Мелихов А.Ю. Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления
Подождите немного. Документ загружается.
1
ЮГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт прикладной математики, информатики и управления
Кафедра автоматизированных систем обработки информации и
управления
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И
УПРАВЛЕНИЯ
Ханты-Мансийск
2010
2
ББК 32.973.26-02
УДК 004.415.2
П-79
Рецензент:
доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики
Пятков С.Г.
П-79 Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления:
Краткий конспект лекций / Сост. Мелихов А.Ю. – Ханты-Мансийск: Информационно-
издательский центр ЮГУ, 2010. – 132 с.
Краткий конспект лекций по дисциплине “Проектирование автоматизированных
систем
обработки информации и управления” предназначен для студентов высшего профессионального
образования очной формы обучения направлений 230100 – Информатика и вычислительная техника,
010400 – Прикладная математика и информатика и 010200 – Математика и компьютерные науки.
ББК 32.973.26-02
УДК 004.415.2
© Югорский государственный университет, 2010
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6
i. Цель и задачи дисциплины «Проектирование АСОИУ» ............................... 6
ii. Характер междисциплинарных связей дисциплины «Проектирование
АСОИУ» ................................................................................................................... 7
iii. Рекомендуемые литературные источники .................................................... 8
1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ (АС). ТЕРМИНЫ И
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ........................................................................................................ 10
1.1. Определения, термины, классификация АС .............................................. 10
1.1.1. Определение АС. .................................................................................... 10
1.1.2. Функция АС ............................................................................................ 10
1.1.3. Задача АС ................................................................................................ 10
1.1.4. Алгоритм функционирования АС ........................................................ 11
1.1.5. Проектирование АСОИУ ...................................................................... 11
1.1.6. Проект АСОИУ ...................................................................................... 11
1.1.7. Классификации АС ................................................................................ 11
1.1.8. Определение АСОИУ. ........................................................................... 11
1.1.9. Виды структурных схем АС (ГОСТ 24.103-84): ................................. 12
1.2. Компоненты АС ............................................................................................ 12
1.3. Показатели АС .............................................................................................. 13
2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ОБЛАСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ .......................................................................................................... 14
2.1. Понятие жизненного цикла системы .......................................................... 14
2.2. Процесс разработки ...................................................................................... 16
2.2.1. Подготовительная работа ...................................................................... 16
2.2.2. Анализ требований ................................................................................. 16
2.2.3. Проектирование архитектуры ............................................................... 16
2.2.4. Детальное проектирование .................................................................... 17
2.2.5. Кодирование и тестирование ................................................................ 17
2.2.6. Интеграция системы .............................................................................. 17
2.2.7. Установка системы ................................................................................. 18
2.2.8. Приемка системы ................................................................................... 18
2.3. Модели жизненного цикла программного средства ................................. 18
2.3.1. Каскадная модель ................................................................................... 18
2.3.2. Спиральная модель ................................................................................ 19
2.3.2.1. Быстрая разработка приложений .................................................... 19
2.3.3 Унифицированный процесс разработки ПО ....................................... 20
2.4 Вспомогательные процессы жизненного цикла ......................................... 22
2.4.1. Процесс обеспечения качества (quality assurance process) ................. 22
2.4.1.1. Надежность и безопасность ............................................................ 25
2.4.2. Процессы верификации, аттестации и аудита ..................................... 26
2.4.3. Процесс совместной оценки (joint review process) ............................. 26
2.4.4. Процесс разрешения проблем (problem resolution process) ................ 26
4
2.4.5. Процесс документирования и управления конфигурациями ............ 27
2.5. Организационные процессы жизненного цикла ....................................... 28
2.5.1. Процесс создания инфраструктуры ...................................................... 29
2.5.2. Процесс обучения ................................................................................... 29
2.5.3. Процесс усовершенствования ............................................................... 30
2.5.3.1. Модель зрелости возможностей организации ............................... 31
2.5.4. Процесс управления ............................................................................... 31
2.5.4.1. Управление персоналом .................................................................. 31
2.5.4.2. Подготовка плана-графика .............................................................. 33
2.5.4.3. Оценка затрат на создание ПС ........................................................ 34
3. МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ..... 43
3.1. Структурно-функциональная методология ............................................... 43
3.2. Объектно-ориентированная методология .................................................. 45
3.2.1. Введение в унифицированный язык моделирования (UML)............. 46
3.2.2. Синтаксис и семантика основных объектов UML .............................. 47
3.2.2.1. Диаграмма прецедентов использования (Use Case Diagram) ...... 47
3.2.2.2. Диаграммы взаимодействия (Interaction Diagram) ........................ 50
3.2.2.3. Диаграмма деятельности (Activity Diagram) ................................. 54
3.2.2.4. Диаграмма классов (Class Diagram). .............................................. 57
3.2.2.5. Диаграмма компонент (Component Diagram). ............................... 63
3.2.2.6. Диаграмма размещения (Deployment Diagram). ............................ 64
4. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ЖИЗНЕННОГО
ЦИКЛА ....................................................................................................................... 65
5. СБОР И АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ................................................................... 71
5.1. С-требования ................................................................................................. 72
5.2. D-требования ................................................................................................ 74
6. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ АСОИУ ........................................................... 80
6.1. Проектирование архитектуры ..................................................................... 80
6.1.1. Слой предметной области ..................................................................... 81
6.1.2. Слой источника данных ......................................................................... 83
6.1.3. Слой представления ............................................................................... 85
6.1.4. Построение модели предметной области ............................................ 89
6.1.5. Шаблоны (паттерны) проектирования ................................................. 92
6.1.5.1. Шаблон Information Expert .............................................................. 95
6.1.5.2. Шаблон Creator ................................................................................. 96
6.1.5.3. Шаблоны Low Coupling и High Cohesion ....................................... 97
6.1.5.4. Шаблон Controller ............................................................................ 98
6.1.5.5. Шаблоны Polymorphism, Adapter, Factory, Protected Variations,
Singleton ........................................................................................................ 102
6.1.5.6. GoF-паттерны ................................................................................. 107
6.1.6. Распределение по пакетам ................................................................... 113
7. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ........................................................................... 115
8. ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ ..................................................................................... 117
8.1. Организация программных интерфейсов ................................................ 118
8.2. Нотация UML для проектирования баз данных ...................................... 121
5
8.3. Практические аспекты проектирования пользовательского
интерфейса .......................................................................................................... 122
8.3.1. Общие вопросы проектирования пользовательского интерфейса .. 122
8.3.2. Элементы управления пользовательского интерфейса .................... 124
8.3.3. Процесс проектирования пользовательского интерфейса ............... 126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 128
6
ВВЕДЕНИЕ
Все, что хорошо начинается,
кончается плохо. Все, что начинается
плохо, кончается еще хуже.
Закон Паддера
I. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ «ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСОИУ»
Дисциплина «Проектирование автоматизированных систем обработки информации и
управления (АСОИУ)» согласно Государственному образовательному стандарту (ГОС) по
специальности 230102 - Автоматизированные системы обработки информации и управления
входит в состав цикла специальных дисциплин.
В широком смысле под автоматизированной системой обработки информации и
управления (АСОИУ) понимают систему, состоящую из взаимосвязанных и
взаимодействующих в пространстве и во времени вычислительных, алгоритмических
средств, а также средств связи, источников информации с метрологическим
обеспечением, средств управления и отображения, применяемых для получения
продукта заданного качества в определенных условиях эксплуатации с участием
человека. Однако, Государственный образовательный стандарт (ГОС) по специальности
230102 - Автоматизированные системы обработки информации и управления предполагает
рассмотрение в рамках дисциплины «Проектирование АСОИУ» порядок и содержание
этапов создания только лишь программного обеспечения (ПО) АСОИУ.
Индустрия производства программного обеспечения начала зарождаться в середине
50-х годов XIX в., однако почти до конца 60-х ей не уделялось серьезного внимания,
поскольку ее доля в компьютерном бизнесе была слишком мала. В 1970 г. годовой оборот
всех фирм-разработчиков ПО в США не превышал 1/2 млрд долл. — около 3,7% всего
оборота компьютерного бизнеса. Серьезный рост начался в середины 70-х годов XX в.
Сегодня общий объем продаж ПО превышает $100 млрд.
Производство ПО сегодня – крупнейшая отрасль мировой экономики, в которой
занято около трех миллионов специалистов. Еще несколько миллионов человек занимают
рабочие места, напрямую зависящие от благополучия корпоративных информационных
подразделений либо от производителей ПО, таких, как корпорации Microsoft или IBM.
Накопленный к настоящему времени опыт создания систем ПО показывает, что это
логически сложная, трудоемкая и длительная работа, требующая высокой квалификации
участвующих в ней специалистов. Однако до настоящего времени создание таких систем
нередко выполняется на интуитивном уровне с применением неформализованных
методов, основанных на искусстве, практическом опыте и экспертных оценках. Кроме
того, в процессе создания и функционирования ПО потребности пользователей постоянно
изменяются или уточняются, что еще более усложняет разработку и сопровождение таких
систем. В этой связи в 80-х – 90-х годах ХХ века многие исследователи писали о кризисе
разработки ПО. Например, результаты исследований, выполненных в 1995 г. аудиторской
компанией Standish Group, которая проанализировала работу 364 американских корпораций
и итоги выполнения более 23 тыс. проектов, связанных с разработкой ПО, выглядели
следующим образом:
• 52,7% проектов завершились с опозданием, расходы превысили запланированный
бюджет, требуемые функции не были реализованы в полном объеме;
• 31,1% проектов были аннулированы до завершения;
• (бюджет среднего проекта оказался превышенным на 89%, а срок выполнения - на 122%)
• 16,2% завершились в срок, не превысили запланированный бюджет и реализовали все
требуемые функции и возможности.
В 1998 г. процентное соотношение трех перечисленных категорий проектов лишь
немного изменилось в лучшую сторону (46%, 28% и 26%, соответственно).
7
В последние годы процентное соотношение трех перечисленных категорий проектов
также незначительно меняется в лучшую сторону, однако, по оценкам ведущих аналитиков,
это происходит в основном за счет снижения масштаба выполняемых проектов, а не за счет
повышения управляемости и качества проектирования.
Объективная потребность контролировать процесс разработки сложных систем ПО,
прогнозировать и гарантировать стоимость разработки, сроки и качество результатов
привела в конце 60-х годов прошлого века к необходимости перехода от кустарных к
индустриальным способам создания ПО и появлению совокупности инженерных методов и
средств создания ПО, объединенных общим названием «программная инженерия» (software
engineering). Впервые термин software engineering был использован как тема конференции
Научного комитета NATO в 1968 г. В 1975 г., в Вашингтоне была проведена первая
международная конференция, посвященная программной инженерии, тогда же появилось
первое издание, посвященное программной инженерии, - IEEE Transactions on Software
Engineering. C тех пор, программная инженерия определяется, с одной стороны, как
совокупность инженерных методов и средств создания ПО а, с другой стороны, как
дисциплина, изучающая применение строгого систематического количественного (т.е.
инженерного) подхода к разработке, эксплуатации и сопровождению ПО. Фундаментальное
положение, лежащее в основе программной инженерии, состоит в том, что
проектирование ПО является формальным процессом, который можно изучать и
совершенствовать. Освоение и правильное применение методов и средств создания ПО
позволяет повысить его качество, обеспечить управляемость процесса проектирования
ПО и увеличить срок его жизни.
Таким образом, цель дисциплины «Проектирование АСОИУ» состоит в подготовке
проектировщиков автоматизированных систем обработки информации и управления
широкого профиля, владеющих принципами проектирования информационно-управляющих
систем и навыками управления проектом.
В результате изучения дисциплины «Проектирование АСОИУ» студенты должны:
• обобщить знания об архитектуре автоматизированных информационно-управляющих
систем;
• закрепить знания о функциональных требованиях, предъявляемых к современным
классам АСОИУ, требованиях безопасности и надежности;
• получить сведения о базовых нормативных документах, регламентирующих порядок
проектирования, испытания и внедрения АСОИУ;
• получить сведения о современных тенденциях и перспективах развития технологий
проектирования АСОИУ;
• научиться применять современные CASE-средства и средства управления проектом при
проектировании и разработке аппаратно-программных комплексов различного
назначения.
II. ХАРАКТЕР МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫХ СВЯЗЕЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСОИУ»
ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99 «Процессы жизненного цикла программных средств»
определяет пять основных процессов жизненного цикла (ЖЦ): приобретение, поставка,
разработка, эксплуатация и сопровождение; восемь вспомогательных: документирование,
управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, оценка, аудит,
решение проблем; и четыре организационных процесса: управление проектами, создание
инфраструктуры проекта, определение, оценка и улучшение жизненного цикла и обучение
персонала.
Согласно рекомендациям ГОС основное внимание в курсе «Проектирование АСОИУ»
сосредоточено на первых четырех работах процесса разработки программного средства
(ПС): подготовка, анализ требований, проектирование архитектуры и детальное
8
проектирование и на первых двух работах организационного процесса: управление проектом
и создание инфраструктуры проекта.
Основные процессы ЖЦ ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99
Приобретение Поставка
Разработка Эксплуатация Сопровождение
Подготовка
Анализ
требований
Проектирование
архитектуры
Детальное
проектирование
Кодирование и
тестирование
Интеграция
Установка
Приемка
Процесс
разработки
Работы
Задачи
Обследование
объекта
Разработка
обоснования
Выбор модели
ЖЦ
Рисунок В.1. Структура процесса разработки ПС по ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99
Вопросы, связанные с кодированием, как правило, рассматриваются в рамках
дисциплин «Программирование на языках высокого уровня», «Объектно-ориентированное
программирование», «Технологии программирования».
Некоторая часть вопросов, связанных с подготовкой и анализом требований могла
быть рассмотрена в рамках дисциплин «Системный анализ» и «Информационные
технологии». Кроме того, значительная часть проблем, связанных с организацией
вспомогательных процессов ЖЦ (в особенности, обеспечение качества, верификация,
аттестация, оценка и аудит), а также вопросы, связанные с тестированием и разработкой
пользовательского интерфейса рассматриваются в рамках дисциплины «Надежность,
качество и эргономика АСОИУ», проблемам обеспечения безопасности программных систем
посвящена дисциплина «Методы и средства защиты компьютерной информации».
III. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ
Подавляющее большинство литературы, освещающей актуальные проблемы
проектирования ИС, издается в настоящее время преимущественно на английском языке, а
переведенные работы быстро утрачивают свою актуальность. Приятным исключением из
последнего замечания являются работы: В.В. Липаева «Программная инженерия.
Методологические основы» (М.: «ТЕИС», 2006) и Л.Г. Гагариной и соавт. «Технология
разработки программного обеспечения» (М.: ИД «Форум»: ИНФРА-М, 2008), в которых
отражены основные методические аспекты проектирования. Процесс проектирования с
описанием и примерами реализации отдельных стадий описан в учебнике А.М. Вендрова
«Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем» (М.:
Финансы и статистика, 2006), который вместе с практикумом по проектированию
программного обеспечения экономических информационных систем (А.М. Вендров, М.:
Финансы и статистика, 2006) составляет полноценный учебно-методический комплект для
9
подготовки к лекциям и написанию курсового проекта. Особо следует отметить работу
Эрика Брауде «Технология разработки программного обеспечения» (СПб.: Питер, 2004) за
полноту и систематизацию изложения материала. Великолепная работа специалистов IBM
Гради Буча, Майкла Энгла и соавт. «Объектно-ориентированный анализ и проектирование с
примерами приложений» (М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2008) посвящена базовым вопросам
проектирования, и, кроме того, на страницах этой книги подробно рассматриваются
конкретные примеры проектов в пяти актуальных областях: спутниковые системы
навигации, системы управления, криптоанализ, сбор данных и Web-моделирование.
Кроме перечисленных выше, основными литературными источниками,
рекомендуемыми для проведения обзора, являются: [9, 11, 13, 14, 23, 24, 25, 26, 27, 31, 34, 36,
39, 41, 43, 48, 49, 53, 69, 70, 71, 78, 81, 83, 88] (типовые структурные, архитектурные и
программные решения); [17, 21, 80] (системы управления проектом); [2, 3, 8, 10, 16, 42, 52,
76] (проектирование систем доступа к данным), а также сборники международных
конференций: «Advanced Software Engineering: Expanding the Frontiers of Software
Technology» [1], «Empirical Software Engineering Issues Critical Assessment and Future
Directions» [4], «Fundamental Approaches to Software Engineering» [5], «Information Systems
Development» [6], «Programming Languages and Systems» [7], «Web Information Systems
Engineering» [8], в которых, как правило, публикуется описание новейших разработок и
технологий в области создания АСОИУ. При обзоре литературных источников особое
внимание следует уделить анализу современных информационно-управляющих и
моделирующих систем промышленного назначения. Вопросам проектирования таких систем
посвящена обширная литература, наиболее полно перечисленная в [15, 18, 44].
Пристальное внимание требуется уделить вопросам стандартизации в области
проектирования ИС. Наряду с отечественными ГОСТами (ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99.
Информационная технология. Процессы жизненного цикла программных средств; ГОСТ
24.103-84 АСУ. Основные положения; 24.104-85. АСУ. Общие требования; 34.601-90. АС.
Стадии создания; 34.602-89. Техническое задание на создание АС и др.), которые
закладывают базовую терминологию и классификацию автоматизированных систем (АС),
особый интерес представляют зарубежные стандарты, разработанные, в частности, в
Институте инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and
Electronics Engineers – IEEE): IEEE 828-1990 План управления конфигурациями ПО, IEEE
739-1989 План контроля качества ПО, IEEE 830-1993 Спецификация требований к ПО, IEEE
1016-1987 Проектная документация ПО и др. Полный текст этих стандартов приведен в
работе M. Schmidt Implementing the IEEE Software Engineering Standards (Indianapolis: SAMS,
2000).
10
1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ (АС). ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ТЕРМИНЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ АС
Первые несколько лекций посвящены знакомству с нормативными документами,
которые, так или иначе, относятся к проблемной области проектирования ИС.
При анализе нормативных документов необходимо иметь в виду следующее
заключение, сделанное специалистами в области стандартизации разработки программных
средств [47:61]: «Процессы создания автоматизированных систем (АС), в состав которых
входит ПО, регламентированы стандартами ГОСТ 34.601-90 «Информационная
технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы.
Автоматизированные системы. Стадии создания», ГОСТ 34.602-89 «Информационная
технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание
на создание автоматизированной системы» и ГОСТ 34.603-92 «Информационная
технология. Виды испытаний автоматизированных систем». Однако процессы создания ПО
для современных
распределенных АИС, функционирующих в неоднородной среде, в этих
стандартах отражены недостаточно, а отдельные их положения явно устарели. В
результате для каждого серьезного проекта АИС приходится создавать комплекты
нормативных и методических документов, регламентирующих процессы создания
конкретного прикладного ПО, поэтому в отечественных разработках целесообразно
использовать современные международные стандарты».
Однако, не смотря на
то, что отечественные ГОСТы в области ИТ-технологий
безнадежно устарели, эти документы определяют общий системный взгляд, базовую
терминологию и подходы к классификации АС.
ГОСТ 34.602-89 закладывает структуру технического задания, от которой
отталкиваются заказчик и исполнитель, заключая договор на территории РФ. С другой
стороны существуют базовые стандарты, пришедшие к нам с запада, и, определяющие
основное содержание работ, а также перечень задач при создании программных систем.
Поскольку цель создания и АСОИУ и ИМС в общем случае состоит в автоматизации
того или иного технологического процесса, то в первую очередь необходимо упомянуть о
базовом ГОСТе, который вводит понятие АС – ГОСТ 34.003-90 «Информационная
технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные
системы. Термины и определения».
1.1.1. Определение АС
ГОСТ 34.003-90 под автоматизированной системой предлагает понимать систему,
состоящую из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности (в отличие от
автоматических систем, которые не включают в свой состав персонал), реализующую
информационную технологию выполнения установленных функций. ГОСТ 34.003-90
расширял понятие АС, в соответствие с которым АС это не только ИС с БД, но
«организационно-техническая система, обеспечивающая выработку решений на основе
автоматизации информационных процессов в различных сферах деятельности (управление,
проектирование, производство и т. д.) или их сочетаниях».
1.1.2. Функция АС
совокупность действий АС, направленная на достижение определенной цели.
1.1.3. Задача АС
это часть функции АС, представляющая собой формализованную совокупность
автоматических действий, выполнение которых приводит к результату заданного вида.