|
Аннотация
В работе сформулированы принципы теории эволюционного моделирования, предназначенной для построения моделей широкого класса сложных, открытых, динамических, слабо детерминированных систем. Теория совершенствует концепции моделирования, разработанные в общей теории систем, в объектно-ориентированном проектировании и в универсальном языке моделирования (UML). Проведен критический анализ подхода UML. Описаны основные понятия и методы новой теории эволюционного моделирования. В отличие от UML, где нет единой модели системы, новая теория эволюционного моделирования строит единую виртуальную модель. Моделирование в предлагаемой теории осуществляется на основе фиксированного набора базовых классов, замены итерационного проектирования модели на эволюционный и усовершенствованного диаграммного представления. Моделью является гиперграф классов. Приведена его структура и принципы проектирования.
Теория эволюционного моделирования позволяет решать сложные задачи, возникающие при описании поведения, планировании и организации (самоорганизации) экономической, политической, административной деятельности предприятий, корпораций и других социальных систем, в том числе государства, а также других задач: Интернета, жизнедеятельности биологических организмов, климатических систем…
Теория эволюционного моделирования формирует новые принципы дальнейшего развития вычислительных средств и средств разработки программного обеспечения, в том числе систем управления базами данных.
Изложенные идеи и принципы теории эволюционного моделирования были эффективно использованы в Компании «Цефей» при разработке Эталон-CASE-технологий для эволюционного проектирования моделей сложных, открытых, динамических слабо детерминированных систем и Корпоративных Систем Управления «Эталон». Реализованные проекты, использующие Эталон-решения, работают в крупнейших корпоративных структурах и органах государственного управления.
Содержание
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3. ЭВОЛЮЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ – ПРИОРИТЕТ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
4. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ UML
4.1. Краткое описание UML
4.2. Диаграммы UML
4.3. Проблемы UML
5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ЭВОЛЮЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
5.1. Предмет, процессы
5.2. Система, управление
5.3. Модель, эволюционное моделирование
5.4. Единое информационное и функциональное пространство - репозиторий модели
6. МОДЕЛЬ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ – ГИПЕРГРАФ КЛАССОВ
6.1. Классы гиперграфа
6.2. Отношения классов в гиперграфе
7. ЭВОЛЮЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
7.1. Архитектура эволюционной модели - гиперграфа классов
7.1.1. Фундаментальный уровень
7.1.2. Информационно-технологический уровень
7.1.3. Системно-ориентированный уровень
7.1.4. Предметно-ориентированный уровень
7.2. Пример проектирования классов предметно-ориентированного уровня эволюционной модели
8. ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЭВОЛЮЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
10. ЛИТЕРАТУРА
Автор благодарен
С.А. Хохлову, всегда верившему в этот проект, за безусловную постоянную поддержку.
И.В. Воловичу, Н.Е. Яковлеву, за многочисленные плодотворные обсуждения и помощь в работе.
Всем, кто поддерживает данный проект, невзирая на зачастую неблагоприятные обстоятельства и активные противодействия.
I want it all,
I want it now.
Queen
1. Введение
Общая теория систем (Л.Берталанфи) и кибернетика (Н.Винер) изучают, соответственно, структуру и функционирование систем с точки зрения теории управления и теории информации, отвлекаясь от их материальных и пространственных характеристик.
Важными принципами в общей теории систем являются редукционизм (сведение системы к ее составным частям), холизм (рассмотрение системы как целого) и иерархия системы и ее подсистем. Теория систем основана на предположении, что существуют универсальные принципы организации, справедливые для всех систем, включая физические, химические, биологические, ментальные или социальные системы. Механистический подход приходит к универсальности, редуцируя свойства систем к их материальным составляющим. Системный подход, напротив, приходит к универсальности, игнорируя конкретный материал, из которого сделана система, и концентрируя внимание на ее абстрактной организации.
Объектно-ориентированное программирование/проектирование позволяет применять индустриальные, технологические методы коллективной работы при разработке сложных проектов и систем программного обеспечения на основе понятий класса, объекта и принципов наследования, инкапсуляции, полиморфизма.
Моделирование используется для решения задач исследования, анализа, планирования, управления в самых разнообразных областях деятельности. В последние десятилетия моделирование стало важной составной частью проектирования программного обеспечения, основанного на CASE-технологиях (Computer Aided Software Engineering) [12; 16]. Хорошо известны структурный и объектно-ориентированный подходы к моделированию, в которых используется нотация диаграмм потоков данных и «сущность-связь» для первого подхода и диаграмм вариантов использования, классов и др. для второго подхода [16]. Активно продвигаются такие средства моделирования, как Silverrun, BPwin, ERwin, Oracle Designer, Rational Rose, Microsoft.NET, Paradigm Plus, G2, ReThink и др. и такие технологии, как DataRun, RUP, AgentBuilder и т.д.
Множество противоречивых определений, суждений, понятий, энергичный поиск принципов структуризации окружающего мира, сотни тысяч созданных разрозненных программных продуктов, реализующих идентичные задачи, говорят о кризисе, который переживают современные теории систем управления и моделирования.
Особенно отчетливо приметы такого кризиса отразились в области проектирования и использования бизнес-систем управления финансово-экономической деятельностью в условиях глобализации.
Эпоха структурного подхода и модульной реализации программных продуктов таких компаний, как SAP (R/3), Oracle (Oracle Applications), Microsoft (MS Business Solution: Axapta, Navision) и др. безвозвратно проходит.
Реанимация этих концептуально и архитектурно устаревших решений не носит характер принципиального технологического совершенствования, разве что в части хранения, доступа и обработки данных с использованием интернет-технологий.
В настоящее время подобные решения удерживают позиции в основном за счет:
во-первых, экономико-финансовых рычагов дружественных и недружественных слияний и поглощений, политического протекционизма - захват рынков,
во-вторых, поддержки “независимых” консультантов, которые либо предлагают жесткий ограниченный список фаворитов, либо собирают комплексные системы из тех или иных “лучших” программных модулей различных производителей и обсуждают бесперспективную концепцию интерфейсов и платформ обмена данными - диктаторский маркетинг и агрессивный PR,
и, наконец, за счет того, что закостенелые гиганты осознанно окружили себя бесконечным множеством небольших появляющихся и исчезающих внедренческих фирм, которые, многократно повторяясь, пишут рядом с упомянутыми “базовыми” программными продуктами свои собственные отдельные программы – интерпретации реальных задач конечного пользователя – технологический империализм и политико-экономическое распределение прав и ответственности.
Однако этот далеко не полный список глобальной монополизации управления потребностями в информационно-технологическом секторе бизнес-систем не в состоянии скрыть растущие проблемы не только эффективного управления экономикой, но и адекватности отражения ее состояния.
Провозглашенная финансово-экономическая прозрачность и эффективность на деле оборачивается неожиданными и непредсказуемыми для большинства участников и наблюдателей кризисами и банкротствами, ряд причин которых лежит как в принципах моделирования предметной области – экономики, так и в ограниченности технологических инструментов их воплощения.
В настоящей работе приводятся основные понятия и методы новой теории эволюционного моделирования. В отличие от UML, где нет единой модели системы, новая теория эволюционного моделирования строит единую модель.
Моделирование в предлагаемой теории осуществляется на основе фиксированного набора базовых классов, замены итерационного проектирования на эволюционное и усовершенствованного диаграммного представления.
Базовый набор классов был открыт при разработке бизнес-систем управления деятельностью предприятий и крупнейших холдингов, но на самом деле он имеет универсальное значение и применим для описания гораздо более широкого круга систем.
Теория эволюционного моделирования позволяет решать сложные задачи, возникающие при описании поведения, планировании и организации (самоорганизации) экономической, политической, административной деятельности предприятий, корпораций и других социальных систем, в том числе государства, а также других задач: Интернета, жизнедеятельности биологических организмов, климатических систем…
2. Общие положения
В настоящей работе формулируются принципы новой теории эволюционного моделирования (ТЭМ), предназначенной для построения моделей широкого класса систем со следующими основными характеристиками:
Существуют традиционные подходы к моделированию сложных систем, которые реализуют последовательную технологию многоуровневой декомпозиции, усреднения и упрощения, выделения ряда существенных (ключевых, с наибольшим весом…) характеристик, выявления основных законов и зависимостей. На их основе и строятся модели для управления, мониторинга, прогнозирования.
Однако такой подход эффективен только для описания поведения формализованных, жестких, динамически неизменяемых, механистических систем в ограниченном пространстве в ограниченные периоды времени между точками бифуркации. При усложнении систем, их динамическом изменении, увеличении частоты бифуркаций теряется адекватность поведения модели.
Именно попытки создания адекватных моделей социально-экономических систем проявили и обострили проблемы высочайшего динамизма изменений структуры, состава, поведения, состояний их элементов.
Особенности заключаются еще и в том, что наряду с высокой степенью непознанности законов этой предметной области, формализованные открытые законы проявляют новые иные свойства, к тому же в системы постоянно вносятся новые, в разной степени исполняемые законы, декларируемые произвольными группами социума.
Короткое время «постоянства» в жизни модели и необходимость воплощения ее в едином пространстве воздействий, взаимодействий и восприятий заставляют по-иному рассматривать технологию и архитектуру проектирования модели.
Изменения в жизни структуры и элементов модели, их описание и эволюция явились метаданными для изучения и формализации.
В отличие от традиционных подходов в теории эволюционного моделирования предметной области ставится в соответствии единое описание элементов и их взаимодействий. Это описание поддерживает и отражает историю эволюционных изменений в структуре, составе, алгоритмах поведения, формах представления, состояниях моделируемой предметной области. Изменения модели могут быть продиктованы углублением знаний о предметной области.
Моделью предметной области в теории эволюционного моделирования является единый гиперграф классов. В настоящей работе описана его архитектура и алгоритм построения.
Основными целями использования единой эволюционной модели в ТЭМ являются:
Теория эволюционного моделирования формирует новые принципы дальнейшего развития вычислительных средств и средств разработки программного обеспечения, в том числе систем управления базами данных.
Теория совершенствует концепции моделирования, разработанные в общей теории систем, в объектно-ориентированном проектировании и при построении универсального языка моделирования UML [10; 14; 19] (в работе приведен критический анализ основных концепций UML).
Теория эволюционного моделирования качественно изменяет существующие подходы к созданию и использованию автоматизированных систем управления, когда:
Хотя чаще используется сложный паллиатив этих подходов.
Использование ТЭМ для реализации, например, бизнес-приложений и ERP (Enterprise Resource Planning)-систем создает новые технологии эволюционного проектирования единой виртуальной модели управления отдельными предприятиями, транснациональными компаниями, отраслями, регионами, государствами и другими социально-экономическими объединениями.
Единая виртуальная модель управления позволяет увидеть всю архитектуру управления, рассмотреть различные варианты и обоснованность реструктуризации, создать технологию осознанного реинжиниринга, гармонизировать методы централизации и децентрализации управления, минимизировать потоки данных, оптимизировать организационные структуры, повысить эффективность управления ресурсами, сбалансировать цели и методы управления и т.п.
Идеи и принципы ТЭМ были эффективно использованы в Компании «Цефей» при разработке Эталон-CASE-технологий для эволюционного проектирования моделей сложных, открытых, динамических, слабо детерминированных систем и Корпоративных Систем Управления «Эталон».
Для анализа справедливости положений теории эволюционного моделирования и с целью ее дальнейшего совершенствования на Эталон-CASE-технологии была спроектирована Эталон-ERP-система с возможностью создания библиотеки реальных используемых моделей управления в различных предметных задачах, отраслях, странах и т.п.
Сформированная библиотека моделей-гиперграфов служит для формализованного хранения знаний, обобщения эволюционно накапливаемого опыта, многостороннего анализа, оптимизации, дальнейшего использования прототипов, обучения, исследования…
Реализованные проекты, использующие Эталон-решения, работают в крупнейших корпоративных структурах и органах государственного управления.
Эталон-решения на основе теории эволюционного моделирования реализуют полный технологический цикл создания модели предметной области и получения программных приложений конечного пользователя:
Одним из основных показателей качественно высокой эффективности применения эволюционного моделирования является соотношение функциональности модели, сроков и стоимости ее создания и развития.
Например:
Модель-гиперграф управления бизнесом, предположим, транснациональной компании с диверсифицированными видами деятельности насчитывает сотни тысяч элементов: десятки тысяч атрибутов, тысячи таблиц, десятки тысяч форм ввода, отчетов, документов, тысячи методов и процедур обработки данных.
Она хранит и обрабатывает информацию об экземплярах предметной области в объеме миллионов записей.
При использовании Эталон-CASE-технологиии, реализующей принципы теории эволюционного моделирования, единая модель-гиперграф проектируется в сетевом режиме группой 3–10 человек – системных аналитиков – за 2-3 недели, в отличие от аналогов, проектируемых годами тысячами разработчиков.
При этом программный код един для различных моделей и составляет около 100 Мб, в то время как программный код аналогов, реализующих обработку подобных информационно-функциональных задач, составляет около n * 100 Гб, где n – число компаний, предлагающих ERP-системы.
Но главным является то, что полученные Эталон-модели имеют концептуально новую архитектуру, принципиально по-иному отражают жизнь самой модели, ее эволюцию во времени и пространстве. Они создают единую модель состояний, воздействий, взаимодействий и восприятий.
Применение теории эволюционного моделирования позволило выявить проблемы в современных подходах экономических наук и концептуальное несовершенство существующих международных стандартов финансовой отчетности IAS и GAAP. Исследование моделей и результатов их использования явно выявили дисбалансы управления:
3.Эволюционное моделирование – приоритет развития информационных технологий
В современном мире труд самого многочисленного слоя населения большинства развитых стран – «пролетариата» – связан не с реальными производственными процессами, механизмами, инструментами, материалами и т.п., а с информацией о течении производственных процессов, о действиях механизмов…
Труд подавляющего большинства профессий также невозможен без использования современных информационных технологий.
Рассмотрим, например, предметную область, которая на сегодняшний день занимает более 60% рынка прикладных программных продуктов: бизнес-системы управления финансово-экономической деятельностью различных предприятий и корпоративных структур.
Применение передовых высоких технологий обеспечивает существенное снижение себестоимости основного производства различных товаров и услуг. Разрабатываются многочисленные параметризованные алгоритмические модели управления производственными процессами, позволяющие оптимизировать производственные программы и необходимые для их реализации производственные ресурсы. Сформированы и постоянно развиваются методы контроля эффективности производства. Планирование, учет и анализ прямых затрат на производство готовой продукции может вестись по различным разработанным и совершенствующимся методикам.
Минимизация затрат на оплату труда производственного персонала, соответствующих отчислений и налогов привели к эффективной модели глобального перераспределения производства.
На сегодняшний день в этой области в центре внимания находятся проблемы повышения производительности и эффективности труда именно управленческого персонала, снижение издержек управления бизнес-процессами.
Простое переложение существующих управленческих моделей бизнес-процессов на язык электронного документооборота уже показывает свою неэффективность.
Шумные банкротства транснациональных компаний, перекосы в оценке (скорее, в самооценке) труда менеджеров, дисбалансы целей и методов управления, «мыльные пузыри» целевых капитализаций и банкротств и т.п. приводят к востребованности эффективных сбалансированных моделей управления, прежде всего, бизнес-процессами.
Сейчас мало рассматривать возможности современных информационных технологий, как технологий удобства и ускорения исполнения уже существующих функций, бизнес-процессов.
Множество документов, инстанций, подписей, визирований, регламентов, вынужденных регистраций промежуточных решений было в большой степени продиктовано распределенностью необходимой информации в пространстве и во времени.
Новые информационные технологии и предлагаемое в настоящей работе эволюционное моделирование бизнес-процессов в едином информационном и функциональном пространстве в виде гиперграфа классов выявляют «лишние», не оптимальные процессы и сущности. Они позволяют последовательно трансформировать традиционные понятия «потоков документооборота» в системы единого восприятия состояний ресурсов и процессов во времени, возможно, в реальном времени.
Эволюционное динамическое моделирование, открытость, наглядность единой модели-гиперграфа могут стать основой систематизации, исследования, изучения, универсализации, оптимизации «искусства» управления.
Кроме того, при сегодняшнем уровне глобализации необходимо рассматривать сложную совокупность различных экономически связанных управленческих моделей множества финансово-экономических организационных единиц с целью их гармонизации.
Создание корпоративных систем управления ресурсами конкретного предприятия или холдинга в условиях глобализации необходимая, но не достаточная для эффективного управления задача. Каждая бизнес-единица является частью целого – единого глобального финансово-экономического, политического, социального, экологического и т.п. пространства.
Эволюционное познание и динамическое моделирование целостной картины – единственный метод гармонизации развития.
Теория эволюционного моделирования не только концептуально изменяет подходы к проектированию и описанию моделей предметной области, но и четко формирует новый сегмент стандартов развивающихся современных информационных технологий.
Основные элементы структуры современных информационных технологий (ИТ) приведены на Рис. 1.
Для эффективного обеспечения решения задач конечного пользователя в настоящее время согласованно развиваются три основных направления информационных технологий:
Среда передачи данных формировалась с использованием различных физических объектов – почта, дискеты, медные провода, оптика, радиоволны…
В настоящее время идет глобальная унификация стандартов передачи, мультиплексирования, защиты, помехоустойчивости и т.п. информации и поиск новых принципов передачи данных.
Рис. 1. Основные элементы структуры современных информационных технологий
Аппаратное обеспечение хранения, обработки, передачи, использования информации можно разделить на три основных вида:
В этом сегменте также интенсивно ведется глобальная унификация стандартов. Появление инновационных продуктов в течение короткого времени порождает хаотическое предложение тех или иных вариантов содержательных решений. Но вскоре все решения стандартизуются, и вариативной остается, в основном, только форма представления и использования.
Структура программного обеспечения несколько нарушает стройную систему глобальной стандартизации элементов информационных технологий.
Программное обеспечение (ПО) состоит из следующих основных направлений:
Именно последние два направления развития программного обеспечения из вышеприведенных:
являются наиболее интересными для исследования и познания.
Приоритет их интенсивного развития очевиден и обоснован.
Традиционные подходы к созданию прикладных программных продуктов, описанию, моделированию, проектированию любой системы приводят к тому, что разработчик или группа разработчиков начинают свою деятельность практически каждый раз с нуля, т.е. с личного опыта, накопленных заготовок (порой устаревших), наличия произвольной информации об аналогах.
Качество проектируемых прикладных программных продуктов зависит только от талантов, психологических, личностных характеристик конкретных людей, а также от организационных, технологических, финансовых, временных аспектов.
В результате мы имеем глобальные баснословные финансовые, материальные, технологические, интеллектуальные издержки на создание миллионов различных прикладных программных продуктов по сути своей реализующих в той или иной степени одинаковые задачи предметной области.
На Рис. 2 представлены проблемы диспропорции создания прикладных программных продуктов, когда для решения одного круга задач в глобальных масштабах создано огромное количество разрозненных программ, а многие другие предметные области полностью обойдены вниманием.
Кроме того, эти различные созданные и используемые программные продукты «не понимают» друг друга. Они не совместимы.
Большинство усилий в современной науке направлено на создание универсальных шлюзов и технологий формирования и сопровождения интерфейсов – «среды общения» между несопоставимыми программами. Ожидается открытие секрета этакого универсального «клея» для воды, камня, газа, бумаги, кислоты и т.п.
Есть, несомненно, тенденции кажущегося упрощения этого многотрудного занятия.
Глобализация подготовила предпосылки к унификации сетевых операционных систем, операционных систем клиентского программного обеспечения конечного пользователя, систем управления базами данных, языков программирования и т.д.
Но даже, если, предположить, что среда интеграции прикладных программных продуктов будет создана, то это никак не затронет решение проблем и снижение издержек сопровождения самих разрозненно спроектированных систем, их оптимизации, динамического развития…
Рис. 2. Диспропорция создания систем управления
Чтобы понимать и описывать реакции химического взаимодействия веществ, нужна периодическая таблица Менделеева.
Чтобы решить описанные проблемы развития информационных технологий, необходимо согласованно эволюционно моделировать предметную область, понимая друг друга и используя накапливаемые в моделях знания. Необходим единый эволюционирующий язык проектирования моделей.
Создание единой среды эволюционного моделирования – приоритет развития ИТ (см. Рис. 3).
Среда эволюционного моделирования формирует основы создания единой модели предметной области и виртуального описания прикладных исполняемых систем, как зон видимости и доступа к любым произвольным наборам элементов этой модели.
Рис. 3. Предлагаемая технология создания прикладного программного обеспечения
Созданные и используемые Эталон-решения эволюционного моделирования показали, что возможна согласованная, эффективная сетевая работа сотен проектировщиков в пространстве единой модели.
Разработаны технологии распределенного проектирования частей модели с дальнейшим объединением – слиянием гиперграфов и анализом избыточности единой модели.
Средства проектирования, сопровождения и развития моделей просты, их легко осваивают специалисты партнеров и клиентов, приобретающих Эталон-продукты для реализации конкретных задач, их продвижения, развития и использования.
Представленный проект Эталон-решений эволюционного моделирования масштабируем и может работать на основе большинства из описанных информационных технологий.
Используя технологии В2В, можно обмениваться моделями, встраивать дополнительные части моделей-прототипов, анализировать и обучаться на иных решениях однотипных задач и т.п.
Результаты применения Эталон-решений обосновали несомненные преимущества новых технологий проектирования приложений конечного пользователя, основные принципы которых и рассмотрим в настоящей работе.