Управление жизненным циклом распределенных экономических информационных систем на основе динамической реконфигурации их структурно-функциональной организации

Современное состояние экономики характеризуется высокой динамичностью, вследствие чего развитие крупных корпораций требует своевременного реинжиниринга бизнес-процессов, основой которых являются информационные технологии. Базовой стратегией реализации информационного обеспечения крупных промышленных объектов является ориентация на распределенные экономические информационные системы (РЭИС).

Основным сдерживающим фактором широкого использования РЭИС является необходимость долговременной планомерной деятельности по их созданию и внедрению, сопряженной с большими финансовыми затратами. Получаемый результат — РЭИС региона или корпорации зачастую не обеспечивает выполнения требуемых функций.

Поэтому, основным противоречием является несоответствие затрат на создание РЭИС социально-экономическим преимуществам, получаемым объектом информатизации от их использования. Одними организационно-техническими и финансовыми мероприятиями кардинального решения проблемы низкой экономической эффективности информационных технологий достичь не удается. Данная проблема является сложной, масштабной и комплексной, охватывает весь жизненный цикл РЭИС и требует наукоемких и затратных исследований.

Проблемы создания сложных технических системам и управления ими рассматривались в работах ряда отечественных и зарубежных ученых. К наиболее известным можно отнести исследования Вермишева Ю. Х., Кофанова Ю. Н., Норенкова И. П., Мазура И. И., Буркова В. Н., Новикова Д. А., Юдицкого СЛ., Вендрова A.M., Растригина JLA., Моисеева B.C., Норенкова И. П., Маничева В. Б., Д. Джонса, Де Марко, Йордана и др.

Вместе с тем многие вопросы методологического характера в сфере управления РЭИС не решены и нуждаются в дальнейшем исследовании. Цельного и обобщенного исследования по проблеме управления жизненным циклом РЭИС на методологическом уровне до сих пор не проводилось.

Рациональное управление — это управление, приводящее к достижению цели по критерию экстремума (минимума или максимума) выбранного показателя при задаваемых ограничениях. Классическими примерами рационального управления в общем случае являются максимизация выигрыша (прибыли, уровня качества или безопасности и т. п.) при ограничениях на затраты или минимизация затрат при ограничениях на приемлемый уровень качества и/или безопасности.

Развитие методологии управления жизненным циклом РЭИС выступает как актуальная научная проблема, имеющая важное социально-экономическое значение, отличающаяся принципиальной новизной и практической значимостью.

Анализ современных РЭИС социально-экономической сферы, как объекта исследования, позволил выявить их особенности, влияющие на организацию всего жизненного цикла:

1. на этапе обследования предметной области:

— сложность формализации описания — большое количество функций, процессов, форматов данных и сложные, взаимосвязи между ними;

— наличие совокупности тесно взаимодействующих подсистем, имеющих собственные цели и задачи создания и функционирования;

2. на этапе проектирования:

— отсутствие прямых аналогов, ограничивающее возможность использования каких-либо типовых проектных решений и прикладных систем;

3. на этапе реализации:

— разобщенность и разнородность отдельных групп разработчиков по уровню квалификации и сложившимся традициям использования тех или иных инструментальных средств;

4. на этапе эксплуатации:

— функционирование в неоднородной среде на основе нескольких аппаратных платформ;

— существенная временная протяженность проекта, обусловленная, с одной стороны, ограниченными возможностями коллектива разработчиков, а, с другой стороны, масштабами организации-заказчика и различной степенью готовности отдельных ее подразделений к внедрению РЭИС;

5. на этапе модификации:

— пользовательские требования по интеграции существующих и вновь разрабатываемых приложений.

В диссертационной работе сформулирована научная проблема — снижение совокупной стоимости владения РЭИС путем создания системы управления их жизненным циклом (ЖЦ). Проблема осложняется тем, что ЖЦ РЭИС включает фазы, этапы и процессы, имеющие слабоформализованные социально-экономические аспекты, а компоненты РЭИС сами представляют сложные объекты, характер протекания процессов в которых определяет функциональные и эксплуатационные свойства РЭИС.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР по темам «Интеграл», «Процесс», заданных МО РФ, ОКР в рамках договорных работ по темам «Теплосети», «ЕДДС», а также — НИР, выполненных в Курском ГТУ [144−148].

Цель диссертационной работы — разработка моделей, методов и алгоритмов, составляющих теоретическую основу управления жизненным циклом РЭИС и позволяющих снизить совокупную стоимость их владения. Указанная цель обусловила необходимость постановки и решения следующих задач:

1. Провести анализ особенностей создания и функционирования РЭИС в социально-экономической сфере, осуществить их классификацию, как основу дальнейшей разработки моделей, методов, алгоритмов и методик и на их основе методологии управления жизненным циклом.

2. Разработать модель жизненного цикла РЭИС, учитывающую особенности их создания и функционирования в социально-экономической сфере и отражающую возможность обмена ресурсами между входящими в их состав компонентами.

3. Разработать концептуальную модель процесса реконфигурации и сформировать параметрический базис динамически реконфигурируемых структур, как основы программно-технической реализации обмена ресурсами.

4. Разработать алгоритм формирования архитектуры и процесса динамической реконфигурации РЭИС.

5. Разработать методику проектирования компонент распределенных информационных систем на базе динамически реконфигурируемых структур.

6. Разработать метод управления совокупностью заданий, составляющих проект РЭИС.

7. Осуществить экспериментальную проверку разработанных на основе перечисленных моделей, методов и алгоритмов программно-технических средств и анализ полученных результатов.

Объектом исследования являются РЭИС социально-экономических объектов.

Предметом диссертационного исследования является жизненный цикл распределенных информационных систем.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов.

Методологическую основу работы образуют общенаучные методы познания. При выполнении работы были использованы: общая теория системтеория вероятностей и математической статистикиметоды вычислительной математикитеория структурного анализа и проектированиятеория принятия решения.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами эксплуатации РЭИС.

Научная новизна результатов работы состоит в создании элементов методологии управления жизненным циклом РЭИС, включающей в себя модели, алгоритмы, методы и методики, составляющие в целом научную основу управления жизненным циклом РЭИС. При этом автором разработаны:

— модель ЖЦ РЭИС, позволяющая реализовать целенаправленный обмен ресурсами в РЭИС на основе IDEF-представления и обосновать условия перехода между этапами жизненного цикла;

— теоретические основы динамической реконфигурации структур, ориентированной на сокращение используемых ресурсов, включающие концептуальную модель процесса реконфигурации, математическую модель процесса проектирования динамически реконфигурируемых структур и обобщенный алгоритм итерационного выбора архитектуры и программы динамической реконфигурации;

— метод управления заданиями, особенностью которого является детерминированное представление процесса выполнения заданий и их рациональное распределение на основе априорной оценки затрат.

На защиту выносятся:

1. Модель ЖЦ РЭИС, учитывающая особенности процесса обмена ресурсами между компонентами и условия регламентированного перехода между этапами, и позволяющая сократить затраты на реализацию этапов жизненного цикла.

2. Метод управления совокупностью заданий, основанный на априорной оценке затрат на их выполнение и их целенаправленном распределении, обеспечивающий уменьшение вычислительных затрат за счет сокращения размерности исходных данных.

3. Концептуальная математическая модель процесса реконфигурации, особенностью которой является учет типов входных данных и способов управления реконфигурацией, позволяющая уменьшить ресурсы используемые при функционировании РЭИС.

4. Математическая модель процесса проектирования динамически ре-конфигурируемых структур, включающая правила преобразования входных данных в проектное решение и формализацию правил назначения функций на реконфигурируемые компоненты, и позволяющая осуществить процедуры нисходящей декомпозиции реализуемых компонентами функций.

5. Обобщенный алгоритм итерационного выбора архитектуры и программы динамической реконфигурации, особенностью которого является применение пошагового планирования поиска в локальной окрестности базового решения, и позволяющего использовать его на этапах создания и модернизации компонент РЭИС.

Практическая полезность работы заключается в разработке и доведении до практической реализации методологии управления жизненным циклом РЭИС в социально-экономических системах. Практическая значимость работы состоит в разработке инженерной методики управления ресурсами широкого класса РЭИС в процессе жизненного цикла. Разработанный программнотехнический комплекс — стенд и комплект нормативно-методической документации позволяет осуществлять обмен ресурсами в ходе жизненного цикла, проектировать компоненты РЭИС с использованием динамической реконфигурации.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в Главном управлении МЧС России по Курской области и ОАО Курская генерирующая компания, а также использованы при создании информационных систем различного назначения в ГОУ ВПО МТУСИ (г. Москва), СПИИ РАН (г. С-Петербург), НИИ МВС ТРТУ (г. Таганрог), ФГНУ НИИ «Спецвузавтоматика» (г. Ростов-на-Дону), Орловском филиале ИЛИ РАН (г. Орел), ФГУП «Курский НИИ» МО РФ (г. Курск). Внедрение результатов подтвердило снижение совокупной стоимости владения при полном выполнении функционального назначения.

Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедры информационных систем в экономике Курского государственного технического университета и используются при проведении занятий по дисциплинам «Проектирование информационных систем в экономике», «Информационные системы предприятий», в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения, защищаемые в диссертации, докладывались и получили положительную оценку на 11 международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях, конгрессах и семинарах (международная конференция «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий (ИННОВАТИКА-2004)», Москва, 2004; международная конференция «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и лазерных технологий», Москва 2002; межведомственная конференция «Информационное и техническое обеспечение деятельности спецслужб», Москва, 2002; 5-ая, 6-ая Международные конференции «Распознавание», Курск, 2001, 2003; 1-ая, 4-ая Всероссийские научные конференции «Проблемы создания и развития информационно-телекоммуникационных систем специального назначения», Орел, 1997, 2003; научно-техническая конференция «Проблемы автоматизированного моделирования в электронике», Киев, 1991; семинар «Опыт разработки организационно-экономических подсистем», Тверь, 1991; научно-техническая конференция. «Гибридные интеллектуальные системы», Ростов-на-Дону, 1991; семинар «Разработка и эксплуатация САПР в радиоэлектронике», Челябинск, 1991; семинар «Современное состояние и тенденции развития отечественных средств ВТ», Москва, 1991; международный, симпозиум «Россия на пороге третьего тысячелетия: единство в многообразии», Курск, 1995; юбилейная конференция 5 ЦНИИИ МО РФ, Воронеж, 1995; конференция «Нейрокомпьютеры и их применение», Москва, 1996; научно-технические конференции ФГУП «Курский НИИ» МО РФ, Курск, 1982;2003, войсковой части 11 135, Москва, 1987, 1988, 1991, 1997, 1999, 2001, 2003; семинары кафедры «Информационные системы в экономике» Курского ГТУ, 1998;2005 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 работ, в том числе 2 монографии (одна в соавторстве) общим объемом 16 п. л., 3 учебных пособия (в соавторстве), 22 статьи в журналах и научно-технических сборниках, 18 выступлений на конференциях. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце диссертации лично соискателем разработаны: модель ЖЦ РЭИС, включающая регламентированный процесс обмена ресурсами между компонентами [90, 92, 93, 97, 98, 102, 105, 110, 118, 120, 121, 123, 126, 131], концептуальная модель процесса реконфигурации [91, 94, 100, 101, 113, 129, 141], метод управления проектом РЭИС [105, 108, 110, 116, 128, 136, 146], алгоритм итерационного формирования архитектуры и процесса динамической реконфигурации ДРС [91, 94, 112, 138], модель процесса проектирования ДРС [91, 94, 101, 103, 114], методика проектирования компонент распределенных информационных систем [95, 99, 104−106, 112, 140, 142, 143].

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 318 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 150 наименований, содержит 76 рисунков и 28 таблиц. Схема исследований приведена на Рис. 1.

ВЫВОДЫ:

1. Основной целью создания программно-технического комплекса РЭИС является поддержание информационной среды, реализующей процессы жизненного цикла. Информационная компонента комплекса моделирования и управления (КМУ) представлена моделью ЖЦ РЭИС с обменом ресурсами, а математическая — моделями и методами динамической реконфигурации структурно-функциональной организации. Функциональные средства комплекса позволяют осуществлять концептуальное проектирование (в частности, формирование адекватных требований, моделирование внешней среды) РЭИС, в то же время инструментальные средства могут быть использованы в качестве компонент создаваемых РЭИС. Особенностью разработанного комплекса является ориентация на РЭИС, использующие средства геоинформационных технологий.

2. В результате внедрения КМУ получен следующий эффект:

— обеспечена эффективная разработка обликов подсистем ГИС для РЭИС;

— сокращены сроки создания и затраты на отдельные этапы ЖЦ РЭИС;

— осуществлена рациональная унификация использования информации в РЭИС, предназначенных для различных промышленных предприятий;

— обеспечена программно-информационная адаптация создаваемых РЭИС для применения в конкретных условиях промышленных предприятий;

3. Обоснованы требования к этапу внедрения РЭИС, выявлены особенности РЭИС на этапе внедрения, как наиболее значимого для социально-экономической сферы, предложены мероприятия по снижению влияния субъективных факторов на внедрение компонент РЭИС.

4. В ходе реального управления ЖЦ РЭИС ряда промышленных предприятий (Курские магистральные теплосети, опытный участок ЕДДС, ИС г. Орел и др.) получены основные результаты, В ряде организаций (ГОУ ВПО МТУ СИ, СПИИ РАН, ИЛИ РАН, НИИ «Спецвузавтоматика») использование методологии динамической реконфигурации и управления заданиями позволило повысить качество проектных решений и сократить затраты на их реализацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы — повышению экономической эффективности создания и внедрения РЭИС путем рационального управления их жизненным циклом.

В ходе решения проблемы получены следующие результаты:

1. Проведен анализ современных особенностей создания и функционирования РЭИС промышленных предприятий, что создало основу для разработки элементов методологии управления ЖЦ РЭИС. Исследованы существующие подходы к оценке эффективности использования информационных технологий на промышленных предприятиях, обоснована и выбрана в качестве основного показателя затрат совокупная стоимость владения РЭИС. Определены основные направления исследований, позволяющие снизить выбранный показатель.

2. Разработана концептуальная модель процесса динамической реконфигурации, учитывающая особенности исходных данных и ограничений, и позволяющая выявить количественные зависимости между входными и выходными характеристиками, а также влияние параметров управления и дисциплины реконфигурации на архитектуру ДРС. Проведена классификация потенциально реализуемых динамических структур и предложено их формализованное описание.

3. Разработан метод управления совокупностью заданий в РЭИС, основанный на их детерминированном представлении, и заключающийся в априорной оценке продолжительности их выполнения, итерационном распределении их по функционирующим рабочим местам и формировании расписания, соответствующего распределению. Получены аналитические выражения для вычислительной сложности и погрешности частных алгоритмов, реализующих разработанный метод. Устойчивость алгоритмов проверена моделированием изменения исходных данных. Результаты позволяют сделать вывод о высокой эффективности метода в области наиболее вероятных значений исходных данных.

4. Проведен анализ существующих моделей жизненного цикла информационных систем, позволивший выявить их достоинства и недостатки применительно к РЭИС промышленных предприятий. Предложена модель жизненного цикла РЭИС, отличительной особенностью которой является обоснованная в терминах IDEF-методологии возможность обмена ресурсами между этапами и компонентами. Предложено и обосновано использование в качестве индикаторов перехода от этапа к этапу изменение экономических, функциональных и эксплуатационных показателей компонент РЭИС.

5. Синтезирован обобщенный алгоритм итерационного формирования архитектуры и процесса динамической реконфигурации компонент ДРС, особенностью которого является применение метода пошагового планирования поиска в локальной окрестности базового проектного решения. Алгоритм позволяет осуществлять структурный синтез и модернизацию компонент на всех этапах ЖЦРЭИС.

6. Разработана методика проектирования основных структурно-функциональных компонент РЭИС, которая реализует предложенную структурную модель ЖЦ, модель процесса реконфигурации и итерационное формирование архитектуры процесса динамической реконфигурации компонент.

7. Экспериментально показано, что ССВ промышленных предприятий, на которых осуществлялось создание распределенных информационных систем в соответствии с объектно-ориентированной методологией управления ЖЦ, снижается в зависимости от этапов в пределах 20 — 60%.

8. Разработаны и практически реализованы программно-технический комплекс и комплект организационно-методических документов для моделирования РЭИС — управления обменом ресурсами и динамической реконфигурации компонент в ходе жизненного цикла.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в Главном управлении МЧС России по Курской области и ОАО Курская генерирующая компания, а также использованы при создании информационных систем различного назначения в ГОУ ВПО МТУ СИ (г. Москва), СПИИ РАН (г. С-Петербург), НИИ МВС ТРТУ (г. Таганрог), ФГНУ НИИМ «Спецвузавтоматика» (г. Ростов-на-Дону), Орловском филиале ИЛИ РАН (г. Орел), ФГУП «Курский НИИ» МО РФ (г. Курск). Внедрение результатов подтвердило снижение совокупной стоимости владения при полном выполнении функционального назначения. Стоимость проектных работ, опытной эксплуатации, внедрения и модернизации снижена в 1,4 — 1,8 раза.

Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедры информационных систем в экономике Курского государственного технического университета и используются при проведении занятий по дисциплинам «Проектирование информационных систем в экономике», «Информационные системы предприятий», в курсовом и дипломном проектировании.

Научная новизна результатов исследования заключается в том, что разработана модель жизненного цикла РЭИС, включающая критерий перехода, детализирующая порядок и условия перехода между этапами, и тем самым, создающая теоретические предпосылки осуществления обмена ресурсами РЭИС с целью сокращения затрат на их создание и эксплуатацию.

Впервые разработаны и сформулированы теоретические основы динамической реконфигурации структур, ориентированной на сокращение используемых ресурсов, включающие концептуальную модель процесса реконфигурации, математическую модель процесса проектирования динамически реконфигурируемых структур и обобщенный алгоритм итерационного выбора архитектуры и программы динамической реконфигурации.

Кроме этого, разработан метод управления заданиями, в основе которого используется детерминированное представление процесса выполнения заданий и их рациональное распределения на основе априорной оценки затрат на их выполнение.

Разработка теоретических положений и создание на их основе алгоритмов и программно-технических средств стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение задач исследований, поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям научных дисциплин и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук. Созданные методики согласуются с практическим опытом их создания.

Разработанные теоретические положения и новые программно-технические и организационно-методические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования в соответствии с Государственными стандартами метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе — Курского государственного технического университета, ФГУП «Курский НИИ» Министерства обороны РФ и предприятиях Заказчика. Опытный участок ЕДДС ГУ МЧС по Курской области, Центральный диспетчерский пункт Курской генерирующей компании успешно эксплуатируются в течении ряда лет, неоднократно модернизировались, показали высокую эффективность и приемлемые эксплуатационные расходы. В ряде организаций (ГОУ ВПО МТУСИ, СПИИ РАН, ИЛИ РАН, НИИ «Спецвузавтоматика») использование методологии динамической реконфигурации и управления заданиями позволило повысить качество проектных решений и сократить затраты на их реализацию. При этом все функциональные задачи, возлагаемые на перечисленные РЭИС, реализованы в полном объеме в соответствии с целевой функцией организации.

Дальнейшие исследования в области управления жизненным циклом распределенных экономических информационных систем следует направить на решение проблем, связанных с разработкой: показателей эффективности функционирования распределенных экономических информационных системобобщенных моделей обеспечений РЭИС — программного, информационного, технического, методического и т. д., конструктивно связывающих функциональные, временные и экономические показателиметодов и алгоритмов перераспределения ресурсов между компонентами РЭИС, функционирующими на гетерогенных аппаратно-программных платформах.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что разработка научно обоснованных решений и их практическая реализация, которые позволили осуществить решение проблемы снижения ССВ в ходе жизненного цикла РЭИС промышленных предприятий, имеют важное народно-хозяйственное значение. Цель, поставленная в работе — разработка теоретических основ и путей реализации управления жизненным циклом РЭИС, позволяющих снизить совокупную стоимость их владениядостигнута, о чем свидетельствует — новизна и достоверность научных результатов, экспериментально подтвержденные на ряде промышленных предприятий.