Основы методологии проектирования АИС на основе CASE-технологий

Возрастающая сложность современных автоматизированных систем управления и повышение требовательности к ним обуславливает применение эффективных технологий создания и сопровождения АС в течение всего жизненного цикла. Такие технологии, базирующиеся на методологиях подготовки информационных систем и соответствующих комплексах интегрированных инструментальных средств, а также ориентированные на поддержку полного жизненного цикла АС или его основных этапов, получили название CASE-технологий и CASE-средств. Для успешной реализации проекта АС должны быть построены полные и непротиворечивые функциональные и информационные модели системы управления. Накопленный опыт проектирования указанных моделей показывает, что это логически сложная, трудоемкая и длительная по времени работа, требующая высокой квалификации участвующих в ней специалистов. Однако во многих случаях проектирование АС выполняется в основном на интуитивном уровне с применением неформальных методов, основанных на искусстве, практическом опыте и экспертных оценках. Кроме того, в процессе создания и функционирования АС информационные потребности пользователей могут изменяться или уточняться, что еще более усложняет разработку и сопровождение автоматизированных систем управления. От перечисленных недостатков в наибольшей степени свободны подходы, основанные на программно-технических средствах специального класса — CASE-средствах, реализующих CASE-технологии создания и сопровождения АС.

Под термином CASE (Computer Aided Software Engineering) понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения АС, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного программного обеспечения и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. CASE-средства вместе с системным программным обеспечением и техническими средствами образуют полную среду разработки АС.

Одним из базовых понятий методологии проектирования АС является понятие жизненного цикла ее программного обеспечения (ЖЦ ПО).

ЖЦ ПО — это непрерывный процесс, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания ПО АС и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации Структура ЖЦ ПО базируется на трех группах процессов: основные процессы ЖЦ ПО (приобретение, поставка, разработка, эксплуатация, сопровождение); вспомогательные процессы, обеспечивающие выполнение основных процессов (документирование, управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, оценка, аудит, решение проблем); организационные процессы (управление проектами, создание инфраструктуры проекта, определение, оценка и улучшение самого ЖЦ, обучение). Разработка охватывает все работы по созданию ПО и его компонентов (анализ, проектирование и программирование) в соответствии с заданными требованиями, включая оформление проектной и эксплуатационной документации, подготовку материалов, необходимых для проверки работоспособности и качества программных проектов, материалов, необходимых для организации обучения персонала, и т. д. Эксплуатация включает в себя работы по внедрению компонентов ПО (конфигурирование базы данных и рабочих мест пользователей, обеспечение эксплуатационной документацией, проведение обучения персонала и др.), локализация проблем, возникающих при эксплуатации с устранением причин их возникновения, модификацию ПО в рамках установленного регламента, подготовку предложений по совершенствованию, развитию и модернизации системы. Каждый процесс характеризуется определенными задачами и методами их решения, исходными данными, полученными на предыдущем этапе, и результатами. Результатами анализа, в частности, являются функциональные модели, информационные модели и соответствующие им диаграммы.

ЖЦ ПО носит итерационный характер: результаты очередного этапа часто вызывают изменения в проектных решениях, выработанных на более ранних этапах.

Известно несколько моделей жизненного цикла программного обеспечения. Под моделью жизненного цикла ПО понимается структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов, действий и задач на протяжении всего цикла. Модель ЖЦ зависит от специфики АС и специфики условий, в которых система создается и функционирует. К настоящему времени наибольшее распространение получили следующие две основные модели ЖЦ: каскадный способ и спиральная модель. Каскадная модель применяется, как правило, для разработки однородных АС, представляющих собой единое целое. Ее основной характеристикой является разбиение всей разработки на этапы, причем переход с одного этапа на следующий происходит только после того, как будет полностью завершена работа на текущем (рис.1). Каждый этап завершается выпуском полного комплекта документации, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков. Преимущества применения каскадного способа заключаются в следующем: на каждом этапе формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованности; выполняемые в логичной последовательности этапы работ позволяют планировать сроки завершения всех работ и соответствующие затраты. Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при построении АС, для которых в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования, с тем чтобы предоставить разработчикам свободу реализовать их технически как можно лучше. В эту категорию попадают сложные расчетные системы, системы реального времени и др. В то же время этот подход обладает рядом недостатков, вызванных прежде всего тем, что реальный процесс создания АС никогда полностью не укладывается в такую жесткую схему, постоянно возникает потребность в возврате к предыдущим этапами уточнении или пересмотре ранее принятых решений.

Такую трансформацию каскадной схемы разработки АС можно рассматривать как «моделирование с промежуточным контролем». Межэтапные корректировки обеспечивают большую надежность каскадной модели, хотя и увеличивают весь период разработки. Основным недостатком каскадного подхода является существенное запаздывание с получением результатов. Согласование результатов с пользователями производится только в точках, планируемых после завершения каждого этапа работ, требования к АС «заморожены» в виде технического задания на все время ее создания. Таким образом, пользователи могут вносить свои замечания только после того, как работа над системой будет полностью завершена. В случае неточного изложения требований или их изменения в течение длительного периода создания АС пользователи получают систему, не удовлетворяющую их потребностям. Модели (как функциональные, так и информационные) автоматизируемого объекта могут устареть одновременно с их утверждением. От перечисленных недостатков свободна спиральная модель разработки АС (рис. 1.2.3), в которой делается упор на начальные этапы ЖЦ: анализ и проектирование. На этих этапах реализуемость технических решений проверяется путем создания прототипов. Каждый виток спирали соответствует созданию фрагмента или версии ПО, на нем уточняются цели и характеристики проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка спирали. Таким образом, углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта и в результате выбирается обоснованный вариант, который доводится до реализации. Разработка итерациями отражает объективно существующий спиральный цикл создания автоматизированной системы. Неполное завершение работ на каждом этапе позволяет переходить на следующий этап, не дожидаясь полного завершения работы на текущем. При итеративном способе разработки недостающую работу можно будет выполнить на следующей итерации. Главная же задача — как можно быстрее показать пользователям АС работоспособный продукт, тем самым активизируя процесс уточнения и дополнения требований. Основная проблема спирального цикла — определение момента перехода на следующий этап. Для ее решения необходимо ввести временные ограничения на каждый из этапов жизненного цикла. Переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа закончена. План составляется на основе статистических данных, полученных в предыдущих проектах, и личного опыта разработчиков АС. В рамках спиральной модели ЖЦ широкое распространение получил один из подходов к разработке ПО, известный как методология быстрой разработки приложений RAD (Rapid Application Development). Эта методология включает в себя три составляющие: небольшая команда программистов (от 2 до 10 человек); короткий, но тщательно проработанный производственный график (от 2 до 6 мес.); повторяющийся цикл, при котором разработчики по мере того, как приложение начинает обретать форму, запрашивают и реализуют в продукте требования, полученные через взаимодействие с заказчиком. Команда разработчиков должна представлять собой группу профессионалов, имеющих опыт в анализе, проектировании, генерации кода и тестировании ПО с использованием CASE-средств, способных хорошо взаимодействовать с конечными пользователями и трансформировать их предложения в рабочие прототипы. Жизненный цикл ПО в соответствии с методологией RAD состоит из четырех фаз: анализа и планирования требований; проектирования; построения; внедрения.

На фазе анализа и планирования требований пользователи АС определяют функции, которые она должна выполнять, выделяют наиболее приоритетные из них, требующие проработки в первую очередь, описывают информационные потребности. Формулирование требований к АС осуществляется в основном силами пользователей под руководством специалистов-разработчиков. Ограничивается масштаб проекта АС, устанавливаются временные рамки для каждой из последующих фаз. Кроме того, определяется сама возможность реализации проекта в заданных размерах финансирования, на имеющихся аппаратных средствах и т. д. Результатом этого этапа должен быть список расставленных по приоритету функций будущей АС, а также предварительные функциональные модели АС.

На этапе проектирования часть пользователей принимает участие в техническом проектировании системы под руководством специалистов-разработчиков. CASE-средства используются для быстрого получения работающих прототипов приложений. Пользователи, непосредственно взаимодействуя с ними, уточняют и дополняют требования к системе, которые не были выявлены на предыдущей фазе. Более подробно рассматриваются процессы системы. Анализируется и при необходимости корректируется функциональная модель. Каждый процесс рассматривается детально. При необходимости для элементарного процесса создается частичный прототип: экран, диалог, отчет, устраняющий неясности или неоднозначности. Устанавливаются требования разграничения доступа к данным. На этой же фазе происходит определение необходимой документации. После детального определения состава процессов оценивается количество функциональных элементов разрабатываемой системы и принимается решение о разделении АС на подсистемы, поддающиеся реализации одной командой разработчиков за приемлемое для RAD-проектов время (60 — 90 дней). С использованием CASE-средств проект АС распределяется между различными командами (делится функциональная модель). Результатом данного этапа должны быть: общая информационная модель системы; функциональные модели системы в целом и подсистем, реализуемых отдельными командами разработчиков; точно определенные с помощью CASE-средств интерфейсы между автономно разрабатываемыми подсистемами; построенные прототипы экранов, отчетов, диалогов. Все модели и прототипы должны быть получены с применением тех CASE-средств, которые будут использоваться в дальнейшем при построении системы. Данное требование вызвано тем, что в традиционном подходе при передаче информации о проекте с этапа на этап нередко происходит неконтролируемое искажение данных. Применение единой среды хранения данных о проекте позволяет этого избежать. В отличие от обычных подходов, при которых используются специфические средства прототипирования, не предназначенные для построения реальных приложений, а прототипы выбрасываются после устранения неясностей в проекте АС, в подходе RAD каждый прототип передается будущей системе. Таким образом, на следующую фазу передается более полная и полезная информация.

На этапе построения осуществляется непосредственно сама быстрая подготовка приложения. При этом разработчики выполняют итеративное построение реальной АСУ на основе полученных в предыдущей фазе моделей, а также требований нефункционального характера. Программный код частично формируется CASE-средствами автоматически. Конечные пользователи на этой фазе оценивают получаемые результаты и вносят коррективы, если в процессе разработки система перестает удовлетворять указанным ранее требованиям. Тестирование автоматизированной системы осуществляется в процессе разработки. После окончания работ каждой отдельной команды разработчиков производится постепенная интеграция данной части системы с остальными, формируется полный программный код, выполняется тестирование совместной работы данной части приложения, а затем тестирование АС в целом. Завершается физическое проектирование АС, включающее: определение необходимости распределения данных; анализ использования данных; физическое проектирование базы данных; определение требований к аппаратным ресурсам и способов увеличения производительности, завершение разработки документации проекта. Результатом данного этапа является готовая автоматизированная система, удовлетворяющая всем согласованным требованиям.

На фазе внедрения АС производится обучение пользователей и вносятся организационные изменения. Для этого этапа характерно то, что одновременно с внедрением новой АС осуществляется работа с существующей системой управления до полного внедрения новой. Так как фаза построения достаточно непродолжительна, планирование и подготовка к внедрению должны начинаться заранее, как правило, на этапе проектирования системы. Приведенная схема разработки АС не является окончательной. Возможны различные варианты, зависящие, например, от начальных условий, в которых ведется создание АС: а) разрабатывается совершенно новая система; б) было проведено обследование предприятия и существует модель его деятельности; в) на предприятии уже существует АС, которая может быть использована в качестве начального прототипа или должна быть интегрирована с вновь разрабатываемой системой управления.