ПРИМЕНЕНИЕ ОНТОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ПРОЦЕССУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Набатов Александр Нурович; Веденяпин Игорь Эдуардович; Мухтаров Айрат Радикович

Труды МАИ. Выпуск № 102

http://trudymai.ru/

УДК 004.4

Применение онтологического подхода к процессу проектирования

информационной системы

Набатов А.Н.*, Веденяпин И.Э.**, Мухтаров А.Р.***

Уфимский государственный авиационный технический университет ул. К.Маркса, 12, Уфа, 450008, Россия *e-mail: nbtv@yandex.ru **e-mail: vig@Mgatu.su ***e-mail: mar@Mgatu.su

Аннотация

Рассматриваются вопросы развития корпоративных информационных систем, их проектирования, развития, эксплуатации. Предлагается подход к проектированию связанный с комбинирование известных технологий. Показана принципиальная возможность комбинирования данных подходов на основе общности базовой предметной области.

Ключевые слова: проектирование информационных систем, модель сущность-связь, онтологический подход, XML формат.

Введение

Подавляющее большинство современных предприятий и организаций внедрили и эксплуатируют некоторый набор информационных технологий. Это в первую очередь касается современных высокотехнологических производств,

относящихся к авиационной, машиностроительной или подобной области народного хозяйства. Данный набор разнится от одной организации к другой, но при этом можно выделить ряд общих черт, характерных для всех:

• набор локального программного обеспечения (далее - ПО), который зависит от воззрений руководства, проводимой в организации информационной политики, служебных обязанностей, предпочтений системных администраторов и пользователей (местечковый джентельменский набор);

• набор ПО для корпоративного управления. Касается, как минимум, автоматизации учетной функции (бухгалтерия, кадры). Данный набор может быть развернут как в локальном, так и сетевом варианте;

• набор информационного представления организации в глобальной сети.

Многие организации продвинулись дальше по пути информатизации. Это

определяется прежде всего доступным и эффективным ИТ бюджетом (доступный бюджет - средства, которые организация может потратить на ИТ, эффективный бюджет - средний размер средств, расходуемых организацией в календарный период на ИТ). При этом практически всегда решается задача освоения бюджета развития ИТ с несколькими ограничениями - максимальный (видимый/удобный для отчетности) эффект, минимизация затрат (финансовых, кадровых и других ограниченных ресурсов) и т.д.

Таким образом, возникает эффект «лоскутного» одеяла информатизации: при наличии достаточного бюджета развития ИТ и наличия политической воли руководства организации периодически производится комплексная реконструкция

ИТ сферы - разрабатывается/модернизируется/уточняется ИТ политика организации, которая отражает как знания ИТ специалистов организации, так и общие тенденции развития отрасли; модернизируются частично или полностью элементы ИТ сферы и т.д. Затем процесс повторяется на следующем витке развития.

Конечно, большинство руководителей осознают недостатки данного пути, но при этом не видят другой альтернативы развития при указанных ограничениях ресурсов.

Тем не менее, исследования и практическое использование как старых, но по-прежнему актуальных подходов, так и вновь создаваемых продолжаются в информационной сфере постоянно [14]. Исследования идут по разным направлениям, в том числе развивается математическое, алгоритмическое, сетевое обеспечение, также исследователи разрабатывают новые методологии и технологии в области проектирования и реализации ИТ систем [15, 16, 17, 19]. Мировое сообщество признает ИТ сферу как один из локомотивов развития человечества.

Опорные определения

Для дальнейшего рассмотрения введем ряд ключевых понятий.

В информационных технологиях и компьютерных науках под онтологией подразумевается явное описание множества объектов и связей между ними (концептуализация) [1].

Глоссарий - словарь узкоспециализированных терминов в какой-либо отрасли знаний с толкованием, иногда переводом на другой язык, комментариями и примерами. [2].

К основным относятся процессы, связанные непосредственно с превращением

предметов труда в готовую продукцию [3].

Вспомогательные процессы: перемещение предметов труда, ремонт оборудования, уборка помещений и т. д. Эти виды работ лишь способствуют течению основных процессов, но сами непосредственно в них не участвуют [3].

Общий подход к решению задач создания ИТ систем Как правило, при решении задачи автоматизации некоторой предметной области руководство формулирует общую цель автоматизации, а также, возможно, некоторые реперные точки/характеристики. ИТ специалист либо подбирает из множества существующих, либо создает некоторое решение в соответствии с данными граничными условиями, фактически реализуя верхнюю ветвь модели, представленной на рисунке 1. Затем в процессе тестирования, опытной и промышленной эксплуатации уточняются характеристики/параметры/элементы, которые можно изменить или настроить. Этот процесс протекает итерационно до достижения результата, устраивающего участников процесса.

Данный путь считается каноническим, но обладает ключевым недостатком -невысокой скоростью достижения конечного результата. Современные исследования направлены на преодоление данного недостатка. Одним из методов является применение онтологического подхода к процессу проектирования или анализа ИТ решений (см. рис.1) [5, 6].

Онтологическое представление организации Если исходить из того, что все деловые функции сотрудник/управленец осуществляет на своем рабочем месте, то можно представить организацию в целом как совокупность рабочих мест.

Сравнение и анализ

Рис. 1. Онтология как средство исследования Рабочее место как онтологический граф представлено на рис. 2. Данное рабочее место представляется по управляющему персоналу производств в машиностроении, в частности аэрокосмическом кластере АО ОДК [4, 5, 7, 9, 12].

Рис. 2. Онтология рабочего места

Совокупность всех сетевых оборудований дает вычислительную сеть

организации, совокупность должностей с наложенной на нее структурной сетью

(подразделениями) дает оргструктуру, обязанностей - функциональную модель организации, задач - процессную модель и т.д.

Таким образом, рабочее место можно представить, как вектор состояния:

РМ = Р{С1,Л1,О^СВрм}, (1)

где, соответственно,

С = р1{п)'Д)},

= Р2{Ак,ОЛк), О1 = Р3{ОО,, ВТ,},

(2)

(3)

(4)

где Сi - 1-ый сотрудник, Лi - 1-ая локация, Оi - 1-ый набор оборудования, £ СВрм -совокупность связей рабочего места, Ц - ,-ый человек/гражданин, Дj - ,-ая должность, Ак -к-ый адрес, ОЛк -к-ое обеспечение локации, ОО1 - 1-ый набор офисного оборудования, ВТ1 - 1-ый набор вычислительной техники.

Рис.3 Онтология задач Рабочие места, выделенные для сотрудников необходимы им для выполнения задач выполняемых в рамках своих служебных обязанностей. Аналогично онтологии рабочих мест можно привести онтологию задач (см. рис. 3) [6, 9, 11].

Представленная онтология выполнена на примере авиационного вуза, ключевой задачей которого является подготовка инженерно-научных кадров для авиационной промышленности. [13]

Для задач можно представить вектор состояния:

Ц = Р4{0Пр,ВПр,£СВц}, (5)

где, соответственно,

0Пр = Р5{3Ч}, (6)

ВПр = Р5'{3ц}, (7)

3Ч = Р6{ФГ,ВГ,НМГ,ТГ,КГ,МГ), (8)

где ОПр - p-ый основной процесс, ВПр - p-ый вспомогательный процесс, £ СВц -совокупность связей целей, Зq - q-ая задача, З^ - q'-ая задача, Фг - г-ый финансовый ресурс, Вг - г-ый временной ресурс, НМг - г-ый нематериальный ресурс, Тг - г-ый технический ресурс, Кг - г-ый кадровый ресурс, Мг - г-ый материальный ресурс.

Необходимо уточнить, что при рассмотрении онтологических представлений реальной области были сделаны некоторые допущения:

• некоторая идеализация ситуации: все, что должно работать - работает штатно;

• все неизвестные/неопределенные/независимые параметры установлены на экстремум (локальный или глобальный);

• человека, участвующего во вспомогательных процессах, можно воспринимать как идеальный автомат;

• следствием из предыдущего тезиса является то, что все решения лица, принимающего решения по вспомогательным процессам, всегда правильны и идеальны.

В частности, вспомогательные процессы можно рассматривать как идеальные, т.е. выполняемые за оптимальное время, с минимальным расходом ресурсов (т.е. ресурсы, потребляемые вспомогательными процессами незначительны, и ими можно пренебречь)

Объединяя приведенные онтологии в одну получаем онтологию (онтологическую модель) организации, представленную на рисунке 4.

Объединение онтологий ведет не только к линейному росту (за счет увеличения количества классов), но и к усложнению структуры связей [4].

Таким образом,

РМЦ = Р'{С, Л, О,, ОПр, ВПр, £ СВрмц}, (9)

где О - 1-ый сотрудник, Лi - 1-ая локация, Оi - 1-ый набор оборудования, ОПр - р-ый основной процесс, ВПр - р-ый вспомогательный процесс, £ СВрмц -совокупность связей совмещенной онтологии.

При этом:

^ СВрмц * ^ СВрм + ^ СВц (10)

По мере исследования предметной области и формирования представления о ней, у исследователей формируется множество разнообразных моделей, отвечающих на разнообразные вопросы, такие как:

Рис. 4. Совмещенная онтология задач и рабочих мест

какие понятия, сущности используются в данной предметной области; какие документы сопровождают процессы в данной предметной области; какие информационные потоки характеризуют перемещение информации в данной предметной области;

какие процессы и функции в данной предметной области протекают;

• как можно их улучшить, повысить качество;

• какие математические зависимости можно использовать для описания данной предметной области или отдельных процессов или явлений;

• и т.д.

Исследователи стремятся согласовать тезаурус/глоссарий как между собой, так и в разных моделях для получения согласованного и общепризнанного представления.

Инструментальным средством работы с онтологиями был выбран программный продукт Protégé ver.5.2.0 разработки Stanford Center for Biomedical Informatics Research. Данное средство позволяет представлять онтологию как в виде графического дерева, так и в виде файла в формате OWL/XML (см. рис. 5).

Для реализации информационной системы необходима база данных адекватно представляющая информацию о предметной области (верхняя ветвь рис. 1). Одной из наиболее популярных нотаций для описания баз данных является модель сущность связь (ER-модель) [10, 11]. С помощь типового ER моделирования можно получить как логическое представление о структуре информации в некоторой предметной области, так и физическую структуру базы данных реализуемой при помощи конкретной СУБД. Затем классическую ER-модель, полученную с помощью программного продукта AllFusion ERwin Data Modeler, экспортируем в XML Shemal.0 (W3C XSD) вид и получаем результат в формате XML (см.рис.6) [11].

Файл Правка Формат Вид Справка

</Declaration> <Declaration>

Рис. 5. Совмещенная онтология в формате OWL/XML

Файл Правка Формат Вид Справка

|<?xml version=" 1.0" encoding="utf-8"?>

<!■■ This file was generated by W3C XML/XSD Export Model Bridge from Meta Integration Technology, Inc. (MITI) --> <xs:schema xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns=""> <xs: complex Type пате="Адрес_3">

<xs: attribute пате="Ш_Адреса" us e="required" type="xs:integer"> </xs: attribute >

<xs: attribute пате="Адрес">

<xs:simpleType>

<xs:restriction base="xs:string">

<xs:maxLength value="20" />

</xs:restriction>

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

</xs:simpleType>

</xs: attribute >

<xs:attribute пате="Ш_Локации" use="required" type="xs:integer">

</xs:attribute>

</xs: complex Type>

<х5:сотр1ехТурепате="АппараитноеОбеспечение_8">

<xs: attribute пате="Ю_АппараитноеОбеспечения" use="required" type="xs:integer"> </xs: attribute >

<xs: attribute пате="АппараитноеОбеспечение">

<xs:simpleType>

<xs:restriction base="xs:string">

<xs:maxLength value="20" />

</xs:restriction>

</xs:simpleType>

</xs: attribute >

<xs: attribute name="ID_BT" use="required" type="xs:integer"> </xs: attribute > </xs: complex Type>

<xs: complex Type пате="Временные_27"> <xs: complexContent>

Рис. 6. Экспортированная в формат XML ER-модель задач и рабочих мест

Результаты моделирования как с помощью онтологического подхода, так и

классического ERD подхода представленные на рис.5 и 6. в виде XML файлов.

Несмотря на то, что данные XML файлы имеют различную внутреннюю структуру,

получены в результате моделирования одной и той же предметной области и,

следовательно, опираются на один и тот же глоссарий [19, 20]. Таким образом, они сравнимы и результаты сравнения могут улучшить модели как онтологическую, так и ERD модель, в зависимости от поставленной перед сравнением задачи. Также на основе данного подхода можно более точно прогнозировать предлагаемые изменения, которые возникают при модернизации информационной системы, предназначенной для работы в данной предметной области.

Выводы

Использование онтологий предметной области и целей автоматизации совместно с единым глоссарием в сочетании с каноническим подходом к проектированию ИТ решений позволяет решить задачу ускорения разработки совместно с задачей повышения ее качества, что является актуальным для промышленной революции «Индустрия 4.0», позволяя высокотехнологичным секторам экономики, таким как самолето-, авиадвигателе- и машиностроению быть на уровне передового мирового развития.

Данное ускорение разработки достигается за счет представления обеих результатов моделирования в формате XML с последующим сравнением с использованием методов кластерного анализа, а также семантического сравнения.

Библиографический список

1. Ontology: Its Role in Modern Philosophy. 2018. URL: https://www. ontology. co/

2. Академик. URL: https: //dic. academic. ru/dic. nsf/ruwiki/226446

3. Осипова Г.И., Миронова Г.В. Экономика и организация производства. - М.: МГУП, 2003. - 322 с.

4. OWL Web Ontology Language guide. W3C working draft. W3 Consortium, 2003. URL: http://www.w3.org/TR/2003/WD-owl-guide-20030331/

5. Dietz J. Enterprise Ontology: Theory and Methodology, New York, Springer, 2006, 243 p.

6. A. van Renssen. A Generic Extensible Ontological Language: Design and Application of a Universal Data Structure, Delft, Delft University Press, 2005, 238 p.

7. Кудряшова Э.Е. Методы и модели проектирования информационных систем. -М.: Академия естествознания, 2009. - 127 с.

8. Гончар А.Д. Сравнительный анализ баз данных и баз знаний (онтологий) применимо к моделированию сложных процессов // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 5-1 (37). С. 26.

9. Мамажонова Г.Ю. Создание онтологии в программе protégé для компании // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 1 (69). С. 280 - 286.

10. Создание ER-Диаграмм. URL: http://inf-teh-lotos.ru/sozdanie-er-diagramm

11. Аржан Кинжалин. Моделирование баз данных при помощи Erwin. URL: http ://old.ci.ru/inform 12_98/astr 1. htm

12. Горлицына О.А., Вахидова Л.В. Проблема формирования графо-технологической грамотности у будущих специалистов технического профиля // Педагогический журнал Башкортостана. 2016. №6 (67). С. 119 - 132.

13. Медведева И.Н., Мартынюк О.И., Панькова С.В., Соловьева И.О. О подготовке будущих педагогов к профессиональной деятельности по оцениванию

результатов обучения // Вестник Псковского государствен-ного университета. 2016. № 9. С. 234 - 141.

14. Боргест Н.М. Будущее университета: онтологический подход. Часть 2: сущности, мотивация, проектное обучение // Онтология проектирования. 2012. № 1 (3). С. 87 - 105.

15. Кучуганов М.В. Синтез схем баз данных на основе онтологии // Онтология проектирования. 2016. №4 (22). С. 475 - 484.

16. Дудаков Н.С., Макаров К.В., Путято С.А. Модель информационного обеспечения систем управления реального времени при решении задач с широким спектром входных данных // Труды МАИ. 2017. № 94. URL: http: //trudymai .ru/published.php?ID=81135

17. Шмелев В.В. Решение оптимизационной задачи на сетевой модели технологического процесса // Труды МАИ. 2016. № 88. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=70696

18. Заковряшин А.И. Метод количественных оценок технических состояний сложных систем // Труды МАИ. 2014. № 72. URL: http: //trudymai .ru/published.php?ID=47270

19. Казаков И.А., Манцивода А.В. Базы данных как онтологии // Известия Иркутского государственного университета. 2011. Т. 4. № 1. С. 20 - 30.

20. Бабкин Э.А., Князькин В.П., Шиткова М.С. Сравнительный анализ языковых средств, применяемых в методологиях бизнес моделирования // Бизнес-информатика. 2011. № 2 (16). С. 31 - 42.

APPLYING ONTOLOGY APPROACH TO INFORMATION SYSTEM DESIGN

Текст научной работы на тему «ПРИМЕНЕНИЕ ОНТОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ПРОЦЕССУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ»