CC BY
34Б01: 10.24412/С1-37095-2023-1-120-127
Кассу Р., Рубин М.С. Развитие подходов и методов ТРИЗ в ГГ-системах
Аннотация. Более двух десятилетий специалисты по ТРИЗ и разработчики ИТ-систем находятся в поиске эффективного применения методических средств в области разработки программного и аппаратного обеспечения. На сегодняшний день имеется квалифицированное представление о том, когда и каким образом применение инструментов ТРИЗ может быть результативным и принципиально новым. Часто бывает, что такое применение напрямую зависит от постановки задач на бизнес-уровне в ИТ-проектах. В данной работе, с одной стороны обозначены четыре подхода, отличающихся между собой характером взаимодействия ТРИЗ и ИТ-систем, а с другой, выявлены задачи бизнеса и то, в каких условиях могут определенные инструменты быть максимально востребованными сообществом разработчиков в ИТ сфере. Рассмотрены проблематика и потенциал применения ТРИЗ по каждой из основных информационных объектов ИТ-систем (Структуры и диаграммы, интерфейсы, платформы и системы, архитектура аппаратного обеспечения, управление процессами\сетевой тра-фик\большие данные, алгоритмы и семантика). Также, проведено исследование возможностей методологической и инструментальной интеграции со специализированными технологиями в ИТ-системах, аналогичных по своим свойствам с рядом современных инструментов ТРИЗ (функциональный анализ компонентов и процессов, потоковый анализ), чтобы их применение в данной сфере было наиболее продуктивным, позволяло бы развивать и упорядочить творческий потенциал команд, разрабатывающих современные программно-аппаратные решения и системы искусственного интеллекта. В статье также приведены примеры и задачи для лучшего понимания специфики объектов и параметров специалистами из других отраслей. В заключительной части статьи, важность рассмотренных вопросов подкреплена инициативой организационного комитета Саммита Разработчиков ТРИЗ, по формированию исследовательских рабочих групп, в соответствующим ранее выявленным четырем подходами взаимодействия ТРИЗ и ИТ-систем.
Ключевые слова: аппаратное обеспечение, изобретательская задача, инструментальные средства, информация, информационные технологии (ИТ), ИТ-система, законы развития, картотека изобретений, методология, методы, модели, объект, технологии, прогнозирование, процессы, элепольный анализ.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИТ-СИСТЕМАХ
Информационные системы и технологии (условно именуемы как ИТ-системы) находятся на стыке между наукой о вычислительных системах и бизнесом. Это продукция программного и аппаратного обеспечения, разработанная с помощью научно-инженерных знаний в области математики, электроники, теории информации, инженерии компьютерных систем, комплексов и сетей, с целью реализации информационных средств в области управления бизнесом и систем принятия решений. Задачи и механизмы ИТ-систем состоят в сборе, распространения, обработки, хранения и извлечения информации. Таким образом, данные системы проектируются наукой и технологиями, чтобы применялись в инфраструктуре бизнеса.
Характер развития ИТ-систем, приведен в обзоре эволюционных параметров по классам задач и по росту объема обрабатываемой информации (Таблица 1), который растет в 10 раз быстрее, чем общий вес всей земной цивилизации.
Таблица 1. Этапы эволюции ИТ-систем
■ Before tech. Before computers 1956- 1971 - 1980- 1986- 1995- 2010- 2022-
Носитель, техника Hardware Живая материя. РНК-ДНК, нервная система, социальные связи Человек. сигнальные системы, языки. письменность, документы. библиотеки. Механические и электрические устройства. Электронные лампы, ОЗУ Полупроводник и, магнитные ленты и барабаны, АЦПУ. интегральные схемы, магнитные диски, дисплеи Микропроцессо ры. сети ЭВМ. высокое быстродействие Персональные компьютеры, глобальные сети Мировые сети. распределенные вычисления, хранилища Облачные технологии. Data mining. глобальные хранилища данных
Данные и Аналоговые их сигналы, преобра- соединения синапсов, зование нервнь|е импульсы Data and handling Сигналы, речь. Исходные Символьные символы, числа, данные: числа, данные, ввод соизмерим с маленький параметры обработкой объем, ввод объектов быстрее обработки системы файлов, базы данных и комплексное использование информации. Базы данных. аудио, видео и Данные от Полная копия базы знаний. другие человека реальности: новые типы форматы (речь, жесты, людей, данных (дата. данных изображения предприятий, время и пр.) и др.) и организаций машин
Задачи Размножение. адаптационные Tasks механизмы. защита и нападение, коммуникации и управление Сохранение и обмен информацией, формирование социальных связей Ускорение вычислений Сложные вычисления. построение математических моделей. Управление. АСУ, прикладные программы телекоммуника ции, технология клиент-сервер, виртуальная реальность. мультимедиа Электронные Управление торги и поведением привлечение покупателей и клиентов через клиентов. Интернет М2М. Управление поведением больших социальных групп и государств
Зеттабайты В биосфере Zettbytes 2,6*1015 В технике 0,005 ' ' 0,1 0,2 5 20 100
В таких условиях, количество проблем и задач в ИТ-системах в миллионы раз выше, чем в других технических системах.
Особенность строения ИТ-систем также состоит в наличии большого множества многообразных информационных сущностей (Рис.1).
Рис. 1. а) Компоненты информационных систем, б) Схема управления и принятия решений
Для типовых объектов ИТ-систем (Таблица 2), сформированы ТРИЗ-модели на базе элепольного анализа (Рис. 2).
Таблица 2. Описание типовых объектов ИТ-систем для моделирования в ТРИЗ
I Название I Описание Особенности для ИС I_Примеры_I
Взаимосвязь Два или более компонента связаны между собой теми или иными способами, отношениями Связь между элементами не материальная, информационная База данных. Одна переменная зависит от другой переменной.
Функция (частный вид взаимосвязи) Элемент 1 изменяет другой элемент 2 при помощи поля взаимодействия Поле взаимодействия -информационное Функциональная связь между переменными, данными: формулы, алгоритмы
Процесс (частный вид функции) Элемент 1 видоизменяется при помощи воздействия на него Исходный Элемент 1 может сохраняться Замена букв или цифр, перестановка их местами и пр.
Поток (частный вид процесса) Процесс, в котором параметром изменения элемента является расположение в пространстве Информационный поток всегда имеет материальный поток-носитель, который может не перемещаться в пространстве Перемещение информации в пространстве, телекоммуникация
Хранение, торможение (противоположность процесса) Стабилизация состояния (параметров) элемента во времени Хранение может быть динамичным за счет копий и восстановления данных Хранение данных, восстановление данных
Переход от материальных объектов к информационным Формирование информационного образа объекта при помощи воздействия на него полем или элементом Характерно только для ИС Датчики различных параметров материальных объектов
Переход от информационных систем к материальным Управление материальным объектом на основе информации Характерно только для ИС Исполнительные органы информационных систем
Рис. 2. ТРИЗ-модели типовых объектов ИТ-систем путем элепольного анализа
ПОДХОДЫ К ПРИМЕНЕНИЮ ТРИЗ С ИТ-СИСТЕМАМИ
1-ый подход: Перенос ТРИЗ для развития техники на развитие ИТ-систем [1-14]. По данному направлению необходимо: а) расширить и систематизировать опыт применения инструментов ТРИЗ в ИТ, б) адаптировать законы и инструменты ТРИЗ (элепольный анализ, приемы и матрица противоречий и др.) для применения к ИТ, а также обобщить эти законы и инструменты ТРИЗ для возможности их применения в ИТ.
2-ой подход: Формирование инструментов развития ИТ-систем на базе картотеки изобретений [15-23]. Систематических картотек изобретений в области развития ИТ-систем и их анализа практически нет. В литературе можно найти не более сотни примеров анализа методами ТРИЗ изобретений в этой области. Этого недостаточно для необходимого уровня обобщений, позволяющих выявить новые инструменты решения задач, приемы и линии развития, характерные именно для ИТ-систем. Одним из систематических источников информации об изобретениях в области ИТ, могут патенты на изобретения. Для этого можно выделить несколько классов МПК, ранжировать изобретения этих классов по пяти уровням изобретений, принятым в ТРИЗ и попытаться сделать необходимые обобщения по инструментам решения задач в ИТ. Например, класс МПК G06K - Распознавание данных; представление данных; воспроизведение данных; манипулирование носителями информации; носители информации.
3-ий подход: Применение общих законов развития к ИТ-системам [24-28]. Наиболее полной и инструментальной для использования в ИТ является комплекс законов развития функционально-целевых систем, который, в частности, включает в себя элементы целепола-гания, принятия решения и обратной связи в системах. Для проведения исследований в этом направлении необходимо выполнить анализ применимости предложенного комплекса законов развития функционально-целевых систем к эволюции ИТ-систем и решению изобретательских задач в этой области. Также необходимо собрать и проанализировать информацию об эволюции ИТ-систем для формулировки законов и линий их развития.
4-ый подход: Применение ИТ-систем для развития ТРИЗ и РТВ [29-35]. Рост практики применения ИТ-систем в реализации инструментальной среды ТРИЗ в проектной и консалтинговой деятельности, приводит к росту вариантов и способов сбора, обработки и визуализации данных по анализу и решению изобретательских задач (из разных отраслей). Разработка и использование ИТ-систем с элементами искусственного интеллекта, для обслуживания нужд пользователей по формированию и решению изобретательских и творческих задач, выводит на новый уровень практику выполнения проектной и консалтинговой деятельности по ТРИЗ. Разработка и применение ИТ-систем в задачах обучения и сертификации ТРИЗ помогает масштабировать практику наставничества и онлайн-коучинга.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИТ-СИСТЕМ
Для исследования потенциала применимости и развития инструментальных средств ТРИЗ в ИТ-системах следует провести обзор специализированных технологий в сфере ИТ, имеющие аналогичное назначение и схожие свойства с методами и инструментами ТРИЗ.
Рис. 3. Объекты информационных технологий, имеющие потенциал для применения
инструментов ТРИЗ
Фрагмент такого обзора для объектов ИТ-систем (Рис. 3) приведен в таблице:
Технологии с аналогичными свойствами функционального анализа\ ФСА Технологии с аналогичными свойствами процессного анализа / Функционального анализа процессов Технологии с аналогичными свойствами потокового анализа
(Объекты ИТ: Структуры и диаграммы) Проводится специализированными средствами визуализации объектно- ориентированном программирования (например, ЦМЪ-технологии). Стоимость информационных сущностей не имеет определяющее значение для программного продукта, в отличие от материальных объектов. (Объекты ИТ: Управление процессами) Используются специализированные информационные системы в построении и анализе процессов (например, программы моделирования бизнес-процессов). (Объекты ИТ: Сетевой трафик) Моделирование процессов для нематериальных объектов часто непосредственно связан с анализом информационных потоков, базирующийся на сборе и обработке комплексе статистических данных. Для этих целей могут использоваться параллельно другие специализированные средства (например, анализаторы сетевого трафика, мониторинг и анализ сложных структур данных).
(Объект ИТ: Интерфейсы) Производится специализированными средствами разработки интерфейсов и построения связей между ними (например, технологии интерфейсного дизайна). (Объекты ИТ: Алгоритмы и семантика) Используются специализированные информационные и программные средства (например, Теория автоматов, языки кодирования, блок-схемы, нейронные сети и др.) (Объекты ИТ: Протоколы и стандарты) Система документирования ИТ-систем, опирающейся на организационно-управленческие бизнес-процессы. Процесс документирования имеет некоторые сходства с описанием обоснования решений и концепций в ТРИЗ.
(Объекты ИТ: Платформы и системы) Управление развитием программно-аппаратных платформ и систем проводится специализированными средствами управления архитектурой и взаимодействиями компонентов (например, DMTF технологии) (Объекты ИТ: Большие данные в системах ИИ) Проектирование систем ИИ связано с большими затратами (например, вычислительные мощности), где требуется постоянный контроль и оптимизация потоков данных (в процессорных модулях, в системах хранения, в каналах связи, и т. д.). (алгоритмы маршрутизации)
(Объекты ИТ: Архитектура аппаратного обеспечения) Проектирование топологии взаимодействия компонентов и архитектурной разработки электронных устройств производится специализированными средствами (технологии САПР микросхем)
Далее рассмотрена проблематика и потенциал применения инструментов ТРИЗ при постановке задач в ИТ:
Проблематика Потенциал и задачи применения ТРИЗ
Структуры и диаграммы Терминологическая база функционального моделирования в ТРИЗ отличается от той, что применяется в ООП и имеет дополнительный уровень абстракции для объектов и сущностей, что снижает ее практическую целесообразность. Оценка полезности и вредности функций/взаимодействий между компонентами, может помочь архитекторам и разработчикам ПО оценивать варианты решений. Для этой цели, можно расширить функционал специализированных средств визуализации ООП.
Интерфейсы Функциональное моделирование в ТРИЗ не призвано учитывать потребность в прототипировании интерфейсов, что является главной целью применения таких технологий. Проведение функционального моделирования в дизайне интерфейсов может оказаться наиболее эффективным среди остальных объектов ИТ. Для этой цели можно расширить функционал специализированных средств разработки интерфейсов.
Платформы и системы Моделирование компонентов систем и программно-аппаратных платформ производится в виде текстовых схем и классов (параметрические объекты), что осложняет их визуализацию и внесения новых опций для ФА Для проведения функционального моделирования программно-аппаратных платформ и систем, можно создать специальный режим визуализации объектов, в котором исчезнет избыточная информация для проведения классического функционально-стоимостного анализа
Архитектура аппаратного обеспечения В этих средствах отсутствует функционал для проведения ФСА\ФА, а в программных средствах ТРИЗ ФСА\ФА нет библиотек компонентов и систем электроники. Имеется потребность в расширении функционала САПР для микросхем и аппаратных решений для проведения ФАС\ФА по ТРИЗ
Управление процессами\ Сетевой трафик \большие данные Применение ФА процессов без анализа потоков больших данных, резко ограничивает рамки внедрения. Не разработаны средства принятия решений для оперативной оптимизации процессов. Совмещение средств потокового анализа в реальном режиме времени со средствами функционального анализа процессов, с указанием того как меняется ранжирование функций в динамике.
Алгоритмы и семантика Эволюция языков и средств программирования происходит от возникающих недостатков и вызовов, в зависимости от линий развития вычислительных машин и сетевых технологий, которая характеризуется большими данными и применением средств ИИ, значительно усложняющее задачи прогнозирования. Прогнозирование линий развития вычислительной техники, для определения новых видов и средств программирования. Исследование недостатков систем на проектном уровне.
ПРИМЕРЫ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ ДЛЯ ИТ-СИСТЕМ
Изобретательская задача в ИТ
Постановка изобретательской задачи
(ФА, ПСА, ПА, ФП, и др.)
Решение изобретательской задачи
7
Пример 1: Программный код интерфейса PLC (контроллеры с программируемой логикой) для взаимодействия с человеком должен находиться в устройстве контроллера, чтобы обеспечивать его автономность, но это перегружает его функционал при реализации специализированных отраслевых решений.
Пример 2: Аппаратный интерфейс между сетевыми устройствами внутри систем специального назначения должен выполнять одну главную функцию для надежного обслуживания пользователя, но это приводит к размножению интерфейсов и громоздкости в системах разного назначения.
Пример 3: Интерфейс пользователя смартфона должен информировать пользователя, предугадывая его возможные действия с приложениями, но это может занять много экранного пространства и пользовательского времени. С ростом многозадачности пользования, проблема разработки удобного интерфейса усугубляется.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование совокупного опыта по 4-ем подходам взаимодействия ТРИЗ и ИТ-систем для дальнейшего их развития показало необходимость:
• формирования картотеки решения изобретательских задач для накопления опыта, развития инструментов ТРИЗ для ИТ-систем и практики внедрения ТРИЗ в ИТ.
• исследования потенциал применения ТРИЗ для развития специализированных средств разработки ИТ-систем.
• прогнозирования линий развития вычислительной техники для прогнозирования проблем и недостатков информационных систем.
• чаще использовать ИТ-системы в задачах обучения, наставничества и онлайн ТРИЗ-коучинга для развития и внедрения инструментов ТРИЗ и для развития творческой личности.
• разрабатывать специализированные ИТ-системы с искусственным интеллектом для развития проектной и консалтинговой деятельности по ТРИЗ
По направлению ТРИЗ в ИТ в международной общественной организации Саммита разработчиков ТРИЗ, сформирована рабочая группа для запуска системного развития по 4-ем выявленным подходам взаимодействия специалистов из двух областей. Первоочередной задачей функционирования данной рабочей группы станет формирование картотеки изобретений и решений в ИТ-системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. М.С. Рубин. Основы ТРИЗ. Применение ТРИЗ в программных и информационных системах: Учебное пособие. - Санкт-Петербург, СПбГУ, Математико-механический факультет, Лаборатория системного программирования и информационных технологий (СПРИНТ), 2011. - 226 стр.
2. Толмачев Андрей. Использование принципов ТРИЗ в информационных технологиях на примере MES-системы PROefficient.
3. М.С.Рубин. ФСА в программировании. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума «Функционально-стоимостный анализ в повышении эффективности производства» (г. Рига, 12-14 сентября.1985), Москва 1985 г. стр.143.
4. И. Одинцов, М. Рубин. Опыт применения методов ТРИЗ для повышения эффективности разработки ПО. Конференция «Разработка ПО 2009», Москва, 2009.
5. М. Рубин. И. Одинцов. Повышение эффективности разработки программных продуктов на основе методов ТРИЗ.
6. О. Зиненко. Систематизация и анализ паттернов проектирования на основе стандартов теории решения изобретательских задач. Дипломная работа СПБГУ, 2010.
7. М. Рубин. Семь мыслей о ТРИЗ в программировании и в IT. ТРИЗ-Фест 2012.
8. Kevin C. Rea. Using TRIZ in Computer Science - Concurrency = Использование ТРИЗ в компьютерных науках - решение проблемы распараллеливания программ. 1999.
9. Kevin C. Rea. TRIZ and Software - 40 Principle Analogies, Parts 1 and 2 = ТРИЗ и программный продукт - аналоги 40 изобретательских приемов, части 1 и 2. 2001.
10. А. Захаров. ТРИЗ в программировании и в информационных системах. ТРИЗ-Саммит 2012.
11. М.С.Рубин, В.И.Кияев. Основы ТРИЗ и инновации. Применение ТРИЗ в программных и информационных системах: Учебное пособие -... 2012. - 278 стр.
13. А-Р. Кассу. О применимости инструментария ТРИЗ в сфере информационных технологий. ТРИЗ Фест, 2005.
14. V. Petrov^Using TRIZ tools in IT. TRIZ Summit 2019.
15. Ahmad-Ramez Kassou, SungCheol Kim. The methodological collection of "ITSWT-5C:4E". Metodolog.ru, 29/12/2011.
16. Г. Струсь. Постановка и решение изобретательских задач в программировании на основе методов ТРИЗ. Дипломная работа СПБГУ, 2010.
17. С. Сысоев. Приемы разрешения технических противоречий в применении к задачам ИТ^ООО «ПетроМС» 2010.
18. John W. Stamey. TRIZ and Extreme Programming = ТРИЗ и Экстремальное программирование -основы экстремального программирования, используемые для решения проблем, совпадают с рядом изобретательских принципов в ТРИЗ. 2007.
19. Rob van den Tillaart. TRIZ and Software - 40 Principle Analogies, a sequel = ТРИЗ и программное обеспечение - аналоги 40 изобретательских приемов, продолжение, 2006.
20. Toru NAKAGAWA. Software engineering and TRIZ, 2005.
21. Herman Hartmann et al. Application of TRIZ in Software Development, 2004.
22. Kevin C. Rea. Applying TRIZ to Software Problems, 2002.
23. А-Р. Кассу. Два кейса применения методов ТРИЗ в задачах по ИИ с выводом новых продуктов. ТРИЗ-Саммит, 2020. Презентация доклада.
24. А. Дюсмикеев, А. Курьян, С. Бойко. Изобретательские задачи в IoT. TRIZ Summit 2019.
25. Victor Berdonosova, Tatiana Sychevab. TRIZ-evolution of Programming Systems. TRIZ Future 2011, Dublin, Ireland.
26. А. Понаморева. Разработка информационной системы прогнозирования развития программных продуктов методами ТРИЗ. Дипломная работа СПбГУ, 2010.
27. G. Calas, S. Mankefors-Christiernin, and A. Boklund. A Case Study Evaluation of 11 Hypothetical Software System Evolution Laws, 2005.
28. И. Девойно. Информатизация технических систем Information expansion in engineering systems. ТРИЗ Саммит 2019.
29. I. Padabed. Contradictions and Laws of Evolution in Information Systems. TRIZ Summit 2019.
30. А. Панчишена. Разработка программного продукта для диагностики и развития творческого мышления. Дипломная работа СПбГУ, 2010.
31. Рубин М.С., Одинцов И.О., Пономарева А.В., Зиненко О.И. Прогнозирование развития программного обеспечения на основе ТРИЗ. Методы прогнозирования на основе ТРИЗ. Сборник научных трудов. Библиотека Саммита разработчиков ТРИЗ, выпуск 3. Санкт-Петербург, 2010.
32. М. Рубин, А. Кирдин. АРИЗ-У-2010 - программная реализация. Санкт-Петербург, 2012.
33. А-Р. Кассу. Слепок инновационной задачи как средство ее идентификации, оценки и управления ее эффективностью. Москва, 2020.
34. М. Рубин. ТРИЗ в ИТ, Дискуссия. ТРИЗ-Саммит 2012.
35. М. Рубин, С. Сысоев. Система противоречий в программном комплексе «CompinnoTRIZ». ТРИЗ-Саммит 2019.
36. A-R. Kassou. Architecture and design implementation of innometric_systems. TRIZfest-2021.
