Автоматизация настройки и сопровождения логики в системах автоматизированного проектирования на основе объектно-дедуктивной модели

Согласно общепринятой точке зрения, модель объекта автоматизации на операционном уровне следует рассматривать как набор «правил поведения», изменения которых отражают непрерывную эволюцию этого объекта в среде системы автоматизированного проектирования (САПР). Ее практическая реализация требует разработки методов, позволяющих выполнять проектирование логики САПР силами специалистов в предметной области, не прибегая при этом к традиционному программированию.

В то же время методы и средства настройки большинства САПР ориентированы на программистов и не предполагают непосредственного участия предметных специалистов, что приводит к неадекватным решениям. Кроме того, им присущ ряд других недостатков, осложняющих разработку и сопровождение моделей объектов автоматизации.

1. Не существует единообразного подхода к описанию логики на различных уровнях (ограничения целостности данных, логика прикладных операций, логика принятия решений).

2. Доминируют процедурные средства описания логики, хотя декларативное представление логики в виде правил является более естественным для специалистов в предметной области и в большей степени соответствует реляционным моделям данных. Поэтому: традиционные средства описания логики ограничивают возможности вовлечения специалистов предметной области в процесс ее разработки имеет место конфликт реляционной и процедурной парадигм, который проявляется в проблемах описания недетерминированных и рекурсивных операций и поддержки транзакций.

3. Логика прикладных программ проектируется путем неявной трансформации в нее логики нормативных и технологических документов, независимо от информационной модели САПР. Например, в САПР общих видов щитов КИПиА ЭЛКА (институт Уралгипромез) ограничение, не позволяющее 4 разместить на щите прибор, монтажная зона которого пересекает монтажную зону другого прибора, жестко прописано в коде приложения. Однако, если с файлами ЭЛКА, содержащими описание щита, будет работать другое приложение (например, оптимизирующее размещение приборов), указанное выше ограничение может быть проигнорировано этим приложением, что повлечет нарушение логической целостности данных. Таким образом, раздельная реализация логики и данных: создает трудности согласования логики с контекстом ее применения при изменении операционной и/или информационной моделейS уменьшает возможность повторного использования определений логики при расширении функциональности САПР.

4. Многие разработки построены без учета технологических принципов, использование которых позволяет разрабатывать приложения с прогнозируемой степенью открытости. Такой подход не обеспечивает совместного использования логики различными автоматизированными системами (АС). В составе современных САПР все шире используются приложения, открывающие доступ к своей функциональности, например САПР раскладки кабелей на промышленных и других предприятиях ElectriCS 3D использует AutoCAD для подготовки чертежей и Microsoft Word для подготовки отчетов. Кроме того, в состав САПР могут быть включены системы автоматизации документооборота [23, 32, 97, 98, 99]. Однако модули, реализующие специфическую для САПР функциональность, в большинстве случаев остаются закрытыми для повторного использования. Это не способствует сохранению интеллектуальных инвестиций заказчика в выполненный проект при изменении требований к функциональности САПР, а также и при смене операционной и/или аппаратной платформ. Например, система CADdy (ZIEGLER-Informatics GmbH) [58] предполагает расширение собственной функциональности только модулями, разработанными ZIEGLER-Informatics (Электротехника, Graphlnfo и др.) и не предполагает использование этих модулей другими системами, что жестко привязывает заказчика к продукции данной фирмы и повышает стоимость владения системой. 5.

Поэтому актуальна проблема исследования и разработки моделей логики, определенных в контексте информационной модели САПР, независимых от типа САПР и программно-аппаратной платформы. Кроме того, актуальна проблема разработки методов проектирования и сопровождения моделей объекта автоматизации и инструментальных средств их поддержки, доступных непрограммирующему специалисту в предметной области САПР.

Целью данной работы является разработка комплекса методов и средств автоматизации проектирования и сопровождения логики САПР, обеспечивающих продление срока эксплуатации САПР в эволюционирующем окружении.

Разрабатываемый комплекс методов и средств автоматизации проектирования и сопровождения логики может обеспечить достижение поставленных целей за счет непосредственного привлечения специалистов в предметной области к процессам разработки логики и поддержки функционального масштабирования САПР в процессе эксплуатации системы. В свою очередь, функциональное масштабирование САПР обеспечивается за счет возможности перепроектирования логики САПР и применения архитектурных решений, удовлетворяющих требованиям открытости.

Таким образом, для достижения поставленных целей в данной работе решаются следующие задачи. 1. Разработка методов моделирования логики,.

•S обладающих декларативностью (информацию декларативного характера легче получить от экспертов, декларативные модели компактны и удобны для реализации адаптивных стратегий);

•S объектно-ориентированных, обеспечивающих реализацию логики в контексте активизировавшего ее экземпляра информационного объекта с возможностью ограничения доступа к данным и повторного использования определений логической модели и позволяющих естественным образом описывать логику приложения, управляемого событиями;

V естественно интегрируемых в форматы реляционных СУБД- 6.

S позволяющих описывать логику доступа и обработки независимо от используемой СУБД.

2. Разработка интерпретатора объектно-дедуктивной модели логики (ОДМЛ).

3. Разработка открытой архитектуры сервера ОДМЛ на базе интерпретатора логической модели.

4. Создание инструментальных средств разработки и сопровождения ОДМЛ, ориентированных на непрограммирующего пользователя (эксперта).

При решении поставленных задач в диссертационной работе использованы методы теории организационного управления, объектно-ориентированного и логического программирования, методы теории множеств и графов, теории построения информационных систем, теории баз данных.

Предложены и реализованы следующие методы и средства автоматизации проектирования и сопровождения логики, составляющие научную новизну работы.

Объектно-дедуктивная модель логики, отличающаяся от известных сочетанием принципов логического и объектного программирования для инкапсуляции доступа к информационной модели АС. Модель сочетает основные преимущества объектной парадигмы (инкапсуляция данных, наследование и полиморфизм) с использованием правил логики предикатов первого порядка в качестве единственного средства спецификации операций. Объединение этих двух ведущих идей современной информатики позволяет преодолеть проблемы раздельной реализации логики и данных на основе понятия перманентного объекта и создает предпосылки для определения ориентированного на непрограммирующего пользователя высокоуровневого машинно-независимого языка спецификации правил логики.

Лингвистические средства, включающие: • язык описания объектно-дедуктивной модели логики, отличающийся от выбранного в качестве прототипа языка логического программирования Пролог наличием:

S поддержки абстракций объектного подхода- 7.

S спецификаций отображения информационной модели АС на структуру теоретико-множественных и теоретико-графовых объектов, используемых логическими определениями- ^ встроенных предикатов, инкапсулирующих доступ к реляционным объектам;

•S встроенных предикатов поддержки внелогических операций многовариантного анализа и событийного взаимодействия с клиентом- • стек протоколов обмена данными между сервером ОДМЛ и клиентом, состоящий из протокола взаимодействия сервера ОДМЛ и его клиента и надстроенного над ним протокола формализации семантики взаимодействия, отличающийся возможностью в рамках фиксированного синтаксического соглашения обеспечить настраиваемый взаимный доступ к функциональности сервера и клиента.

Машина вывода на объектно-дедуктивной модели, эффективно адаптирующая резолютивную систему Пролога к решению задачи интерпретации объектно-дедуктивной модели логики АС, сохраняя ее корректность и полноту, и отличающаяся от выбранного в качестве прототипа интерпретатора Пролога:

S скрытой реализацией структурных аксиом, реализующих принципы объектного подходаS наличием механизмов динамического связывания перманентных объектов и их представлений в базе данныхS наличием механизмов статического связывания множественных и графовых объектов логической программы с базой данных АСS идентификацией состояния множественных и графовых объектов в процессе реализации стандартной стратегии вывода в терминах последовательности операций их преобразования (операционных контекстов).

Архитектура сервера ОДМЛ, отличающаяся от традиционной тем, что компоненты, составляющие сервер (модуль взаимодействия с клиентом, объектный источник данных, модули расширения), работают под управлением s интерпретатора ОДМЛ. Интерпретатор координирует взаимодействие компонентов сервера в контексте решаемой задачи и обеспечивает возможность централизованного перепроектирования логики АС. На защиту выносятся:

5. Объектно-дедуктивная модель логики;

6. Лингвистические средства описания объектно-дедуктивной модели логики;

7. Машина вывода на объектно-дедуктивной модели;

8. Архитектура сервера ОДМЛ.

Основные положения диссертационной работы доложены на международных научно-технических конференциях.

• «Современное состояние, проблемы и перспективы развития Российской экономики» (Кондратьевские чтения), Иваново, 1996 г.,.

• «VIII Бенардосовские чтения», Иваново, 1997 г.,.

• Ш международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации», Воронеж, 1998 г.,.

• V Международной электронной конференции «Современные проблемы информатизации в непромышленной сфере и экономике», Воронеж, 2000,.

• Международной научно-практической конференции «Традиции и перспективы развития торгово-экономических кадров в России. Формирование экономической культуры в условиях рыночных преобразований общества», Иваново, 2000.

• «X Бенардосовские чтения», Иваново, 2001 г.

Диссертационная работа структурно состоит из введения, четырех глав и заключения.

Результаты работы нашли применение при решении следующих практических задач.

1. Проектирование оптимальной раскладки кабелей по полкам в составе системы ElectriCS 3D, использованное при проектировании энергоблока Мут-новской геотермальной электростанции.

2. Разработка сервера бизнес-логики в составе инструментального комплекса RADMYC, на основе которого реализованы системы кадрового учета (АСУ «Персонал») для ИГЭУ и ОАО «Ивтелеком».

3. Среда разработки определений и локальный вариант машины вывода ОДМЛ, реализованный в виде ActiveX компонента, внедрены в учебный процесс ИГЭУ и используются для проведения лабораторных работ по курсу «Логическое программирование».

Дальнейшее развитие исследований планируется в следующих направлениях.

1. Усовершенствование пользовательского интерфейса среды разработки определений ОДМЛ, подразумевающее расширение набора мастеров для повышения интуитивности процесса разработки и автоматизации рутинных операций.

2. Придание модульности описанию ОДМЛ для повышения его портативности и эффективности интерпретации.

3. Создание сервера Workflow на базе сервера ОДМЛ, поскольку, во-первых, назрела необходимость включения сервера Workflow в состав комплекса RADMYC, а во-вторых, ОДМЛ хорошо подходит для описания потоков работ.

4. Создание клиентских компонентов для сервера ОДМЛ в стандарте OLE DB для обеспечения возможности работы широкого спектра клиентских приложений баз данных, использующих для работы с базой данных стандарты OLE DB или ADO, совместно с сервером ОДМЛ.

Заключение

.

В ходе выполнения исследований получены следующие основные результаты.

1. Выполнен анализ существующих моделей и реализаций логики в многопользовательских автоматизированных системах, включающий анализ моделей логики в существующих АС и архитектурных решений АС. Установлены следующие недостатки существующих моделей логики АС.

• Не существует единообразного подхода к описанию логики на различных уровнях.

• Доминируют процедурные средства описания логики, хотя декларативное представление логики в виде правил является более естественным для специалистов в предметной области и в большей степени соответствует реляционным моделям данных. Поэтому:

S традиционные средства описания логики ограничивают возможности вовлечения специалистов в предметной области в процесс ее разработки.

S имеет место конфликт реляционной и процедурной парадигм, который проявляется в проблемах описания недетерминированных и рекурсивных операций и поддержки транзакций.

• Модель объекта автоматизации проектируется независимо от его информационной модели путем неявной трансформации логики нормативных и технологических документов в логику прикладных программ. Раздельная реализация логики и данных:

S создает трудности согласования логики с контекстом ее применения при изменении операционной и/или информационной моделей;

S уменьшает возможность повторного использования определений логики при расширении функциональности АС.

• Существующие методы и средства автоматизации конфигурирования АС не обеспечивают совместного использования логики различными АС.

• Многие разработки построены без учета технологических принципов, использование которых позволяет разрабатывать приложения с прогнозируемой степенью открытости.

На основании анализа прототипов (моделей бизнес-логики в ИУС, CPRсистем, объектно-ориентированных логических языков, дедуктивных объектно-ориентированных баз данных) разработана объектно-дедуктивная модель логики АС (ОДМЛ). Ее отличительными особенностями являются:

• интеграция объектного и логического подхода в описании логики приложения;

• поддержка основных понятий ООП, в том числе событийного управления;

• распределенная модель классов, обеспечивающая реализацию логики в контексте активизировавшего ее экземпляра информационного объекта с возможностью ограничения доступа к данным и повторного использования определений логической модели;

• модель реляционных термов, отличающаяся от традиционной для логических программ списковой модели естественным способом представления объектов базы данных, а также возможностью использования формального аппарата теории графов при решении прикладных задач;

• шаблонные предикаты, обеспечивающие компактное и сопоставимое по функциональности с языками множественной обработки типа SQL описание логики высших порядков за счет неограниченной вложенности предикатных слотов.

Разработана и реализована машина вывода ОДМЛ, обеспечивающая:

• поддержку ОДМЛ, включающую интеграцию в интерпретатор компонентов объектного подхода и средств поддержки событийного управления;

• доступ к данным в актуальном для ИУС реляционном формате и эффективную их обработку, обеспечиваемую:

Z способом реализации реляционных термов в виде структуры данных, включающей основу и дерево контекстовS алгоритмом интерпретации реляционных термов, основанном на использовании операционных контекстов- ^ алгоритмом определения времени жизни операционного контекста по принципу «жив, пока нужен» — ^ способом интерпретации встроенных шаблонных предикатов при помощи вложенной активации машины вывода.

4. Разработана многозвенная архитектура сервера бизнес-логики, включающая интерпретатор ОДМЛ, объектный источник данных, а также протоколы взаимодействия сервера бизнес-логики и клиентских приложений. Архитектура удовлетворяет требованиям открытости.

5. Созданы инструментальные средства разработки и сопровождения бизнес-логики, ориентированные на непрограммирующего пользователя.