Объектно-ориентированный подход к моделированию транспортных систем

На сегодня одним из условий повышения эффективности управления транспортными системами является внедрение информационных технологий в технологические процессы планирования и управления автомобильным транспортом. Здесь требуется переход от традиционных, привычных методов планирования и управления к таким методам, где применение информационных технологий даст наиболее ощутимый эффект. Одним из вариантов является переход от последовательных технологий оперативного планирования работы подвижного состава к объектно-ориентированным. Действительно, если взять пример одной из наиболее быстро развивающихся сфер экономики — информационных технологий, то здесь резко выросшая потребность в программном обеспечении вызвала переход от методов процедурного написания программного кода к объектно-ориентированному программированию (ООП). Отличительной чертой ООП являются не описание последовательности выполнения операторов, а анализ состояния объекта и выполнение в зависимости от его результата определенных действий.

Объектно-ориентированное моделирование (ООМ) — это метод отождествления сущностей реального мира для понимания и объяснения того, как они взаимодействуют между собой для достижения требуемой цели. Отличительной чертой ООМ, как составной части объектно-ориентированного подхода, является не описание последовательности выполнения действий элементов системы, а анализ состояния каждого элемента, составляющего систему, как объекта, и выполнение в зависимости от его результата определенных действий. При этом такие составляющие ООП, как наследование, инкапсуляция, полиморфизм, классы, методы, события и свойства существенно облегчают тиражирование и модернизацию созданного продукта.

Традиционно в ООМ выделяется три этапа:

• • построение информационной модели, абстрагирование реальных сущностей в терминах объектов и атрибутов (свойств);
• • построение модели состояний для формализации жизненных циклов объектов и отображение этой модели диаграммами и таблицами переходов. Взаимодействие между объектами осуществляется путем передачи сообщений о происходящих с ними событиях;
• • разработка модели процессов, в которой действия в моделях состояний расчленяются на фундаментальные и многократно используемые процессы (методы).

Практика использования объектно-ориентированного подхода в информационных технологиях показала жизнеспособность двух подходов к выполнению ООМ:

• • метода неформального описания, в котором выделяются существительные и глаголы в описании предметной области. Существительные рассматриваются как кандидаты для образования классов, а глаголы — кандидаты в операции над классами;
• • структурного анализа, при котором на основе модели системы, представленной диаграммами потоков данных, выделяются внешние события и объекты, база данных, поток управления, преобразования потока управления. Далее, на основе анализа потока данных и потока управления выделяются классы и методы классов.

Модуль 00 М должен являться составной частью транспортной системы и состоять из двух частей: универсальной, обеспечивающей ввод, представление данных и общее управление режимами ООМ пакета, и функциональной части, содержащей алгоритмы вычислений для конкретной предметной области.

Предметная область ООМ может быть формально описана совокупностью трех множеств:

• • множества данных Х
• • множества функциональных связей (задач, решаемых в ЛС) F
• • множества связей по определению (ограничений) R.

Модуль ООМ должен настраиваться на конкретную предметную область путем определения множеств X_yFwRw подключения соответствующего набора методов (подпрограмм анализа) Л/, как это показано на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Предметная область объектно-ориентированного.

анализа Элементы перечисленных множеств находятся в определенных отношениях между собой. Элемент множества задач F использует элементы множества данных X для передачи с учетом ограничений R аргументов связанному с задачей модулю М. Элементы множества связей либо связывают между собой пары данных, либо описывают некоторый предикат, аргументами которого служат элементы множества данных.

Распространение принципов ООМ на планирование и управление транспортной системой позволяет использовать информацию о состоянии объектов управления на основе анализа событий. В зависимости от этого, инициируя выполнение тех или иных методов, можно изменять процесс функционирования системы, добиваясь оптимальных характеристик ее работы.

Основой ООП является модель наследования, которая позволяет в иерархическом порядке «клонировать» классы, сохраняя общие и одновременно придавая им свои специфические черты. Таким образом, для описания объектов транспортной системы используется та или иная иерархия классов.

Класс — это множество сущностей (объектов), имеющих одинаковое функциональное назначение, структуру и поведение и отличающихся значением параметров. Другими словами, это шаблон, или проект, в котором описаны общие характеристики, определяющие «поведение» объекта, который будет на нем основан. Таким образом, экземпляр класса — это конкретный объект из множества всех объектов того же самого класса с уникальными значениями параметров. Использование экземпляров класса позволяет собирать новую модель из типовых компонентов, подстраивая их каждый раз под конкретные условия функционирования, а также использовать построенную модель в качестве компонента других моделей.

Разбиение реальной или проектируемой системы на компоненты, построение классов, соответствующих этим компонентам, установление связей между компонентами и построение модели из экземпляров классов с учетом существующих связей — это ключевые моменты ООМ.

Принимая в качестве объектов транспортной системы такие понятия, как склад, автопоезд, перегон дороги, контейнер, мы подразумеваем информационную модель физического объекта, которая используется в процессе планирования и оперативного управления транспортной системой. Описание класса формируется с помощью набора событий, свойств и методов, присущих данному классу. В манипулировании этими тремя характеристиками и заключается управление будущими объектами.

Непосредственно для создания объектов используются подклассы. Подкласс — это некий вариант класса или подкласса, на котором он основан. Образование подклассов может носить бесконечный характер, при этом базовый класс будет являться основанием только первого поколения подклассов, а далее следующие будут основываться на уже существующих. В этом случае выделяют родительский класс, который служит основанием для создания соответствующего подкласса, а последний часто называют порожденным классом.

Классификация системы классов приведена на рис. 3.32.

Рис. 3.32. Система классов в ООМ.

Все классы делятся на следующие группы:

• • классы активных объектов, использующихся для моделирования объектов, которые могут генерировать управляющие воздействия в транспортной системе. Эти классы формируют потоки управления, порождающие процессы, развивающиеся во времени и воздействующие на другие объекты;
• • классы пассивных объектов, нс имеющих собственных потоков управления. Экземпляры этих классов могут представлять массивы данных, совокупность алгоритмических операций и т. д.;
• • классы контейнеров, использующихся для моделирования объектов с закрытой сложной структурой типа «черный ящик». Сгенерированные на основе классов контейнеров объекты содержат в себе произвольный набор экземпляров классов, которые обеспечивают требуемую функциональность.

С точки зрения представления объектов в модели все классы делятся еще на две следующие группы:

• • Визуальные классы используются для моделирования объектов, которые могут быть зрительно отображены в модели при ее реализации в виде компьютерной программы. Это терминалы, транспортные средства, груз и т. п.
• • Невизуальные классы позволяют моделировать функциональные объекты, которые должны обеспечивать только выполнение определенных действий. Например, учетная система, система поддержания запасов и т. п.

Использование системы классов при моделировании базируется на схеме, приведенной на рис. 3.33. На основе базовых классов ООМ создается система базовых классов моделируемой транспортной системы с учетом особенностей ее структуры и функционирования. Базовые классы ООМ не могут корректироваться для сохранения универсальности своих характеристик, которая обеспечивает возможность.

Рис. 3.33. Схема формирования структуры классов для моделирования использовать их для любой транспортной системы. На основе базовых классов транспортной системы создается структура подклассов, достаточная для моделирования всех объектов и процессов в транспортной системе. Объекты транспортной системы могут создаваться только на основе подклассов, но не базовых классов транспортной системы.

Характеристики классов, подклассов и, следовательно, созданных на их основе объектов определяются их свойствами. Свойства можно разделить на группы так, как это показано на рис. 3.34:

Рис. 3.34. Деление свойств на группы.

• • Незащищенные свойства могут изменяться во время функционирования транспортной системы. Это может быть остаток топлива в баке транспортного средства, время доставки товара и т. и.
• • Защищенные свойства сохраняют свои значения независимо от изменения условий моделирования, например размеры стандартных контейнеров и поддонов, ограничения грузоподъемности или вместимости транспортного средства и т. д.
• • Свойства могут принимать отдельные числовые значения, такие как производительность крана или вместимость склада.
• • Свойства могут хранить массивы значений, например массив производительностей постов погрузки-разгрузки терминала или массив длин дуг транспортной сети.
• • Свойства могут использоваться только при функционировании объекта — эксплуатационные свойства. Это может быть расход топлива, состав транспортных документов и т. п.
• • Свойства могут использоваться только при разработке объекта — конструктивные. Это могут быть характеристики технологической системы сортировки товаров в распределительном центре и т. д.

Объектно-ориентированный подход позволяет использовать ранее созданные классы для проектирования новых классов, дополняя и видоизменяя отдельные свойства уже разработанных классов. В результате возникает иерархия классов, где новые подклассы автоматически включают в себя данные и функциональность своих предшественников и отражают в своем описании в явном виде только новую информацию. Отношение между классами в такой иерархии называется обобщением. Новые классы обобщают свойства существующих. Механизм, с помощью которого создаются новые подклассы, включающие свойства предшественников, называется наследованием.

Модель наследования предполагает помимо реализации механизма поддержания связи для распространения событий, свойств и методов класса на подклассы еще несколько важных специфических свойств.

Инкапсуляция — возможность объединения связанных фрагментов данных или процессов в отдельный модуль — контейнер. Это дает возможность скрыть внутренние характеристики объекта и использовать принцип создания объекта или их группы как черного ящика. Такой объект будет работать, не раскрывая своей внутренней структуры, обеспечивающей его функциональность. Например, терминал может состоять из нескольких объектов, характеристики которых неизменны для внешней среды. Тогда система управления перевозками имеет доступ только к внешним характеристикам терминала.

Полиморфизм — это возможность обеспечить одинаковую реакцию на различные действия для связанных объектов. Полиморфизм обеспечивает динамическое связывание методов для объектов в процессе управления. Например, при возникновении задержки в движении на определенной дороге команда изменения маршрута движения будет относиться ко всем автомобилям, в маршрут движения которых входит данная дорога.

Набор событий для каждого класса будет характеризовать возможные состояния объекта данного класса. После этого можно определить набор методов, с помощью которых оказывается воздействие на объект. Для типичного процесса транспортной системы пример классов и соответствующий им набор свойств, событий и методов приведен в табл. 3.13. В качестве типичного процесса транспортной системы примем доставку груза потребителям с терминала.

Таблица 3.13

Объектная характеристика типичного процесса транспортной системы

Если спроецировать принципы ООМ на технологию оперативного планирования перевозок, то в первую очередь необходимо выделить классы объектов, которые формируют различные события, характеризующие процесс доставки груза. Пример фрагмента иерархии классов для транспортной системы приведен на рис. 3.35.

При моделировании транспортной системы важной особенностью является отнесение объекта к активным или пассивным. Активные объекты могут самостоятельно генерировать определенный набор событий, например прибытие транспортного средства на терминал. Пассивные объекты в состоянии реагировать только на события, генерируемые извне. Пример разделения объектов транспортной системы на эти две группы приведен на рис. 3.36.

Рис. 3.35. Фрагмент иерархии классов для типичного процесса транспортной системы.

Рис. 3.36. Пример активных и пассивных объектов транспортной системы.

Распространение принципов ООМ на планирование и управление транспортной системой позволяет использовать информацию о состоянии объектов управления на основе анализа событий. В зави;

симости от этого, инициируя выполнение тех или иных методов, можно изменять процесс функционирования системы, добиваясь оптимальных характеристик ее работы. При этом существенные потери времени, связанные с последовательной технологией выполнения процесса в транспортной системе, могут быть сокращены за счет параллельного выполнения методов для различных объектов или группы объектов.

Например, для каждого объекта набор методов можно объединить в четыре группы:

• • планирование и (или) подготовка объекта к выполнению каких-либо действий;
• • выполнение действия;
• • проверка завершенности действия и правильности его выполнения;
• • документальное оформление действия.

В этом случае выполнение методов всех четырех групп составит завершенный цикл функционирования объекга, как это показано на рис. 3.37.

Рис. 3.37. Цикл работы объекта.

Параллельность работы системы обеспечивается за счет того, что методы для связанных объектов выполняются не после завершения цикла работы каждого объекта, а могут инициироваться определенными событиями. Схематично это показано на рис. 3.38. Реализация предложенного подхода может быть осуществлена с помощью уже сегодня доступных для автоперевозчиков средств телематики.

Рис. 3.38. Пример схемы планирования и управления доставкой груза, основанной на принципах ООМ.

Таким образом, использование принципов ООМ обеспечивает:

• • автоматизацию управления внешними бизнес-операциями между различными субъектами транспортной системы;
• • оптимизацию транспортной системы за счет параллельного выполнения отдельных процессов;
• • достоверную информацию о состоянии системы в реальном масштабе времени.