служащие". Для указания того, кто из служащих является пилотом, можно в БД определить объект "Пилот" как подтип объекта "Служащий". Пилоты автоматически обладают всеми свойствами сотрудников, однако обратное утверждение неверно (например, для пилотов может быть дополнительно определено свойство "Тип самолета, которым пилот владеет в наибольшей мере" неприменимое ковсем сотрудникам). Аналогично, пилоты автоматически участвуют во всех связях (см. ниже), в которых участвуют сотрудники. О таких свойствах и связях говорят, что онинаследуются подтипом от супертипа.

Подтип в свою очередь может являться супертипом для объектов-подтипов следующего уровня, те в свою очередь для следующего и т.д., образуя, таким образом, иерархию типов для данного объекта. Пример такой иерархии представлен на рис. 1.

Рис. 1. Пример иерархии объектов

Иерархию типов не следует путать с иерархией данных. На рис.1 вовсе не подразумевается, что один сотрудник может иметь в подчинении нескольких программистов, наоборот, для одного экземпляра объекта "Служащий" существует максимум один экземпляр объекта "Программист", представляющий того же самого сотрудника в роли программиста.

Атрибуты и их классификация.

Напомним, что атрибут – это свойство объекта или связи, которое характеризуется именем и множеством допустимых значений.

Атрибуты подразделяются на простые и составные. Простой атрибут не может быть разделен на более мелкие независимые элементы (в рамках используемой модели данных). Составной атрибут состоит из нескольких независимо существующих элементов (например, составное свойство «имя сотрудника» может складываться из простых свойств «имя», «отчество» и «фамилия»).

Атрибуты также подразделяются на – однозначные и многозначные . Однозначный атрибут содержит только одно значение для каждого экземпляра объекта определенного типа. Многозначный атрибут может содержать несколько значений для каждого экземпляра объекта определенного типа . Например, название отделения или филиала компании -однозначныйатрибут, а номер телефона отделения – вообще говоря, многозначный (оно может иметь несколько номеров).

Еще одно разделение атрибутов – на базовые и производные. Базовый атрибут – это такой, значение которого не зависит от значений других атрибутов данного объекта или других. Производный атрибут - это такой, значение которого зависит от значений некоторого множества других атрибутов

Атрибут является ключевым , уникальным, если он однозначно идентифицирует каждый экземпляр объекта из данного набора .

Связи и их характеристики

Связи устанавливаются между объектами, называемыми участниками , а количество участников данной связи называется степенью этой связи. Связь может быть полной или частичной . Пусть R является связью, которая содержит объект Е в качестве участника. Тогда, если каждый экземпляр объекта Е находится, по крайней мере, в одном экземпляре связи R , то участие Е в связи R называется полным, в противном случае – частичным. Например, если каждый товар должен поставляться, по крайней мере, одним поставщиком, то участие товаров в связи между товарами и поставщиками является полным. Но если допустима такая ситуация, когда некоторый товар не поставляется ни одним поставщиком, то участие товаров в связи является частичным.

Обсудим несколько важных общих характеристик связей:

Связь может быть определена на более чем двух объектах. Например, связь объектов "Отделение"-"Специализация"-"Предмет"-"Вид испытания" определяет перечень испытаний (экзаменов, зачетов, курсовых и пр.), которые необходимо выдержать студенту, обучающемуся по некоторой специализации на конкретном (например, "дневном") отделении. Эта связь определяется, в частности, на четырех сущностях.

Может существовать несколько связей, определенных на одних и тех же множествах объектов . Например, связи "Работает над" и "Руководит" определяются на совпадающих множествах объектов {"Проект", "Служащий"}.

Связь может устанавливаться между разными экземплярами одного объекта. Такая связь называется рекурсивной.

Связь может определять зависимость существования (existence dependency) одного объекта от другого . Например, связь "Подчиняется" показывает, что существование экземпляра объекта в наборе "Подчиненный" зависит от присутствия экземпляра некоторого объекта в наборе объектов "Служащий".