CC BY
72
УДК 004.414
ФРАКТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ АРХИТЕКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
А. Н. Копайгородский1, Л. В. Массель2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН,
664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Рассмотрены фрактальный подход и методика проектирования архитектуры информационных систем. Процесс выделения компонентов информационной системы основан на фрактальной стратификации предметной области. Проиллюстрировано применение методики на примерах проектирования информационной системы учета документов и ИТ-инфраструктуры исследований энергетики. Ил. 2. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: фрактальный подход; архитектура и проектирование информационных систем.
FRACTAL APPROACH TO DESIGNING THE ARCHITECTURE OF INFORMATION SYSTEMS A.N. Kopaygorodsky, L.V. Massel
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
2Institute of Power Systems named after L.A. Melentiev SB RAS, 130, Lermontov St., Irkutsk, 664033.
The authors consider a fractal approach and the procedure to design the architecture of information systems. The process of information system components allocating is based on the fractal stratification of the knowledge domain. They illustrate the procedure application with the examples of designing the information system for document recording, and the IT-infrastructure of power engineering researches. 2 figures. 2 tables. 4 sources.
Key words: fractal approach; architecture and design of information systems.
На сегодняшний день существует достаточно много определений того, что принято называть «архитектурой информационных систем». Но все они могут быть сведены к двум общим вариантам. Первый связан с разделением системы на наиболее крупные составные части; во втором случае имеются в виду некие конструктивные решения, которые после их принятия с трудом поддаются изменению. По мнению Мартина Фаулера, архитектура - это весьма субъективное понятие. В лучшем случае оно отображает общую точку зрения команды разработчиков на результаты проектирования системы. Обычно это согласие в вопросе идентификации главных компонентов системы и способов их взаимодействия, а также выбор таких решений, которые интерпретируются как основополагающие и не подлежащие изменению в будущем.
Архитектуру системы, как правило, можно представить в виде набора слоев, поэтому очень важным вопросом является то, как осуществить декомпозицию системы по слоям и обеспечить надлежащее взаимодействие слоев между собой. В большинстве приложений прослеживается та или иная форма архитектурного «расслоения». Типовым расслоением инфор-
мационных систем является выделение трех уровней: управления данными, прикладной логики (бизнес-логики) и управления интерфейсом. В дальнейшем эти уровни распределяются между физическими компонентами и узлами системы (различными программными модулями и вычислительными машинами).
Проектирование архитектуры информационной системы. При проектировании большинства информационных систем, как правило, архитектура выбирается из достаточно небольшого множества типовых решений. Применение этого подхода оправдано при создании системы-клона или аналога. В этом случае выполняется анализ исходных (подобных) систем, выявляются ошибки в их архитектуре, существенно влияющие на характеристики системы, затем «плохие архитектурные решения» отбрасываются, а «удачные» дополняются новыми решениями.
Но что делать, если информационная система разрабатывается с нуля или ведется разработка уникального программного обеспечения (ПО)? Каждый проектировщик может представить свой авторский взгляд на то, как должна выглядеть создаваемая информационная система, и обосновать, почему пред-
1 Копайгородский Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952) 405757, e-mail: digger@istu.edu Kopaygorodsky Alexey Nikolaevich, Candidate of technical sciences, associate professor, tel.: (3952) 405757, e-mail: digger@istu.edu
2Массель Людмила Васильевна, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел.: (3952) 429619, e-mail: massel@isem.sei.irk.ru
Massel Luydmila Vasilievna, Doctor of technical sciences, professor, chief research worker, tel.: (3952) 429619, e-mail: massel@isem.sei.irk.ru
ставленный им проект является лучшим. Такой подход к выявлению в информационной системе основных элементов, взаимосвязей и распределения по отдельным физическим элементам не является четко формализованным и сродни искусству. Особенно сложно правильно описать архитектуру системы, которая проектируется в концепции сервис-ориентированной архитектуры (SOA), потому что приходится оперировать с отдельными, выполняющими достаточно простые функции, компонентами (сервисами), число которых может быть большим. Для решения этой задачи (проектирования нетиповой архитектуры информационной системы) предлагается применять подход на основе фрактальной стратифицированной модели информационного пространства, предложенной Л.В. Мас-сель [1].
Фрактальная стратифицированная модель информационного пространства (ФС-модель) является концептуальной моделью структурирования знаний, основанной на представлении разных форм (видов) знаний как объектов расслоенного (стратифицированного) информационного пространства. При построении ФС-модели вводится понятие информационных миров (слоев ФС-модели). ФС-модель позволяет описать информационное пространство, в которое отображается вся имеющаяся информация о данной предметной области, в виде совокупности непересекающихся слоев, объединяющих однотипные информационные объекты (обладающие одинаковым набором свойств или характеристик, являющихся существенными в этом рассмотрении). Каждый слой, в свою очередь, также может быть расслоен. Использование ФС-модели позволяет представить информационную технологию как совокупность информационных слоев и их отображений. Инструментальные средства информационной технологии включают средства описания информационных слоев и поддержки отображений из любого слоя в каждый. Графически ФС-модель может быть представлена в виде совокупности вложенных сферических оболочек (слоев), определяемой тройкой {Б, Р, 6}, где Б - множество слоев, F - множество отображений, в - множество инвариантов. Поскольку знания любого эксперта не всеобъемлющи, каждый работает со своим фракталом знаний - «вырезкой» из информационного пространства, которую можно представить в виде конуса или пирамиды. При информационном моделировании объектов или систем объектов в центр ФС-модели условно помещается изучаемый объект, считая, что сущность его окружена «слоями» информации, каждый из которых характеризует какой-то аспект (функциональную совокупность аспектов) жизнедеятельности объекта.
Методика проектирования архитектуры информационных систем. Для того, чтобы полностью описать архитектуру информационной системы требуется ответить на несколько вопросов и решить ряд задач:
1. Определить, какие логические и физические компоненты и узлы будут существовать в системе.
2. Установить назначение каждого логического компонента, распределить логические компоненты
между физическими узлами (провести компоновку системы).
3. Формализовать задачи (функции) каждого компонента будущей системы.
4. Найти связи между логическими компонентами системы, и, соответственно, необходимые связи между физическими узлами.
Рассматривая любую информационную систему можно выделить два класса компонентов: первые обеспечивают стабильность характеристик и их сохраняемость во времени (статику системы), а вторые - переходы системы из одного состояния в другое (динамику системы). Статические компоненты пассивны по своей природе и не могут инициировать никаких действий в системе, напротив, динамические компоненты являются активными и вызывают изменения в системе в целом через изменения состояния пассивных компонентов. К статическим (пассивным) компонентам можно отнести те элементы системы, которые отвечают за хранение информации (данных и знаний). Динамические компоненты (активные) выполняют обработку информации, ее преобразование и передачу в систему, внутри системы и из системы во внешнюю среду. Именно наличие статических и динамических компонентов позволяет информационной системе полноценно функционировать, отсутствие тех или иных плохо сказывалось бы на возможностях системы. Например, при наличии только статических компонентов невозможно извлечь информацию, а при их отсутствии - негде её хранить. Можно представить, насколько сложно использовать систему управления базами данных (СУБД), хранящую данные в БД, без компонентов доступа к ним, или использовать только компоненты доступа к данным без базы и СУБД.
Для выделения компонентов информационной системы необходимо определить информационное пространство I, состоящее из информационных объектов, в которое отображается вся существующая информация о предметной области (знания о реальных объектах и процессах). Информационное пространство I структурируется с помощью ФС-модели и представляется в виде слоев (информационных миров) однотипных объектов. Для этого необходимо задать
непересекающиеся слои Б, (£ = {£},; / = 1,п ), отображения Е; из любого слоя в каждый
(Е = Е : Я ^ Я;}, (Я, Я;) е £*) и множество
инвариантов в - цели создания и функционирования информационной системы, которые будут уточнены для каждого выделенного слоя. Все однотипные информационные объекты пространства I расположатся в одном из слоев Б,, а отображения объектов слоя Б, в объекты слоя Бу будут соответствовать преобразованиям информации в системе.
Множество слоев Б и отображений Р поддерживаются множеством компонентов информационной системы, причем слоям Б, соответствуют статические (пассивные) компоненты системы, а отображениям
Е' - динамические (активные). Для поддержки каж-
дого слоя Б,- должен существовать хотя бы один компонент, если таких компонентов более одного - слой Б, может быть разбит на несколько подслоев Б, , Б,2... Бм , где каждому из подслоев Б^ будет соответствовать один из компонентов поддержки слоя Б,. Один компонент информационной системы может поддерживать более одного слоя Б, - это будет свидетельствовать о сложной структуре компонента и возможности выделения в нем функциональности для поддержки каждого из слоев. Для отображения Р^ также должен существовать хотя бы один динамический компонент. Аналогично поддержке слоев, отображение может поддерживаться несколькими компонентами, или один компонент может поддерживать несколько отображений.
Выделенные слои и отображения проектируемой информационной системы могут быть представлены в виде табл. 1. Анализируя таблицу, можно сформули-
документов (Б). В выбранной предметной области можно выделить три класса информационных объектов: первичные бумажные документы, которые поступают на вход; электронные документы, хранящиеся внутри информационной системы, и выходные документы (аналитические отчеты).
В качестве инварианта в определяем цель: построение информационной системы хранения электронных документов и формирования аналитических отчетов.
Зададим непересекающиеся слои разбиения Б как Бе - слой электронных документов, БР - слой бумажных документов (£ = {£Е,8Р }; п= 0), слои разбиения БЕ и БР представлены на рис.1. БР, в свою очередь, может быть расслоен на БР/ - слой первичных бумажных документов, БР0 - слой выходных бумажных документов
( £Р = {£Р/ ,£Р0 £Р/ п £Р0 = 0 ).
Слои и^ отображения проектируемой системы
Таблица 1
Слой Средства поддержки слоя Отображение Средства поддержки отображения
Б, Компонент(ы) поддержки слоя Б, Р2 : ^ Компонент(ы) поддержки отображения Р1 1 2
Р3 : £1 ^ Компонент(ы) поддержки отображения Р1 1 3
Б2 Компонент(ы) поддержки слоя Б2 Р?:Б2 ^ £ Компонент(ы) поддержки отображения
БМ Компонент(ы) поддержки слоя Бм Р1М : ^ Компонент(ы) поддержки отображения 11
ровать назначение каждого из компонентов и решаемые им задачи, и, опираясь на существующие отображения, определить связи между компонентами [2].
Результаты выполненного анализа могут быть представлены графически в виде архитектуры создаваемой информационной системы.
Пример проектирования архитектуры системы. Рассмотрим пример проектирования системы учета
Разбиение Б на Бе и БР является условным, и вполне допустимо разбить Б на три слоя: Бе, Б/ и Б0 (Б = {8Е£1,80}), где Бе - электронные, Б/ -
первичные, а Б0 - выходные документы.
Для слоев Бе и БР введем два отображения:
ЕР
Отображение
РР : ^
ре : ^ .
Система учета документов Б
Электронные документы Бе
Бумажные документы
Рис. 1. ФС-модель проектируемой системы учета документов
7_, р
Ее необходимо для преобразования информационных объектов из слоя Бр в слой Бе: преобразования первичных документов на бумажных носителях в
ге
электронные документы; Ер используется для отображения элементов слоя Бе в Бр : формировния
Архитектура системы учета представлена на рис. 2, а. Компоненты ввода документов и построения аналитических отчетов могут быть объединены в один программный модуль, который будет поддерживать
отображен ия Ее и Ер , тогда архитектура системы претерпит некоторые изменения (рис. 2, б).
а) б)
Рис. 2. Архитектура проектируемой системы учета документов
аналитических отчетов на основе электронных документов.
Для поддержки слоя Бе необходим компонент хранения данных. Для этого будет использоваться база данных, в которой реализована модель данных и соответствующая СУБД. Объектами слоя Бр являются бумажные документы, для их хранения применяются различные папки и стеллажи. Для поддержки отображения ЕЕ необходим компонент ввода документов, а
ГЕ
для Ер - компонент построения аналитических отчетов. Слои и отображения ФС-модели проектируемой системы, а также средства их поддержки представлены в табл. 2.
В результате анализа были определены компоненты проектируемой системы:
1. СУБД и БД информационной системы, которая используется для хранения электронных документов
2. Компонент ввода документов, с помощью которого осуществляется ввод и корректировка электронных документов на основе исходных бумажных.
3. Компонент построения аналитических отчетов, предназначенный для формирования отчетов на основе базы данных информационной системы.
Применение предложенной методики.
Рассмотренная методика применялась при проектировании ИТ-инфраструктуры исследований энергетики [3, 4]. ИТ-инфраструктура Б, согласно фрактальной методологии, стратифицируется на интеграционную информационную инфраструктуру (Б), распределенную вычислительную инфраструктуру (Бс) и телекоммуникационную инфраструктуру (БТ).
Информационная инфраструктура [4] объединяет информацию обо всех разрозненных хранилищах данных, используемых для хранения базовой (основной), промежуточной и результирующей информации, и о методах (алгоритмах), выполняющих какие-либо действия над информацией (программных комплексах, пакетах прикладных программ, различных сервисах). В информационной инфраструктуре (Б) выделяются три уровня (слоя ФС-модели): модели метаданных информационной инфраструктуры (Бр), метаданных (Бм) и данных ИТ-инфраструктуры (Бю). Для поддержки слоев Бр и Бм используется репозитарий информационной инфраструктуры, слой Б/0 поддерживается различными СУБД, распределенной файловой системой и программными комплексами. Отображения между слоями
Таблица 2
Слои и отображения проектируемой системы
Слой Средства поддержки слоя Отображение Средства поддержки отображения
БЕ СУБД и БД информационной системы ЕР : Яе ^ Яр Компонент построения аналитических отчетов
Бр Стеллажи с папками ЕЕ : ЯР ^ ЯЕ Компонент ввода документов
поддерживаются программами администрирования
(р1М ■ я ^ V ; рю ■ я ^ V ); извлечения
Ю ■ °Ш ^ иЮ' 1 ш ■ ию ^ °ш "
данных и файлов, Web-сервисами и компонентами доступа к данным
FIM ■ S _ S ); CASE-
1 ID ■ iJIM ^ ID "
средствами (pp : SCM _ SCP;
fCP ■ S _ S
rCM ■ °CP °CM
fid ■ S _^ s ;
IM ID IM
SCM ^ SIM ;
? CP
SCP c Sc)
системами программирования (ГСр : ЯСР ^ ЯСМ )■
При выполнении работ по гранту РФФИ № 07-07-00265-а «Создание связанных между собой интеллектуальных систем для решения комплексных проблем энергетики на основе применения аппарата алгебраических сетей» также была применена данная методика. В предметной области были выделены четыре слоя: моделей (Бм), данных (Б0), результатов вычислительных экспериментов (Бр) и программных компонентов-решателей (Эр). Для поддержки моделей
(Бм) используются хранилище моделей, ЛМ-сетей и онтологическая база знаний; результаты вычислительных экспериментов (Бр) размещены на ГИС-сервере и в файловом хранилище; данные (Б0) поддерживаются различными СУБД, а решатели (Бр) -это распределенные в сети отдельные программные компоненты.
В работе рассмотрена проблема построения нетиповой архитектуры информационных систем, предложена методика, позволяющая формализовать процесс определения необходимых компонентов разрабатываемых информационных систем, функций компонентов и связей между ними.
Предложенная методика применяется при выполнении работ по грантам РФФИ № 10-07-00264-а, № 08-07-00172-а и гранту Программы Президиума РАН № 2.29.
Библиографический список
1. Массель Л.В. Фрактальный подход к построению информационных технологий // В кн.: Криворуцкий Л.Д., Массель Л.В. / Информационная технология исследований развития энергетики. Новосибирск: Наука, 1995. С. 40-67.
2. Копайгородский А.Н. Применение фрактальной стратифицированной модели для проектирования архитектуры информационных систем // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе: материалы XXXVI Международной конференции. (Украина, Ялта-Гурзуф, 2030 мая 2009 г.). М.: Изд-во МГАПИ, 2009. С. 21-23.
3. Массель Л.В. Создание ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе 1Т + Б&Е'05. 2005. С. 402-404.
4. Копайгородский А.Н., Массель Л.В. Разработка и интеграция основных компонентов информационной инфраструктуры научных исследований // Вестник ИрГТУ, 2006. № 2 (26). С. 20-24.
УДК 517. 954
РАСПРЕДЕЛЁННОЕ УПРАВЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЯМИ ВЯЗКОУПРУГОЙ БАЛКИ Л. Ф. Хващевская1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Получено приближённое решение задачи управления колебаниями вязкоупругой балки, концы которой закреплены шарнирно. Решения интегро-дифференциальных уравнений найдены методом усреднения. Для нахождения управляющей функции рассмотрена конечномерная проблема моментов. Результаты можно применять при построении начальных приближений в численных методах оптимального управления колебаниями вязкоупругой балки.
Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: управление; проблема моментов; система с распределёнными параметрами; интегро-дифференциальное уравнение.
DISTRIBUTED CONTROL OF VISCOELASTIC BEAM VIBRATIONS L.F. Hvaschevskaya
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author obtains an approximate solution of the problem to control the vibrations of viscoelastic beam with hinged ends. The solutions of integral-differential equations are found by the averaging method. To find the control function the author considers a finite-dimensional problem of moments. The results can be used in constructing the initial approximations in numerical methods of optimal control of viscoelastic beam vibrations. 2 sources.
Key words: control; moment problem; distributed parameter system; integral-differential equation.
1Хващевская Любовь Фёдоровна, старший преподаватель кафедры математики, тел.: (3952) 224281.
Hvaschevskaya Lubov Fedorovna, senior lecturer of the chair of Mathematics, tel.: (3952) 224281.
