CC BY
18
Моделирование информационных систем на базе модели Захмана и онтологическом инжиниринге
Б. С. Кубеков Университет «Туран» Алматы, Казахстан b.kubekov@mail.ru
Аннотация. Рассматривается применение когнитивно-фреймовой модели на базе онтологии понятий, позволяющей представлять общую понятийную платформу для описания существующего окружения, планов и целей управления предприятием согласно методике Дж. Захмана. Предлагаемая концепция smart-контракта, являясь инструментарием оценки качества артефактов проектного менеджмента, направлена на решение проблемы полного описания уровней и аспектов модели Захмана.
Ключевые слова: когнитивно-фреймовая модель, онтология понятий, модель Захмана, проектный менеджмент, архитектура предприятия, инжиниринг предприятия.
Модель архитектуры предприятия
Значительный вклад в развитие концепции архитектуры предприятия был сделан Дж. Захманом (John A. Zachman) в виде так называемой модели Захмана [1 ]. Данная методика основана на дисциплине классической архитектуры предприятия и обеспечивает общий словарь и набор перспектив, или структур, для описания каждого отдельного аспекта сложных корпоративных систем, что является актуальной задачей, особенно в условиях цифровой трансформации предприятия. Захман определил архитектуру предприятия как «набор описательных представлений (моделей), которые применимы для описания предприятия в соответствии с требованиями управленческого персонала (качество) и которые могут развиваться в течение определенного периода (динамичность)». Термин «архитектура» подчеркивает существующую аналогию между внутренней структурой абстрактного объекта, то есть предприятия, и сложным искусственным объектом [2].
Модель архитектуры предприятия преследует две основные цели: с одной стороны логически разбить все описание архитектуры на отдельные разделы для упрощения их формирования и восприятия, с другой — обеспечить возможность рассмотрения целостной архитектуры с выделенных точек зрения и соответствующих уровней абстракции.
Как известно, традиционным подходом при формировании описания систем являлось использование концепции «жизненного цикла», включающего такие этапы, как планирование, анализ, проектирование, разработка, документирование, внедрение и промышленная эксплуатация. На каждом из этих этапов рассматриваются вопросы, связанные как с функциями системы, так и с данными. Зах-
ман предложил вместо традиционного подхода, связанного с рассмотрением отдельных аспектов работы системы в различные моменты времени, использовать рассмотрение системы с различных перспектив.
Исторически модель Захмана впервые была создана именно для ИТ-систем. Этот подход далее был обобщен для рассмотрения не только ИТ-систем, но и для описания предприятия в целом, так что предложенная модель может использоваться как средство для описания архитектур сложных производственных систем любого типа. Основная идея модели Захмана заключается в том, чтобы обеспечить возможность последовательного описания каждого отдельного аспекта работы системы с точки зрения роли соответствующего уровня в координации со всеми остальными ролями.
Как известно, важным аспектом инжиниринга предприятия в условиях цифровой трансформации является формализация профессиональных знаний. Для этих целей может быть принят подход с использованием когнитивно-фреймовой модели на базе онтологии понятий, где в качестве инструментария для моделирования и спецификации бизнес-процессов применяется модель Захмана, а для обеспечения описания каждого аспекта уровней системы предлагается использовать БтагЬконтракт [3]. На базе данного подхода можно формировать общий словарь понятий и описательных представлений моделей таких уровней описания архитектуры предприятия, то есть ролей, как планировщик, менеджер, архитектор, проектировщик и разработчик.
Таким образом, предлагаемый подход позволяет:
1. Представлять общую понятийную платформу для описания существующего окружения, планов и целей управления предприятием.
2. Четко определять семантический контекст понятий в соответствии с терминами описательного представления предприятия в рамках существующих структур данных, правил их преобразования и обработки для выполнения бизнес-функций.
3. Осуществлять привязку данных и операций над ними к выбранным технологиям проектирования информационной системы и детальной реализации.
4. Используя опорные понятия концептуального уровня когнитивно-фреймовой модели, можно будет обеспечивать поддержку концептуальных взаимосвязей и переходов между артефактами описательного представления предприятия, что важно для сохранения целостности системы, а что касается логического и физического
уровней понятий когнитивно-фреймовой модели, то представляется возможным последовательно описывать каждый отдельный аспект уровней системы в координации со всеми остальными.
5. Когнитивно-фреймовая модель может рассматриваться как онтологический паттерн, за счет «встроенного механизма» распространения изменений между отдельными описательными представлениями уровней системы. Основная функция когнитивно-фреймовой модели состоит в том, чтобы обеспечить возможность последовательного описания каждого отдельного аспекта уровней системы в терминах опорных понятий и соответствующих понятийных структур в координации с другими аспектами уровней, для которых опорные понятия играют роль концептуальных переходов.
Для любой достаточно сложной системы общее число связей, условий и правил обычно превосходит возможности для одновременного рассмотрения, а отдельное, в отрыве от других, рассмотрение каждого аспекта системы чаще всего приводит к неоптимальным решениям как в плане производительности, так и стоимости реализации.
Для того чтобы такое рассмотрение гарантировало успешность цельного представления аспектов и перспектив, предлагается использовать следующий smart-контракт:
{Р}<Описательное представление предприятия>{0},
где <Описательное представление предприятия> рассматривается в виде последовательности <что, как, где, кто, когда, почему>; {P} — предусловия, определяющие ограничения, выполнение которых на модели AS-IS, будут способствовать рассмотрению системы с различных перспектив — представлений в виде вариантов моделей TO-BE; {Q} — постусловия, гарантирующие успешность разработки архитектуры информационной системы предприятия в виде итоговой модели TO-BE.
Здесь следует напомнить, что модель AS-IS — модель «как есть», то есть модель существующего состояния бизнес-процессов предприятия, а модель TO-BE — бизнес-модель «как должно быть», которая, как правило, создается на основе AS-IS путем совершенствования и оптимизации ее бизнес-процессов и бизнес-потоков данных.
Другими словами, {Q} — постусловия, гарантирующие успешность разработки архитектуры системы при условии выполнения, во-первых, предусловий и, во-вторых, корректности используемых для этих целей: данных (что), процессов и функций (как), мест выполнения этих процессов и функций (где), организаций и персоналий — участников (кто), управляющих событий (когда), целей и ограничений, определяющих работу системы (почему).
Данное представление smart-контракта может конкретизироваться (иметь декомпозицию) с учетом уровней ролей и соответствующих процессов жизненного цикла разработки информационной системы. Использование smart-контракта в рамках каждого уровня таблицы позволит, таким образом, решать проблему полного описания системы с выбранной перспективой в циклах анализа и разработки прототипов предметной области, являться инструментарием оценки качества артефактов проектного менеджмента и, в целом, предоставляет возможность такого планирования, которое позволит лучше принимать решения за счет того, что они никогда не будут выноситься в отрыве от остальных аспектов деятельности предприятия.
Модель Захмана представляется в виде таблицы основных пяти уровней ролей (табл. 1), с помощью которых определяется архитектура предприятия, в виде набора описательных представлений (моделей), которые применимы для описания предприятия в соответствии с требованиями управленческого персонала (качество), которые могут развиваться в течение определенного периода (динамичность).
Таблица 1
Основные уровни ролей модели Захмана
Уровни ролей Что Как Где Кто Когда Почему
Планировщик Список важных понятий Список бизнес-процессов Представление бизнес-процессов Стейкхолдеры События и состояния Бизнес-цели и стратегии
Аналитик-менеджер Концептуальная модель данных Модель бизнес-процессов Схема логистики Workflow План реализации Бизнес-план
Архитектор Логическая модель данных Архитектура системы Модель архитектуры GUI Структура процессов Бизнес-правила
Проектировщик Физическая модель данных Системный проект Этапы процессов Представления Структура управления Спецификация бизнес-правил и процессов
Разработчик Описание структуры данных Программный код Сетевая архитектура Архитектура безопасности Определение временных привязок Реализация бизнес-логики
Формализмы когнитивно-фреймовой модели
Для представления знаний принята следующая когнитивно-фреймовая модель [4]:
СРМ = < С, Я, >,
представляющая собой иерархическую структуру понятий, концептуальный уровень которой представлен опорным понятием, логический уровень — идентифицирующими понятиями, физический уровень — конкретизирующими понятиями. Между понятиями модели определены отношения «композиция» (символ «*»), «агрегация» (символ «+») и «альтернативный выбор» (символ «~»). Здесь Е — функции интерпретации, обусловленные соответствующими отношениями между понятиями.
С помощью указанных операций для каждого понятия определяется его статус, то есть важность рассмотрения и влияния понятия на полноту и корректность описательных представлений.
Опорное понятие — базовая абстракция семантического контекста описательных представлений, с помощью которого отображается семантическая общность и характерные индивидуальные свойства понятий описательных представлений.
Логический уровень модели представляется идентифицирующими понятиями, являющимися средством определения семантических и отличительных свойств опорного понятия, что имеет исключительно важное значение для отождествления семантики опорного понятия посредством понятий физического уровня.
Физический уровень модели представляется конкретизирующими понятиями онтологии опорного понятия, которые в контексте своего идентифицирующего понятия позволяют ясно и недвусмысленно описывать опорное понятие и конфигурировать его семантические и отличительные свойства посредством типичных либо всевозможных сочетаний понятий семантического контекста описательных представлений.
Для спецификации онтологии опорного понятия введено так называемое выражение знаний опорного понятия.
В качестве примера рассмотрим опорное понятие С2 «Требования пользователей», применяемое в «Бизнес-цели и стратегии» первого уровня (Планировщик) таблицы модели Захмана.
Для отождествления данного опорного понятия, было выделено три идентифицирующих понятия:
• *С2.1 — функциональные требования пользователей;
• *С22 — нефункциональные требования пользователей;
• *С23 — сценарий событий, являющийся семантическим контекстом второго уровня онтологии, включающего следующие конкретизирующие понятия: *С1 — вариант использования, +С2 — диаграмма потоков данных, либо +Сз — диаграмма переходов состояний, либо +С4 — таблица «событие — отклик».
В соответствии с принятой нотацией разработанного понятийного языка спецификации знаний спецификацию онтологии опорного понятия С2 «Требования пользователей», можно представить в виде следующего выражения знаний:
С*2 <= *С2.1*С2.2*С2.3(*С1+С2~+С3~+С4),
где С21, С22 и С2.3 являются идентифицирующими понятиями онтологии опорного понятия, при помощи которых отождествляются проекции в описательных представлениях, в которых определены термины, с помощью которых можно описать опорное понятие, а понятия, выделенные в круглых скобках, — это конкретизирующие понятия для идентифицирующего понятия С2.3. Как видно, первые два идентифицирующих понятия онтологии не нуждаются в дальнейшем уточнении.
очень важно иметь возможность визуализации знаний, для этой цели был разработан редактор онтологии, позволяющий представлять онтологию опорного понятия в виде реляционного графа, как показано на рисунке 1 для опорного понятия С2 «Требования пользователей».
Рис. 1. Онтология опорного понятия С2 «Требования пользователей»
Выражение знаний — утверждение, представленное в виде предиката, который всегда истинен. Действительно, все понятия, используемые в описательных представлениях специалистами, играющими роли уровней модели Захмана, должны четко и однозначно соответствовать спецификациям итоговой модели TO-BE, в том числе в форме итоговых понятий и понятийных структур выражения знаний.
Более того, с помощью итоговых понятий и понятийных структур всех разработанных выражений знаний должен обеспечиваться общий словарь и набор перспектив, или структур, для описания современных сложных корпоративных систем.
Таким образом, применение предлагаемого подхода к проектированию архитектуры предприятия путем последовательного моделирования уровней модели Захмана и формирования базы знаний из соответствующих выражений знаний даст возможность обеспечить кроссплатфор-менность описательных представлений уровней, их сопоставления и корректировки, что достигается путем применения опорных понятий, играющих роль концептуальных переходов.
Формируемые таким образом выражения знаний составляют базу знаний, то есть корпоративную память предприятия, которая может служить для многих целей — от проектирования информационных систем до обучения персонала предприятия, как того требует цифровая трансформация предприятия.
Заключение
Таким образом, когнитивно-фреймовая модель совместно со smart-контрактом, позволяют:
1. Проводить анализ и представлять семантический контекст описательных представлений наборами опорных понятий с последующим онтологическим инжинирингом опорных понятий, тем самым облегчая понимание и общение людей, представляющих разные роли в процессах создания, развития и использования информационных систем.
2. На основе анализа общности и изменчивости понятий описательных представлений, формировать и упорядочивать знания и применять их для разработки артефактов описания и разработки архитектуры предприятия.
3. Smart-контракт, в случае его декомпозиции, позволяет концентрироваться как на отдельных аспектах процесса разработки архитектуры предприятия, так и информационной системы в целом, не теряя ощущения общего контекста перспективы, то есть взгляда на архитектуру предприятия с точки зрения перспективы его развития.
Что касается модели Захмана, то ее применение позволяет:
• удобно применять для классификации всей информации, описывающей предприятие и информационные системы этого предприятия, выявления «белых пятен» и координации работ;
• использовать модель на метауровне — для сравнения различных реализаций создания архитектур предприятия.
• модель может являться удобным средством для использования в отдельных проектах.
Литература
1. About the Zachman Framework // Zachman International — FEAC Institute. URL: http://zachman-feac.com/ zachman/about-the-zachman-framework (дата обращения 24.02.2023).
2. Данилин, А. В. Архитектура предприятия: Учебное пособие / А. В. Данилин, А. И. Слюсаренко. — 4-е изд. — Москва: НОУ ИНТУИТ: IPR Media, 2022. — 439 с.
3. Мейер, Б. Почувствуй класс: учимся программировать хорошо с объектами и контрактами = Touch of Class: Learning to Programm Well with Objects and Contracts / Б. Мейер; пер. с англ. под ред. В. А. Биллига. — Москва: НОУ ИНТУИТ: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.— 775 с.
4. Кубеков, Б. С. Организация и представление знаний планируемого обучения на основе онтологии: Монография. — Алматы: LP-Zhasulan, 2019. — 336 с.
Simulation of Information Systems Based on the Zachman Model and Ontological Engineering
B. S. Kubekov Turan University Almaty, Kazakhstan b .kubekov@mail. ru
Abstract. The article discusses the use of a cognitive-frame model based on the ontology of concepts, which allows representing a common conceptual platform for describing the existing environment, plans and goals of enterprise management, according to the methodology of J. Zachman. The proposed concept of a smart contract, being a tool for assessing the quality of project management artifacts, is aimed at solving the problem of a complete description of the levels and aspects of the Zachman model.
Keywords: cognitive frame model, ontology of concepts, Zachman model, project management, enterprise architecture, enterprise engineering.
References
1. About the Zachman Framework, Zachman International — FEAC Institute. Available at: http://zachman-feac.com/zachman/about-the-zachman-framework (accessed 24 Feb 2023).
2. Danilin A. V., Slyusarenko A. I. Enterprise Architecture: Study guide [Arkhitektura predpriyatiya: Uchebnoe posobie]. Moscow,INTUIT, IPR Media, 2022, 439 p.
3. Meyer B. Touch of Class: Learning to Programm Well with Objects and Contracts [Pochuvstvuy klass: uchimsya programmirovat khorosho s obektami i kontraktami]. Moscow, INTUIT, BINOM, 2011, 775 p.
4. Kubekov B. S. Organization and knowledge representation of planned learning based on ontology: Monograph [Organizatsiya i predstavlenie znaniy planiruemogo obucheniya na osnove ontologii: Monografiya]. Almaty, LP-Zhasulan, 2019, 336 p.
