CC BY
113
ИННОВАЦИИ № 5 (151), 2011
Разработка информационных систем инновационного промышленного предприятия на основе унифицированного модульного подхода
М. М. Батова,
координатор, отдел аспирантуры, ФГБОУ ВПО Российская Академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации e-mail: batova m [email protected]
Е. Е. Ковшов,
д. т. н., профессор, зав. кафедрой, кафедра управления и информатики в технических системах, факультет информационных технологий и систем управления, ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» e-mail: [email protected]
О. С. Смирнов,
магистрант, кафедра управления и информатики в технических системах, факультет информационных технологий и систем управления, ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются особенности построения информационных систем инновационного промышленного предприятия. Освещаются основные проблемы, связанные с разработкой современных прикладных автоматизированных информационных систем, а также приводится метод реализации сколь угодно сложных систем, позволяющий оценить состояние разработки системы в целом, а также от-
дельных ее составляющих, снижать трудоемкость и ускорять разработку всей системы в целом. Такой метод позволяет решить задачу совместимости вычислительных, телекоммуникационных и информационных устройств для предприятий, сталкивающихся с проблемой разнородности программируемых сред, реализуемых в конкретных вычислительных устройствахи системах.
Ключевые слова: инновационный менеджмент, информационные системы, унифицированный модульный подход, надежность систем, эффективные методы разработки.
В условиях обострения конкурентной борьбы на глобальных рынках основой устойчивого развития промышленного предприятия становится инновационная деятельность. Эта деятельность в первую очередь связана с формированием так называемых технологических инноваций, включающих в себя новые продукты (продуктовые инновации) и новые технологии производства этих продуктов (процессные инновации). Технологические инновации создаются в результате выполнения промышленным предприятием совокупности научных исследований, включая, как фундаментальные, так и прикладные научно-исследовательские работы.
Однако создание и использование промышленным предприятием технологических инноваций не обеспечит должного экономического эффекта, если на предприятии не будет существовать совокупность инноваций, объединенная в единую систему. Кроме технологических инноваций эта совокупность должна охватывать марке-
тинговые инновации (обеспечивающие эффективность продвижения продукции и услуг промышленного предприятия потребителям), организационно-управленческие инновации (обеспечивающие эффективность организации и управления различными бизнес-процессами промышленного предприятия).
Наличие у промышленного предприятия совокупности инноваций позволяет отнести его к разряду инновационных предприятий. Инновационные предприятия, как правило, являются высокотехнологичными предприятиями, так как, формируя результаты инновационной деятельности, используют современное высокоавтоматизированное технологическое оборудование и выпускают наукоемкую продукцию с высокой долей затрат интеллектуального труда. Для таких предприятий важно наличие системы управления инновациями, которые становятся важнейшим инструментом эффективной реализации конкурентной стратегии промышленного предприятия.
В современных условиях управление процессами создания и использования инноваций невозможно без разработки информационных систем. Процессы информатизации, приводя к формированию новой информационной инфраструктуры, которая связана с новым типом общественных отношений, с новой реальностью, с новыми информационными технологиями различных видов деятельности. Сердцевиной современных информационных технологий являются автоматизированные информационные системы (АИС) и прикладные автоматизированные информационные системы (ПАИС), создание, функционирование и использование которых привело к возникновению специфических понятий, категорий, приемов и навыков. С точки зрения инновационной деятельности создание информационных систем приводит к формированию в структуре имущественного потенциала промышленного предприятия интеллектуальных активов, а эффективное использование этих систем приводит к росту фундаментальной и рыночной стоимости предприятия.
Разнообразные информационные системы (ИС) прочно вошли в жизнь современного человека и охватывают многие сферы человеческой деятельности. Сегодня уже трудно найти организацию, в которой нет информационной системы. В большинстве организаций информационные системы заняли важное место в работе персонала, а в ряде организаций информационные системы являются основой их деятельности.
Последние тенденции в развитии АИС и ПАИС, проявляют признаки конвергенции фактографического и документального направления, что предопределяет изучение предметной сферы АИС и ПАИС в рамках единой идеологии и единых подходов.
Массовая компьютеризация и персонализация компьютерной техники, внедрение АИС в деятельность не только крупных, средних, но и мелких предприятий требует большого количества квалифицированных специалистов в данной области. В результате, в сферу разработки и эксплуатации АИС и ПАИС приходит большой отряд специалистов из смежных областей, прежде всего разработчиков программного обеспечения. Во многих случаях специалисты данной категории слабо или вовсе не представляют системологических основ АИС, а также многих других аспектов предназначения и функций автоматизированных информационных систем. Подобный технократический подход не может обеспечить должный уровень, качество и эффективность разрабатываемых АИС.
Обеспечение постоянной бесперебойной работы информационной системы — не простая задача, так как современные ИС состоят из огромного числа аппаратных и программных компонентов, от работоспособности которых зависит работа всей ИС. Чаще всего в ИС можно выделить программные и аппаратные компоненты, а также компоненты, которые обеспечивают работу ИС (помещение, линии связи, линии электрического обеспечения и т. д.). Каждая ИС требует своего особого, уникального подхода к обеспечению высокого уровня надежности и доступности. Стоит уделить особое внимание проблемам надежности и эффективным методам разработки раз-
личных программных компонентов прикладных информационных систем, от которых в большей степени зависит их качество, должный уровень, эффективность и надежность разрабатываемых ИС.
Проблема надежности программных компонентов ИС приобрела в последние годы особое значение в связи с появлением больших и сложных систем, аппаратного оборудования, программного обеспечения и использованием вычислительных машин в качестве средства управления жизненно важными и ответственными функциями в реальном масштабе времени. Необнаруженные ошибки могут явиться причиной отказов системы, последствия которых могут оказаться катастрофическими, и, в то же время, масштабы и сложность систем настолько возросли, что процесс отладки программ становится все более трудоемким.
Для прогнозирования надежности используемых программных компонентов и программного обеспечения в целом могут применяться различные модели надежности, в которых используется информация о числе ошибок, устраненных в процессе разработки программных компонентов и средств. На основе такой информации определяются параметры модели, которая может затем использоваться для прогнозирования ожидаемого числа ошибок или некоторого другого показателя надежности.
Высокие показатели качества, новые требуемые свойства современных машин и агрегатов в различных областях машиностроения обусловливают применение прецизионных узлов и деталей. При этом необходимо отметить расширение номенклатуры изделий из специальных труднообрабатываемых сплавов и материалов, механообработка которых имеет специфические особенности. В таком сочетании задач технологические процессы автоматизированных производств должны быть обеспечены оборудованием высокого класса точности и с высокой стабильностью характеристик функционирования. На эти задачи направлены работы по совершенствованию конструкции оборудования и перспективные работы по использованию современных информационных технологий, а именно использование ПАИС, обеспечивающих диагностирование, идентификацию состояния и оптимизацию режимов функционирования, в том числе на основе искусственного интеллекта.
Разрабатываемые и эксплуатируемые в настоящее время ПАИС способны решать различного рода сложные задачи в машиностроении, такие как определение параметров качества детали в механообработке, а именно:
• оценка качества и определение оптимальной настройки технологического объекта в реальном времени;
• косвенная оценка качества по относительным колебаниям инструмента и детали, регистрируемыми пъезоакселерометрами;
• распознавание качества формообразования и т. д. За многие годы исследований в этом направлении
получены положительные результаты, но внедрение их в автоматизированном производстве требует дальнейших научных исследований в рамках предлагаемых информационных технологий. Одной из актуальных
ИННОВАЦИИ № 5 (151), 2011
ИННОВАЦИИ № 5 (151), 2011
задач повышения точности металлообработки, находящейся в контексте сертификации, является получение достоверной оценки качества и надежности станков на этапе приемо-сдаточных испытаний. Для этого создаются гибкие автоматизированные информационные системы и комплексы с применением ЭВМ, которые позволяют в условиях действующего производства оценить техническое состояние станка по обобщенному технологическому критерию и способны выполнять множество конкретных операций:
• измерять в автоматическом режиме выходные характеристики точности станков в виде параметров точности траекторий движения их основных формообразующих узлов;
• регистрировать характеристики и параметры формообразующих узлов: параметры точности траекторий опорных точек узлов, характеристики точности их взаимного расположения, кинематические и силовые параметры, тепловые характеристики, характеристики износа и т. д.;
• осуществлять цифровую фильтрацию входных сигналов;
• производить статистическую обработку результатов испытаний;
• осуществлять оценку точности и параметрической надежности испытуемых узлов станка.
Среди первоочередных задач, которые требуют решения для успешной практической реализации этих систем, находятся задачи разработки математических моделей, алгоритмов и программ для оценки и прогнозирования таких выходных характеристик станков, как параметры точности, показатели надежности, динамические, тепловые, кинематические и другие характеристики. Целесообразность внедрения подобных систем диктуется и тем обстоятельством, что в современном машиностроении 70-80% объема выпускаемой продукции приходится на многономенклатурные и мелкосерийные производства.
Приступая к разработке каждой ПАИС, следует иметь в виду, что она, как правило, является большой и сложной системой, поэтому необходимо предпринимать меры для ее упрощения и выделения частей, которые называются программными модулями. Программный модуль — это любой фрагмент описания процесса, оформляемый как самостоятельный программный продукт, пригодный для использования в описаниях процесса. Как правило, модуль состоит из интерфейсной части и части-реализации. Каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных ПАИС, если выполнены условия его использования, декларированные в документации по этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться как средство борьбы со сложностью программ, и как средство борьбы с дублированием, т. е. как средство накопления и многократного использования знаний.
Использование различных программных модулей не всегда способствует упрощению ПАИС. Для оценки приемлемости выделенного модуля используются некоторые критерии, а именно:
• размер модуля;
• прочность модуля;
• сцепление с другими модулями;
• рутинность модуля.
В качестве модульной структуры ПАИС принято использовать древовидную структуру, включая деревья со сросшимися ветвями. В узлах такого дерева размещаются программные модули, а направленные дуги показывают статическую подчиненность модулей. Спецификация программного модуля должна содержать:
• спецификацию его входов, позволяющую построить на используемом языке программирования синтаксически правильное обращение к нему;
• функциональную спецификацию модуля. Функциональная спецификация модуля описывает семантику функций, выполняемых этим модулем по каждому из его входов.
В настоящее время существует в основном два подхода к созданию ПАИС. При создании прикладных автоматизированных информационных систем относительно небольшого объема преобладает индивидуальный подход, при котором практически не решаются вопросы оптимизации по затратам технических ресурсов ЭВМ. Сопряжение подобного рода ПАИС с другими для решения новых комплексных задач, практически невозможны без личного участия ее разработчиков.
Другой подход к разработке программных систем базируется на представлении программного обеспечения ПАИС как совокупности унифицированных программных модулей, при этом каждый модуль каждой подсистемы решает свою задачу в рамках общей цели системы. Модульная разработка программного обеспечения имеет ряд преимуществ:
• иерархическая декомпозиция целей и задач позволяет упростить связи, описание подпрограммы и упорядоченно распределить усилия разработчиков;
• контроль состояния и хода разработки системы более достоверен, так как отдельные подпрограммы имеют небольшие размеры, их связи и правила построения унифицированы. Это позволяет перераспределить усилия разработчиков в тех или иных ситуациях;
• автоматизация и распараллеливание процессов разработки позволяет упрощать компоненты, снижать трудоемкость и ускорять проектирование всей системы, а также более равномерно распределять ресурсы, необходимые для разработки комплекса и вычислительные средства;
• многократная применимость подпрограмм может существенно сократить общий объем разрабатываемых программ по сравнению с монолитным программированием;
• модернизация комплекса программ облегчается за счет строгой формализации межпрограммного интерфейса, при которой замена некоторого программного модуля на подпрограмму с новыми характеристиками не требует изменения других ранее отлаженных и испытанных модулей;
• обеспечивается расчет временных и других характеристик реализации комплекса программ в реальном масштабе времени.
Анализ преимуществ модульного построения программных систем, а также модульность моделируемых объектов позволяет сделать вывод о перспективности указанного принципа построения программных систем.
Таким образом, модульность — это свойство программного обеспечения, обеспечивающее интеллектуальную возможность создания сколь угодно сложной системы.
Пусть C (х) — функция сложности решения проблемы x, T (х) — функция затрат времени на решение проблемы х. Для двух проблем Pl и p2 из соотношения C (р1) > C (р2) вытекает, что
T (Рі) > T (р2),
(1)
т. е. решение сложной проблемы требует большего времени.
Но из практики решения проблем человеком следует
с ^ + p2) > с о^) + с (Р2),
отсюда с учетом соотношения (1), имеем
Т (Рі+Р2) > Т (Рі) + T ^
(2)
Соотношение (2) является обоснованием модульности, сложную проблему легче решить, разделив ее на управляемые части. Результат, выраженный неравенством (2), имеет важное значение и для модульности ПАИС. Однако в соотношении (2) не учитываются затраты на межмодульный интерфейс, что является существенным фактором при проектировании ПАИС: увеличение количества модулей (и уменьшение их размера) повышает эти затраты (см. рис. 1).
Таким образом, существует оптимальное количество модулей, которое приводит к минимальной стоимости разработки, но в настоящее время не существует метода гарантированного предсказания области минимальной стоимости. Однако оптимальный модуль должен удовлетворять двум критериям:
• снаружи он проще, чем внутри;
• его проще использовать, чем построить.
Во время проектирования и разработки прикладных автоматизированных информационных систем возникает необходимость отслеживать время разработ-
ки 1-го модуля, трудоемкость разработки всей системы в целом и других важных параметров, с помощью которых можно оценить состояние разработки всей прикладной системы, а также отдельных ее составляющих, осуществлять контроль и перераспределение ресурсов, необходимых для разработки ПАИС между разработчиками, снижать трудоемкость и ускорять разработку всей системы в целом.
Исходными данными для постановки и решения такой задачи являются: п — количество модулей системы, m — количество разработчиков или групп разработчиков, t (х) — функция времени разработки модуля x, W = || wi|| — матрица времени разработки г-го модуля.
Время разработки всей системы в целом можно определить исходя из способа организации разработки ИС. Способы организации разработки ИС можно разделить на 3 типа (см. рис. 2):
• последовательный способ (т = 1);
• параллельный способ (т = п);
• последовательно-параллельный способ разработки ИС (п > т > 1).
На рис. 2 проиллюстрированы возможные способы организации разработки ИС в зависимости от количества разработчиков или групп разработчиков т.
Таким образом время разработки всей системы в
целом можно определить из соотношения:
/
п-1
2 кл(г), т =1
г= о г
Т =
п-1 п-2
2 М(0“2 ¿ь(0, П>т> 1
¿-о"о*
тах (кЛ(1У),т=п
і=0...п-і 1
(3)
где ^ — коэффициент, учитывающий сложность разработки г-го модуля, tfr — наименьшая норма времени между каждой г-й парой смежных операций.
При разработке ПАИС необходимо решить задачи оптимизации разработки ПАИС и снижения трудоемкости путем перераспределения усилий разработчиков.
Для того, чтобы решить данные задачи необходимо определить фактическую производительность труда Р и трудоемкость решения задачи 0[:
Рис. 1. Затраты на модульность
Рис. 2. Способы организации разработки ИС
ИННОВАЦИИ № 5 (151), 2011
ИННОВАЦИИ № 5 (151), 2011
Время разработки ¿-го модуля
// \ t (x) — аппроксимация
' \ // VI 1 \ точек диаграммы
r \ 1 \
1 \ 1 \
\ / \ 1
ХУ \
/
//
// V
12345678... п Модули ПС
Рис. 3. Диаграмма хода разработки ПС
P = n/T, (4)
Q = 1/P. (5)
Имея необходимые начальные данные, можно построить диаграмму хода разработки программной системы по каждому из модулей, например:
Для построения диаграммы хода разработки ПС необходимо опытным путем определить значения матрицы W, после чего каждая точка диаграммы будет определяться как значение Wi.
Аппроксимируя точки диаграммы, мы получим функцию t (x) — функцию времени разработки модуля x, описывающую поведение разработки ПС. Исследуя поведение функции t (x) можно определить узкие места в разработке ПАИС.
Для повышения эффективности разработки ПАИС в машиностроении и других областях промышленности необходимо, путем перераспределения усилий разработчиков ИС, свести к минимуму площадь фигуры, ограниченной функцией t (x) и линиями x = 0 и x = n - 1, т. е.
S=f t(x)dx-> min. (6)
В настоящее время существует достаточно большой арсенал способов разработки ПАИС для различных областей промышленности. Однако, используя эти способы, в том числе для разработки больших и сложных инновационных проектов, характеризующихся высоким уровнем неопределенности и риска необходимо применять методы, облегчающие процесс разработки и повышающие его эффективность. Поэтому применение для инновационного промышленного предприятия модульной технологии построения ИС с использованием унифицированных методов разработки и унификации самих программных модулей прикладной ИС позволит решить проблему совместимости вычислительных, телекоммуникационных и информационных устройств. Это особенно актуально для тех инновационных промышленных предприятий, которые в процессе своей деятельности сталкиваются с проблемой разнородности программируемых сред, реализуемых в конкретных вычислительных устройствах и системах. Таким образом, предлагаемый нами метод разработки ИС инновационного промышленного пред-
приятия, в основе которого лежит унифицированный модульный подход, позволяет учесть в процессе проектирования такие факторы, как многообразие операционных систем, различия в разрядности и прочие особенности деятельности предприятия.
Список использованных источников
1. Н. И. Новицкий. Организация и планирование производства: практикум. Мн.: Новое знание, 2004.
2. Н. А. Гайдамакип. Автоматизированные информационные системы, базы и банки данных. Вводный курс: учебное пособие. М.: Гелиос АРВ, 2002.
3. Ф. М. Каррано, Дж. Дж. Причард. Абстракция данных и решение задач на C++. Стены и зеркала/пер. с англ. 3-е изд. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.
4. М. Б. Бровкова. Системы искусственного интеллекта в машиностроении: учебное пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004.
5. О. А. Антамошкин, Ю. А. Нургалеева, А. В. Усачев. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М. Ф. Решетнева. Модели модульной декомпозиции программного обеспечения технологических циклов управления. 2009.
6. А. А. Бушуев. Вестник Пермского университета. Архитектура программного комплекса определения надежности информационной системы. 2010.
7. В. А. Буель, Р. В. Алфимов, А. М. Филатов. Применение платформонезависимой архитектуры как подход к реализации больших систем//Научная сессия МИФИ. Сборник научных трудов. Т. 12: Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии. Секция: Информатика и процессы управления. 2005.
8. Л. Г. Гагарина, Д. В. Киселев, Е. Л.Федотова. Разработка и эксплуатация автоматизированных информационных систем: учебное пособие/под ред. Л. Г. Гагариной. М.: ИД «ФОРУМ», ИНФРА-М, 2007.
9. В. А. Благодатских, В. А. Волнин, К. Ф. Поскакалов. Стандартизация разработки программных средств: учебное пособие/под ред. О. С. Разумова. М.: Финансы и статистика, 2005.
Working out of information systems of the innovative industrial enterprise on the basis of the unified modular approach M. M. Batova, coordinator, Department of a Postgraduate Course, Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration.
E. E. Kovshov, Dr. Sci. Tech., professor, Controlling and Informatics in Technical Systems, Faculty of Information Technologies and Controlling Systems, Moscow State University of Technology «STANKIN».
O. S. Smirnov, a candidate for a master’s degree, Controlling and Informatics in Technical Systems, Faculty of Information Technologies and Controlling Systems, Moscow State University of Technology «STANKIN».
The article discusses the features of information systems innovation of industrial enterprises. Highlights the major problems associated with the development of modern applications of automated information systems, describes methods for implementation of arbitrarily complex systems allowing an assessment the state of development of the whole system and its components, to reduce complexity and accelerate the development of the whole system. This method allows to solve the compatibility task of computing, telecommunications and information devices for companies colliding with the problem of heterogeneity of programmable environments computing devices and systems.
Keywords: innovation management, information systems, unified modular approach, system reliability, effective methods for developing systems.
