Принципы UML, IDEF0, онтологии как средства реализации МЭО
Филипишин Д. А., Григорьев А. В.
ФГБОУ ВО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк)
кафедра «Программная инженерия имени Л. П. Фельдмана»
e-mail: domaco@mail.ru
Аннотация
Принципы UML, IDEF0, онтологии как средства реализации МЭО. В статье проводится анализ перспектив использования мета?эвристического подхода как средства расширения базовых возможностей нотации описания информационных систем UML, концепции SADT/IDEF0, а также в онтологии (SADT/IDEF5). Описаны преимущества и недостатки мета-эвристического подхода и сделаны выводы о целесообразности его использования.
Введение
Среди концепций инструментальных оболочек для построения экспертных систем именно концепция мета?оболочки в наибольшей степени соответствует специфике САПР как экспертной системы [1,2]. Методика создания экспертной системы с помощью мета-оболочки предполагает построение концептуальной модели предметной области, определяемой как система взаимосвязанных уровней знаний о действительности (метазнаний). К недостаткам базовой концепции мета-оболочек с точки зрения САПР можно отнести унифицированный подход, не учитывающий специфику уровня и формы представления моделей в САПР, отсутствие средств и методов пространственно?временного представления моделей и многие другие аспекты [1,2].
Для устранения указанных недостатков базовой концепции мета?оболочек автором ранее в статье [1] предложена концепция построения специальной мета-оболочки, или мета-эвристической оболочки, для построения интеллектуальных систем автоматизированного проектирования [3].
Целью данной работы является проведение анализа принципов UML, SADT/IDEF0, онтологии как средства реализации мета?эвристической оболочки (МЭО) с целью создания комплексного подхода, лишённого недостатков каждой из перечисленных концепций, но агрегирующего всё положительное, чем они обладают.
1 Постановка задачи
МЭО обусловлена описанием системы в пространственно?временной логике, представленным структурными связями между объектами, расположенными на различных со?зависимых абстрактных уровнях (уровнях декомпозиции, разделяющими систему на функциональные подсистемы), имеющими внешние и внутренние границы функциональных блоков, а также содержащим функционал, свойственный объектно?ориентированным языкам программирования.
Для решения поставленной задачи представим все исходные модели рассматриваемых нотаций, а также модели, получаемые как средства реализации МЭО, как единый уровень в статической модели представления данных, то есть единственной модели пространства в жизненном цикле, где модель времени фактически отсутствует. Поэтапно внедрим несколько уровней декомпозиции, требуемых для проведения анализа, если это потребуется. Рассмотрим перспективы дальнейшего вероятного развития рассматриваемых концепций.
2 МЭО в UML
Нотация описания информационных систем UML позволяет разработчикам программного обеспечения достигнуть соглашения в графических обозначениях для представления общих понятий. Таких как класс, компонент, обобщение, агрегация и больше сконцентрироваться на проектировании и архитектуре.
UML-диаграмма – это структурная диаграмма, языка моделирования UML, демонстрирующая общую структуру иерархии классов системы, их коопераций, атрибутов (полей), методов, интерфейсов и взаимосвязей (отношений между ними).С помощью UML-схем можно описывать разные процессы и явления[4].
Следует отметить, что не все типы диаграмм пригодны для выполнения поставленной задачи. Для проведения анализа выберем диаграмму классов.
Класс, на диаграмме классов UML (см. рис. 1),представлен единственным уровнем абстракции и не имеет инструментов позволяющих декомпозировать систему на функциональные подсистемы. Также, одним из недостатков UML является отсутствие инструментов позволяющих связывать диаграммы друг с другом по заданным структурным связям, что накладывает дополнительные трудности в использовании, либо вынуждает использовать иные виды нотаций.
Таким образом, на текущий момент UMLне позволяет комплексно отобразить подобную информацию без применения нескольких (порой очень громоздких) диаграмм. Во избежание описанных недостатков следует применять специальные программные комплексы, например IBMRationalRhapsody, позволяющие компилировать готовые программы из нескольких связанных UMLдиаграмм.Средства МЭО позволят устранить подобную проблему за счёт декомпозиции НЕ-факторов. Это входит в набор специфики МЭО.
В перспективе развития принципов UML, как средства реализации МЭО, акцентируем важность наличия инструмента, связывающего диаграммы друг с другом, наличия механизма декомпозиции системы на функциональные подсистемы, а также внедрение внешних и внутренних границ для отслеживания технологических процессов, при условии статической модели представления данных. Подобный инструментарий позволит в полной мере замкнуть на себе полный цикл проектирования большего количества современных программных систем.
3 МЭО в SADT/IDEF0
Модель IDEF0 – это графическое описание системы, созданное с определённой целью и с выбранной точки зрения, содержащее одну или больше диаграмм, которые изображают функции системы с помощью графики, текста и глоссария [5].
Декомпозиция является основной идеей структурного подхода, т.е. разделение системы на функциональные подсистемы. Декомпозиция системы до атомарного уровня (элементарных операций) представляет собой переход к иному уровню абстракции, т. е. выделению существенных и отвлечению от несущественных аспектов системы.
На рис. 2а и 2б продемонстрирован пример технологического описания структурно-функциональной модели в нотации графического моделирования IDEF0.На верхнем уровне система представляет собой контекстную диаграмму, в которой на вход поступают материалы, а на выходе получают готовое изделие или брак. В качестве документа управления выступает маршрутная карта технологического процесса, в качестве механизмов – оборудование и оснастка, а также персонал участка сборки.
Из приведённого примера видно явное отличие от инструментальных средств UML, а именно: отсутствие инструментов позволяющих описывать и просматривать структуру классов (объектов, интерфейсов и прочих), взаимодействие и последовательность операций связанных непосредственно с каждым из объектов на каждом из уровней, что не полностью реализует идею абстрактных уровней с вероятной модификацией структурных связей объектов и отношений между ними. Данная декомпозиция возможна в IDEF0, но только ручным способом, что значительно увеличивает объём структурно-функциональной модели. Каждый структурный блок должен раскладываться на необходимые для проектировщика схемы, диаграммы классов, правила и закономерности поведения объектов на каждом из уровней декомпозиции.
Модель IDEF0 также имеет существенный недостаток для оценивания системы в целом, который заключается в отсутствии возможности построить пространство поиска решений, соответствующих данному техническому заданию, что присуще онтологическому моделированию.
В перспективе развития принципов IDEF0, как средства реализации МЭО, акцентируем важность наличия инструмента, объединяющегодекомпозированные диаграммы друг с другом, средства схожие с диаграммами классов и объектов,а также наличия механизма автоматического поиска решения, при условии статической модели представления данных.
4 МЭО в онтологии
Онтология – философская наука о бытии, основных видах и свойствах бытия. Статус онтологии как важной философской дисциплины обусловлен тем, что при разработке всех конкретных теорий необходимо исходить из более общих (фундаментальных) теорий. Поэтому своя «онтология» есть у каждой из наук.
На практике онтология – формальное описание знаний предметной области с учётом имеющихся сложных правил и связей между элементами, позволяющими сделать автоматическое извлечение знаний. Онтологии служат для систем организации знаний и применяются в тех областях, где требуется обнаружить новые факты, выявить скрытые взаимосвязи между элементами. Онтологии используют гипотезу открытого мира, то есть если чего-то нет в базе знаний, то это не обязательно не существует, а просто не описано. Онтология представляет собой некий словарь данных, включающий в себя и терминологию, и модель поведения системы [6].
На рис. 3a продемонстрирован примердиаграммы строгой классификации, а на рис. 3б –пример композиционной схемы. Диаграмма классификации обеспечивает механизм для логической систематизации знаний, накопленных при изучении системы. Композиционные схемы являются механизмом графического представления состава классов онтологии и фактически представляют собой инструменты онтологического исследования по принципу «Что из чего состоит»
На текущий момент онтологии имеют слабый механизм работы с данными по аналогии с объектно-ориентированными языками программирования и совершенно не умеют выполнять арифметические операции. Главным преимуществом онтологий является возможность построить пространство поиска решений, соответствующих данному техническому заданию, чем и занимается редактор онтологий.
Формат представления онтологий задаёт вид их хранения в библиотеке, способ передачи онтологических описаний другим потребителям и метод обработки её концептов. В качестве форматов онтологических описаний разработаны определённые языки представления онтологий, наиболее известными из которых являются OWL, RDFS, KIF [7].
Применение МЭО в рамках онтологического инжиниринга позволяет существенно расширить функционал последнего, тем самым представляя собой старт к дальнейшим модификациям методов и средств использования онтологий.МЭО в классической онтологии в виду внедрения физической семантики, по сути, изменяет гипотезу открытого мира на расширенную противоположную, подобную базам данных «гипотезу закрытого мира» (работаем только с тем, что описано, но с сохранением свойств открытой гипотезы, необходимых для функционирования онтологии в привычном виде), что связано с необходимостью изолировать или конкретизировать данные на каждом этапе проектирования системы.
Таким образом, добавление инструментария объектно-ориентированного программирования наряду с механизмом декомпозиции, чем обусловлена физическая семантика в МЭО,даст миру новый тип базыданных с расширенной «гипотезой закрытого мира», позволяющей делать автоматическое извлечение знаний и накапливать их.
Выводы
Таким образом, используя принципы UML, SADT/IDEF0 и онтологии как средства реализации МЭО, можно значительно расширить имеющиеся базовые возможности каждой концепции.Это указывает на положительную сторону перспективы использования метаэвристического подхода в этих концепциях и имеет перспективу развития в этом направлении.
Результаты проведённого анализа явно демонстрируют необходимость появления комплексной нотации, содержащей схожие инструменты от каждой из описанных моделейметодом расширения стандарта SADT/IDEF4X или SADT/IDEF4++[8]путем объединения с концепцией онтологийSADT/IDEF5.Это может послужить начальной точкой к появлению нового стандарта SADT/IDEF5/4++ отсутствующего на момент написания текущей статьи, что явно означает концепт онтологического моделирования, расширенный средствами языка программирования С++.
Литература
- Григорьев А.В. Семантика модели предметной области для интеллектуальных САПР. Научные труды Донецкого государственного университета. Серия "Информатика, кибернетика и вычислительная техника", (ИКВТ-2000) выпуск 10. - Донецк, ДонГТУ, 2000. - С. 148-154.
- Григорьев А.В. Унифицированная концептуальная модель предметной области. В кн. Информатика, кибернетика и вычислительная техника (ИКВТ-97). Сборник трудов ДонГТУ, Выпуск 1. Донецк: ДонГТУ, 1997. - С. 225-228.
- Григорьев А.В. Каспаров А.А., Горшкова Е.Н. Особенности реализации метаэвристической оболочки для построения САПР. Научные труды Донецкого государственного технического университета Серия: Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем, выпуск 10: - Донецк, ДонГТУ, 1999. - С. 217-222.
- Ovidiu S. Noran, Business modelling: UML vs IDEF, School of computing and information technology. Griffith university 2011
- РД IDEF0-2000. Методология функционального моделирования. – М.: Издательство стандартов, 2000. – 75 с.a
- Палагин А. В. Онтологические методы и средства обработки предметных знаний / А. В. Палагин, С. Л. Крывый, Н. Г. Петренко. – [монография] – Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2012. – 323 с.
- Цуканова О.А. Методология и инструментарий моделирования бизнес-процессов: учебное пособие - СПб.: Университет ИТМО, 2015. – 100 с.
- Инфостарт журнал. Новости индустрии автоматизации учета infostart.ru[Электронный ресурс] / Интернет-ресурс. Режим доступа: https://infostart.ru/pm/1430187/ - Загл. с экрана.