Концепция разработки функционально - структурных моделей сложных организационно-технических систем
Автор: Пользователь скрыл имя, 03 Апреля 2013 в 21:44, статья
Описание работы
Основные понятия и определения. СОТС (SOTS – complex organization and technical
systems) будем называть антропогенную систему, в которой технические средства и организацион-
ные структуры, управляющие этими средствами и их жизненным циклом (ЖЦ), совместно взаимо-
действуют для реализации определенной цели (иерархии целей) [1]. При этом параметры и структу-
ра СОТС изменяются на различных стадиях ЖЦ под действием объективных и субъективных при-
чин [2].
Работа содержит 1 файл
1
УДК 001.891+004.434
КОНЦЕПЦИЯ РАЗРАБОТКИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНЫХ МОДЕЛЕЙ
СЛОЖНЫХ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
А.К. Щеглов, Д.К. Щеглов*
Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)
*ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» (ОАО «КБСМ»)
Предложена концепция разработки функционально-структурных моделей сложных органи-
зационно-технических систем (СОТС) в основу которой положены метамодель Дж. Захмана и
язык графического описания для объектного моделирования UML 2.x.
Основные понятия и определения. СОТС (SOTS – complex organization and technical
systems) будем называть антропогенную систему, в которой технические средства и организацион-
ные структуры, управляющие этими средствами и их жизненным циклом (ЖЦ), совместно взаимо-
действуют для реализации определенной цели (иерархии целей) [1]. При этом параметры и структу-
ра СОТС изменяются на различных стадиях ЖЦ под действием объективных и субъективных при-
чин [2].
В общем случае СОТС можно представить в виде кортежа:
))
(
),
(
),
(
(
t
G
t
W
t
S
ots
r
=
,
в котором:
(
)
k
i
S
S
S
S
t
S
r
r
r
r
r
,...,
...,
,
,
)(
2
1
=
– матрица состояний СОТС, где t – время,
(
)
i
q
i
i
i
i
x
x
x
x
S
,...,
,...,
,
2
1
μ
=
r
– векторы состояния архитектуры правил, организационной, технической,
функциональной архитектур, инфраструктуры и архитектуры событий (индекс
k
i
,1
=
соответствует
архитектуре
i
A
, где
k
– количество архитектур),
i
x
μ
– показатели состояния архитектуры
i
A
;
(
)
)(
),
(
),
(
),
(
)(
t
u
t
b
t
R
tI
t
W
=
– внешнее окружение СОТС, включающее вход
)(tI
и выход
)(t
R
СОТС, связь с внешней средой
)(t
b
и обратную связь
)(t
u
;
(
)
)(
,
,
)(
t
P
t
G
Ω
Ψ
=
– внутреннее окружение СОТС, включающее множества (совокупности)
взаимосвязанных компонентов технической подсистемы Ψ и организационной подсистемы Ω , а также
)
(t
P
– множество бизнес-процессов взаимодействия этих подсистем, т.е.
)
(t
P
→
Ω
⊗
Ψ
,
)(
)(
:)
(
t
R
tI
t
P
→
.
Жизненный цикл (life cycle) СОТС будем рассматривать как совокупность процессов,
выполняемых от момента выявления потребности в создании до прекращения существования СОТС [3].
Под процессом (process) понимается некое преобразование входных потоков (энергии, вещества и
информации) в выходные. Процесс, охватывающий взаимосвязанные работы, направленные на
достижение конечных (измеряемых) результатов, обеспечивающих достижение цели СОТС, будем
называть бизнес-процессом (business process).
Стадией ЖЦ (life cycle stage) СОТС будем называть условную часть ЖЦ, характеризующуюся
существенным отличием показателей состояния СОТС (например, стадия маркетинговые
исследования – показатели характеризующие концепцию изделия; проектирование – комплект
документации; эксплуатация – изделие; утилизация – вторсырье).
Эффективность (efficiency) СОТС в общем случае определим как свойство ее целевого
применения, отражающее взаимосвязь между результативностью, затраченным временем и
ресурсами (интеллектуальными, материальными, финансовыми, информационными и т.д.) [4, 5].
Результативность (effectiveness) определим как степень реализации запланированной деятельности и
достижения запланированных результатов (иными словами, степень достижения поставленной цели).
Управление ЖЦ (life cycle management) СОТС понимается как комплекс мероприятий (бизнес-
процессов), направленных на минимизацию времени и ресурсов, необходимых для эффективного
функционирования СОТС на каждой стадии ее ЖЦ. Объектами управления в этом бизнес-процессе
могут являться элементы организационной и технической подсистем СОТС, а также ключевые
показатели бизнес-процессов объединяющих эти подсистемы. При этом управляющие воздействия
2
формируются в рамках соответствующих контуров управления (персоналом, цепочками поставок,
техническим состоянием, запасами элементов замены оборудования, информацией и т.д.).
Создание системы управления ЖЦ СОТС требует разработки адекватной функционально-
структурной модели (functional and structural model) – ФСМ СОТС [6] (т.е., по сути, решения
задачи идентифицируемости, обратной задачи теории управления). При разработке ФСМ СОТС
целесообразно ввести понятия объекта-оригинала (существующего объекта реального мира) и
идеализированного объекта (исключающего свойства и связи, затрудняющие доказательство
естественных закономерностей, характерных для объекта реального мира).
Примем, что ФСМ СОТС – это виртуальная форма представления объекта, воспроизводящая
отдельные свойства и характеристики структурных элементов и процессов функционирования
объекта-оригинала и предназначенная для структурирования и систематизированного описания:
целей и основных процессов функционирования СОТС, ресурсов, требующихся для реализации
этих процессов, топологии структурных элементов СОТС и связей между ими, основных
технических характеристик этих элементов. При этом стоит подчеркнуть, что ФСМ не
предназначена для прямого (подробного) отображения объекта-оригинала.
Разработкой методов функционально-структурного исследования объектов (в основном для
поиска новых проектно-конструкторских решений) в разное время занимались многие инженеры и
ученые [7]. Однако разработанный ими научно-методический инструментарий не позволяет
построить ФСМ СОТС полностью удовлетворяющую приведенному выше определению.
Пусть правила создания ФСМ СОТС регламентируются метамоделью (metamodel), то есть
моделью, описывающей структуру и принципы действия ФСМ. В основе метамодели ФСМ СОТС
лежит принцип декомпозиции описываемой предметной области на совокупность взаимосвязанных
частных моделей. Тогда, решение задачи моделирования СОТС требует разработки концепции построе-
ния метамодели, позволяющей описать структурную динамику СОТС на различных стадиях ее ЖЦ. В
зависимости от цели моделирования (например, описание уже существующих СОТС, модернизация
СОТС, разработка новых и т.п.) в состав метамодели должны входить частные модели, отображающие
состояние объекта-оригинала «как есть» («as-is») и/или «как должно быть» («to be»).
Для построения ФСМ СОТС будем использовать совокупности традиционных принципов и ме-
тодов системного анализа, а также архитектурный подход, реализованный в метамодели Дж. Захмана
(Zachman Framework, 1978 [8]), а для формирования ряда частных моделей – язык графического опи-
сания для объектного моделирования UML 2.x (Unified Modeling Language, 2005 [9]).
В соответствии с тем, какая подсистема СОТС является доминирующей (организационная
или техническая), целесообразно различать два вида метамоделей ФСМ СОТС: организационно-
ориентированную и технико-ориентированную. Последняя представляет для авторов наибольший
практический интерес, поэтому рассмотрим вариант ее построения более подробно.
Технико-ориентированная метамодель ФСМ СОТС. Пусть совокупность вопросов, состав-
ляющих основу ФСМ СОТС, образует множество
k
i
i
q
Q
1
}
{
=
=
, где
k
– количество элементов мно-
жества Q . Элементы
i
q интерпретируем следующим образом:
1
q – «зачем?» («why?») – мотивация (motivation), потребности в СОТС, цели функциониро-
вания и стратегия ее использования;
2
q – «кто?» («who?») – организационные структуры (organization), их иерархия, распределе-
ние функций и ответственности;
3
q – «что?» («what?») – техника (technical), технические системы, обеспечивающие дости-
жения цели СОТС, распределение их функций;
4
q – «как?» («how?») – способы, методы, приемы (methods), бизнес-процессы, функциональ-
ное описание СОТС, отражающее специфику ее работы;
5
q – «где?» («where?») – дислокация (location & logistics) подсистем СОТС ее агрегатов, ло-
гистические связи между ними;
6
q – «когда?» («when?») – время и сроки (time), которые могут быть абсолютными и относи-
тельными, отражающими взаимосвязанность бизнес-процессов (операций) в СОТС.
3
Ответы на поставленные вопросы будем искать на пяти уровнях представления (проекциях
ФСМ СОТС, соответствующих различным точкам зрения), образующих множество
n
j
j
e
E
1
}
{
=
=
, где
n
– количество элементов множества E . Элементы
j
e соответствуют следующим уровням пред-
ставления:
1
e – стратегический (strategic) – описание СОТС в целом, отражающее общие сведения о мо-
делируемом объекте и его внешнем окружении, ключевые аспекты его функционирования и/или
развития в глобальной системе координат;
2
e – концептуальный (conceptual) – описание внутреннего окружения СОТС в целом, где она
рассматриваются на самом высоком уровне абстракции (abstraction) – ключевых сущностей, опи-
сывающих поведение моделируемого объекта;
3
e – логический (logic) – описание подсистем СОТС и их взаимосвязей на уровне классов
(class), где под классом понимается совокупность действий и свойств, характеризующих модели-
руемый объект или его подсистемы;
4
e – физический (physical) – описание СОТС на уровне объектов – конкретных экземпляров
классов подсистем моделируемого объекта;
5
e – операционный (operational) – описание процессов на уровне регламентов функциониро-
вания подсистем и агрегатов СОТС.
Тогда, каждому элементу прямого произведения множеств Q и E поставим в соответствие
ji
m – перечни, статические и динамические модели, то есть
M
E
Q
⎯→
⎯
⊗
Δ
,
ji
j
i
m
e
q
→
Δ
)
,
(:
, где
Q
q
i
∈
,
E
e
j
∈
,
M
m
ji
∈
,
k
i
,1
=
,
n
j
,1
=
, M – метамодель.
Полученное отображение формирует табличное представление метамодели ФСМ СОТС –
матрицу размерности
n
k
×
, где столбцы соответствуют вопросам
k
q
q
q
,
,
,
2
1
K
, а строки – уровням
n
e
e
e
,
,
,
2
1
K
. Это представление приведено Таблице 1.
Таблица 1 – Технико-ориентированная метамодель ФСМ СОТС.
ЗАЧЕМ?
КТО?
ЧТО?
КАК?
ГДЕ?
КОГДА?
Мотивация
Люди
Техника
Процессы
Дислокация
Время
Стратегический
(контекстный)
уровень
Стратегическая
цель СОТС
Структура
внешней среды
организационной
подсистемы СОТС
(Class diagram)
Структура внешней
среды технической
подсистемы СОТС
(Class diagram)
Схема взаимодейст-
вия СОТС с
внешней средой
(Interaction Overview
diagram)
География внешней
среды СОТС
Основные
вехи и периоды в
достижении стратеги-
ческой
цели СОТС
Концептуальный
уровень
Концептуальная
модель целей
СОТС
Структура органи-
зационной подсис-
темы СОТС
(Class diagram)
Структура техниче-
ской подсистемы
СОТС
(Class diagram)
Модель бизнес-
процессов СОТС
(Interaction Overview
diagram)
Архитектура распре-
деленной инфра-
структуры СОТС
Базовый график
работ СОТС
Логический
уровень
Функциональные
требования
к СОТС
Функциональные
взаимосвязи
субъектов СОТС
(Use Case diagram)
Композитная
структура техниче-
ской подсистемы
СОТС (Composite
Structure diagram)
Логические модели
потоков работ СОТС
(Activity diagram)
Информационная
модель логистической
подсистемы СОТС
(Class diagram)
Структура обработки
событий СОТС (State
Machine diagram)
Физический
уровень
Технические
требования
к СОТС
Штатное расписа-
ние СОТС
(Communication
diagram)
Агрегатная архитек-
тура СОТС
(Component
diagram)
Автоматизация
технологических
процессов СОТС
(Sequence Diagram)
План размещения
технических компо-
нентов СОТС
(Deployment diagram)
Структура циклов
управления
(Timing diagram)
Операционный
уровень
Эксплуатационные
требования
к СОТС
Должностные
инструкции
персонала СОТС
Алгоритмы работы
СОТС
Инструкции
по эксплуатации
СОТС
Инструкции по
размещению и
монтажу техники
СОТС
Спецификации
обработки событий и
прерываний циклов
управления СОТС
Представленная в Таблице 1 метамодель обладает следующими свойствами:
─ нет заданного порядка расположения столбцов
)
,...,
,
(
2
1
ki
i
i
i
m
m
m
m =
r
;
─
i
i
m
q
r
→
,
M
m
i
∈
r
и соответствуют
i
A архитектуре;
─
i
m
r
, i∀ уникальна и должна иметь в своей основе простую базовую модель;
4
─ каждый ряд
}
,...,
,
{
2
1
jn
j
j
j
m
m
m
m =
соответствует полному описанию СОТС с соответствую-
щей точки зрения, т.е.
j
j
m
e →
,
M
m
j
∈
;
─ каждая модель
ji
m уникальна.
Следует отметить, что практическое применение предлагаемой метамодели подразумевает
введение ограничений и допущений, удовлетворяющих особенностям конкретной СОТС, целям
моделирования и требуемому уровню детализации частных моделей
ji
m .
Рассмотрим суть перечней и моделей
M
m
ij
∈
.
11
m – стратегическая цель (или миссия) – отражает конечный результат (качественные и ко-
личественные ориентиры) на достижении которых направлена СОТС в глобальной системе коорди-
нат. В общем случае стратегическая цель характеризуется: содержанием цели, масштабом и крите-
риями достижимости, сроком достижения.
21
m – концептуальная модель целей СОТС – дерево концептуальных целей (конечных ре-
зультатов) на достижение которых направлена СОТС в собственной системе координат; описание
взаимосвязей между концептуальными целями. Концептуальную модель целей можно сформиро-
вать на основе концепции «дерева целей», предложенной Ч. Черчменом и Р. Акоффом (the «goals
tree» conception, 1957 [11]).
31
m – функциональные требования к СОТС – по сути, устанавливает взаимосвязи между
концептуальными целями и функционально-логическими компонентами СОТС с учетом правил и
операторов, которые определяют или ограничивают те или иные аспекты достижения концептуаль-
ных целей СОТС; описание общих функциональных требований, предъявляемых к соответствую-
щим классам подсистем СОТС. Для формирования функциональных требований можно применить
метод консолидированных узлов, предложенный Л. Даниловой и Д. Щегловым (the knots consoli-
dated method, 2011 [12]).
1
4
m – технические требования к СОТС – описание детальных технических и технологиче-
ских требований к конкретным подсистемам и агрегатам СОТС (т.е. значений технических и техно-
логических характеристик элементов СОТС), которое базируется на принятых метриках функцио-
нальных требований СОТС с учетом их распределения по подсистемам СОТС.
51
m – эксплуатационные требования к СОТС – детальные требования к технологии функ-
ционирования подсистем СОТС и ее агрегатов, обеспечивающих достижение заданных технических
требований.
12
m – структура внешней среды организационной подсистемы СОТС – совокупность плани-
рующих, исполняющих, управляющих и координирующих организационных структур, связанных с
обеспечением функционирования СОТС и ее взаимодействием с внешней средой в глобальной сис-
теме координат. Формализованное описание внешней среды организационной подсистемы может
быть построено на основе диаграммы классов (class diagram) языка UML.
22
m – структура организационной подсистемы СОТС ( Ω ) – описание ключевых ролей орга-
низационных субъектов Ω (в том числе, основных признаков характеризующих эти роли), а так же
взаимосвязей (отношений) между ролями. Формализованное описание
Ω
может быть построено на
основе диаграммы классов (class diagram) языка UML.
32
m – функциональные взаимосвязи субъектов СОТС – описание основных функций выде-
ленных ролей Ω , зон их ответственности. Функциональные взаимосвязи могут быть описаны по-
средством диаграммы вариантов использования (use case diagram) языка UML.
42
m – должностная иерархия (штатное расписание) – порядок подчиненности должностных
звеньев. Для построения иерархической структуры применяют метод декомпозиции, для формали-
зованного описания порядка взаимодействия должностных звеньев возможно применение диаграм-
мы коммуникации (communication diagram) языка UML.
52
m – должностные инструкции – описание должностных обязанностей каждой роли на при-
вычном языке.
5
13
m – структура внешней среды технической подсистемы СОТС – описание структуры тех-
нических компонентов внешней среды СОТС и логических взаимосвязей этих компонентов с СОТС.
Формализованное описание технических компонентов внешней среды технической подсистемы
СОТС может быть построено на основе диаграммы классов (class diagram) языка UML.
23
m
– структура технической подсистемы СОТС ( Ψ ) – описание информационной модели и
логических взаимосвязей компонентов технического комплекса СОТС, обеспечивающего выполне-
ние технологического процесса. Формализованное описание информационной модели
Ψ
может
быть построено на основе диаграммы классов (class diagram) языка UML.
33
m – композитная модель технической подсистемы СОТС – описание внутренней (компо-
зитной) структуры компонентов Ψ , формализованное описание которой может быть построено на
основе диаграммы композитной структуры (composite structure diagram) языка UML.
43
m – агрегатная архитектура технической подсистемы СОТС – описание конкретной реали-
зации Ψ . Формализованное описание агрегатной архитектуры технической подсистемы СОТС мо-
жет быть построено на основе диаграммы компонентов (component diagram) языка UML.
53
m
– алгоритмы работы агрегатов технической подсистемы СОТС – описание алгоритмов
работы агрегатов Ψ может быть осуществлено на основе символьно-предикатных формализован-
ных языков [13] или на естественном языке.
14
m – ключевые бизнес-процессы внешней среды СОТС – перечень ключевых бизнес-
процессов внешней среды и их влияние на СОТС; взаимосвязи СОТС с внешней средой, т.е.
)(t
b
.
Формализованное описание бизнес-процессов внешней среды возможно на основе диаграммы обзо-
ра взаимодействия (interaction overview diagram) языка UML.
24
m – модели бизнес-процессов СОТС – концептуальное описание основных бизнес–
процессов СОТС. Формализация бизнес процессов на концептуальном уровне возможна на основе
диаграммы обзора взаимодействия (interaction overview diagram) языка UML.
34
m – логические модели потоков работ СОТС – детальное описание потоков работ, произво-
димых СОТС. Формализация возможна на основе диаграммы деятельности (activity diagram) языка.
44
m – автоматизация технологических процессов СОТС – пошаговое формализованное опи-
сание операций автоматизированных технологических процессов СОТС. Формализация может быть
построена на основе диаграммы последовательностей (sequence diagram) языка UML.
54
m – инструкции по эксплуатации СОТС – пошаговое описание процессов эксплуатации
СОТС на естественном языке.
15
m – география внешней среды СОТС – описание регионов и мест дислокации структурных
компонентов СОТС: их природные, климатические, экологические и прочие особенности.
25
m – архитектура распределенной инфраструктуры СОТС – описание географического рас-
пределения объектов собственности СОТС, описание распределенной структуры транспортных,
энергетических, телекоммуникационных и прочих систем обеспечения СОТС.
35
m – информационная модель логистической подсистемы СОТС – описание логической
структуры компонентов логистической подсистемы СОТС и их взаимосвязей. Формализованное
описание информационной модели логистической подсистемы СОТС может быть построено на
основе диаграммы классов (class diagram) языка UML.
45
m – план размещения технических компонентов СОТС – описание порядка развертывания
технических средств СОТС на местности и по объектам. Формализация возможна на основе диа-
граммы развертывания (deployment diagram) языка UML.
55
m – инструкции по размещению и монтажу техники СОТС – описание порядка размещения
и монтажа техники СОТС на естественном языке.
16
m – основные вехи и периоды в достижении стратегической цели СОТС – перспективный
план эксплуатации и развития СОТС.
6
26
m – базовый график работ СОТС – иерархический план-график работ СОТС на средне-
срочную и ближайшую перспективы (портфели заказов СОТС – производственные планы организа-
ционных субъектов СОТС – планы работ подразделений субъектов СОТС – детальные графики вы-
полнения работ на местах).
36
m – структура обработки событий СОТС – описание модели поведения ключевых ролей
организационных субъектов и технических компонентов СОТС при управляющих воздействиях и
откликах на них (обратные связи) в процессе производства работ СОТС. Формализованное описание
обработки событий СОТС возможно на основе диаграммы конечных автоматов (state machine dia-
gram) языка UML.
46
m – структура циклов управления – визуализация взаимодействия ролей организационных
субъектов и технических компонентов СОТС в контексте времени. Формализованное описание струк-
туры циклов управления возможно на основе временной диаграммы (timing diagram) языка UML.
56
m – спецификации обработки событий и прерываний циклов управления СОТС – описание
обработки событий и прерываний циклов управления СОТС на естественном языке.
Заключение. Предлагаемая ФСМ СОТС является основой для решения широкого спектра
практических задач, в том числе проведение конкурентного системного мониторинга больших сис-
тем. Следует отметить, что для более всестороннего учета системной динамики СОТС предлагаемая
метамодель может быть дополнена моделями, формируемыми на основе теории (законов) развития
технических систем и коллективов, сформулированных Г.С. Альтшуллером [10].
Библиографический список
1.
Смирнов О.Л. Методологические аспекты построения сложных организационно-технических сис-
тем.// Вопросы моделирования организационно-технических систем. Сб. трудов., Вып.7., –М.: ВНИИ СИ,
1981, с. 3 – 21.
2.
Соколов Б.В. Теоретические основы управления структурной динамикой сложных технических
систем// Интернет. www.apmath.spbu.ru/SEMM/proceedings/Sokolov1/Sokolov1.doc
3.
Юсупов Р.М., Соколов Б.В., Птушкин А.И., Иконникова А.В., Потрясаев С.А., Цивирко Е.Г. Анализ
состояния исследований проблем управления жизненным циклом искусственно созданных объектов.//
Труды СПИИРАН. Вып. 1(16), СПб., 2011, С. 37 – 109.
4.
Реутов А.П., Савченко Р.Г., Суслов Р.М. Системная модель как отношение обобщенных качеств –
упорядоченности, надежности и эффективности. //Сб. трудов «Вопросы кибернетики. Управление разви-
тием систем» – М.: ВИНИТИ, 1979, – С. 5 – 34.
5.
Макаров Ю.Н., Строцев А.А. Методология исследования сложных организационно-технических
систем, функционирующих в конкурентной среде при ограниченных ресурсах.// Ростов н/Дону, Изд.
ЮФУ, 2010, 132 с.
6.
Балашов Е.П. Эволюционный синтез систем. – М.: Радио и связь, 1985, 328 с.
7.
Кудрявцев А.В. Методы функционально-структурного исследования объектов./ Интернет.
http://www.metodolog.ru/00445/00445.html
8.
Zachman J.
The Zachman Framework™: The Official Concise
Definition/
Интернет.
http://www.zachmaninternational.com/index.php/the-zachman-framework
9.
Гома Х. UML-проектирование систем реального времени параллельных и распределенных прило-
жений Изд.: ДМК Пресс, 2011, 700 с.
10. Альтшуллер Г.С. Найти идею: Введение в ТРИЗ – теорию решения изобретательских задач. – М.:
Альпина Бизнес Букс, 2007, 400 c.
11. Черчмен Ч. , Акофф Р., Арноф Л. Введение в исследование операций./ Пер. с англ., М., 1968.
12. Данилова Л.Г., Щеглов Д.К. Методология создания единого информационного пространства ракет-
но-космической отрасли.// Журнал «Rational Enterprise Management», №6. – СПб.: 2010. –С. 12 – 15.
13. Помазанов И.Н. Ускоренное символьно-предикатное моделирование организационно-технических
систем предприятий./ Дис. канд. техн. н., СПбГЭУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), СПб., 2002,
167 с.
______________________________________
Щеглов А.К., Щеглов Д.К. Концепция разработки функционально-структурных моделей сложных организационно-технических систем//
Старт в будущее – 2013: Всероссийская научн.-технич. конф. Труды третьей научн.-технич. конф. молодых ученых и специалистов/
ОАО «КБСМ». – СПб.; 2013. – C. 278 –284
Информация о работе Концепция разработки функционально - структурных моделей сложных организационно-технических систем