Предметная область и моделирование АИС

АИС – модель предметной области

Предметная область – это совокупность объектов реального или предполагаемого мира, рассматриваемых в пределах данного контекста, который понимается как отдельное рассуждение, фрагмент научной теории или теория в целом и ограничивается рамками данного контекста.

В научных и инженерных кругах, занимающихся вопросами теории и практики автоматизированных информационных систем (АИС) под предметной областью понимают систематизированную совокупность объектов, свойств объектов, связей между объектами и функции, выполняемые объектами, деятельность которых является предметом автоматизации с помощью АИС. При этом, под простым объектом предметной области – понимается носитель совокупности характеризующих его свойств, через которые проявляется сущность объекта и которые неотделимы от него.

Данное определение является достаточно абстрактным, но только так и можно, с позиции теории больших систем, коротко охарактеризовать предмет нашего дальнейшего рассмотрения, не прибегая к перечислению огромного количества областей человеческой деятельности, которые и являются предметными областями автоматизированных информационных систем.

Ядром (основой) любой АИС является информационная база (ИБ), строгое определение которой будет дано ниже. ИБ представляет статичную, информационную модель предметной области АИС, т.е. содержит систематизированное описание совокупности объектов, свойств объектов и связей между объектами в предметной области. Совокупность функций, выполняемых объектами, моделируется программным обеспечением АИС. Таким образом АИС представляет собой динамическую модель конкретной предметной области.

В качестве примеров предметных областей АИС различного назначения можно назвать следующие:

библиотека – для библиотечной АИС;

цех или завод – для АИС управления предприятием;

система целей – для АИС управления огнем средств ПВО;

банк – для финансовой АИС;

учебный курс или дисциплина – для автоматизированной системы обучения;

и т.п.

^ Описание предметной области, уровни моделирования

Единая информационная база может одновременно, или в различные моменты времени, обеспечить совершенно разные функциональные требования пользователей АИС. Совместно используя общую информацию, эти пользователи устанавливают диалог друг с другом через систему. Очевидно, для того, чтобы эта связь была полезной и надежной, должносуществовать общее понимание информации, представленной в ИБ. Так как два пользователя могут никогда не встретиться, это общее понимание должно относиться к чему-либо внешнему по отношению к ним обоим. Объекты и события, к которым относится общее понимание информации – это объекты и события предметной области.

Предметная область состоит из реальных и абстрактных объектов, которые называют сущностями. Можно считать также, что она состоит из классов сущностей – например, люди, подразделения фирмы, даты. Классификация основывается на сходстве и учитывает характеристики, общие для нескольких сущностей. Выбор характеристик для группировки сущностей в классы произволен и осуществляется прагматически, в зависимости от целей анализа. В предметной области также рассматриваются некоторые общие свойства, которыми обладают сущности, которые их классифицируют, связывают и т. д. в данной предметной области. Они могут обозначаться как “классификации”, “правила”, “законы” или “ограничения”, касающиеся состояния и поведения сущностей в предметной области.

Все то, что считается частью предметной области, зависит от времени, то есть выбранные объекты и события могут со временем изменяться. Это в равной степени относится и к классификациям, правилам, законам, но как правило, частота их изменения будет меньше.

Повторим, что информация, содержащаяся в АИС, дает описание предметной области. Конкретное физическое представление этой информации называют базой данных для АИС. Классификации, правила, и т.д. представляют основной интерес для системного аналитика, проектирующего АИС. При анализе предметной области он должен установить именно эти факты, обсудить их с заказчиком (пользователем) и описать.

Разработка любой АИС начинается с системного анализа предметной области, в результате которого создается концептуальная схема предметной области (рис. 1.)

Рис.1. Описание предметной области
– представляющая собой непротиворечивую совокупность высказываний, истинных для данной предметной области, включая возможные состояния, классификации, законы, правила. При разработке концептуальной схемы значительную роль играет абстракция – формирование образов реальности (представлений, понятий, суждений) посредством отвлечения и пополнения.

Концептуальная схема предназначена для пользователей и разработчиков АИС. В том числе, концептуальная схема включает в себя единое центральное описание содержимого информационной базы и описание того, какие действия – типа обновления и выборки – допустимы над этой информацией.

Концептуальное представление концентрирует внимание на смысле информации, именно концептуальная схема описывает это представление. На базе концептуальной схемы создаются внешние схемы, описания которых сосредоточены на том, как представлена информация для пользователя (т.е. описаны прототипы интерфейсов пользователя). Описание внутреннего физического представления, данных в вычислительной системе содержится во внутренней схеме.

Такая трехсхемная архитектура описания предметной области АИС признана достаточно широко на уровне международной научно-технической общественности. Концептуальная схема помимо того, что она является в первую очередь моделью предметной области на концептуальном уровне, полученной в результате системного анализа, играет также ключевую роль в проектировании баз данных.

^ Основные принципы описания предметной области

Теоретической основой описания предметной области является интерпретируемая формальная система логики. Для выработки такой формальной системы логики для описания предметной области требуется:

1) определение алфавита, в котором можно однозначно и автоматически распознать, входит ли данный символ в алфавит (эти условия удовлетворяются при использовании обычных устройств ввода информации в ЭВМ);

2) обеспечение конечного набора эффективных правил (алгоритмов), определяющих, какие строки символов являются правильно построенными и какие правильно построенные строки следует рассматривать как предложения;

3) обеспечение конечного набора эффективных правил, определяющих, являются ли данное предложение аксиомой;

4) обеспечение конечного набора эффективных правил, определяющих, может ли данное предложение быть непосредственно выводимым из данного множества предложений;

5) обеспечение конечного набора правил интерпретации, приписывающих каждому предложению значение таким образом, что предложение интерпретируются как утверждения о предметной области – однозначно истинное или ложное.

Под аксиомой далее понимается любое замкнутое предложение, утверждаемое в качестве таковой авторитетным источником.

Аксиомы и правила вывода выбираются так, чтобы:

каждая аксиома интерпретировалась как истинное утверждение о предметной области;

каждое предложение, непосредственно выводимое из множества предложений, интерпретируемых как истинные утверждения о предметной области, само интерпретировалось как истинное утверждение о предметной области.

Таким образом этот процесс представляет собой точное воспроизведение обычного процесса дедуктивного вывода, выраженного в терминах формальной системы, для того, чтобы можно было применять для информационных систем ЭВМ.

Требования 1-4 относятся к синтаксису или грамматике концептуальной схемы и информационной базы. Требование 5 связано с семантикой концептуальной схемы и информационной базы.

Подходящая формальная система логики для описания предметной области может, в принципе, предъявлять минимальные требования к той части концептуальной схемы, которая встроена в информационный процессор (см. п. 1.2., 1.3.). То есть встроенная минимальная концептуальная схема может быть ограничена до необходимого минимума. Но на практике многие лингвистические конструкции, которые теоретически не нужны, могут быть включены в фактический информационный процессор по соображениям эффективности и удобства использования. Известно, что человеческое восприятие предметной области, а также передача этого восприятия другому лицу могут существенно отличаться у разных людей.

Проектировщик информационной системы должен иметь возможность выразить концептуальную схему в терминах, соответствующих рассматриваемой предметной области и восприятию ее пользователем. В частности, не должно налагаться никаких ограничений на сущности, наличие которых допускается в предметной области или на свойства, которыми они могут обладать. Проектировщик информационной системы ограничен только требованиями основных принципов логики, встроенных в информационный процессор, т.е. требованиями поддерживания непротиворечивости.

Учитывая также, что концептуальная схема должна быть простой в использовании и понимании для разнообразных пользователей, необходим механизм добавления лингвистических конструкций произвольной сложности (макроконструкций) в формальную систему, для того чтобы пользователи могли с ней взаимодействовать на любом требуемом уровне абстракции.

^ Взаимодействие предметной области, пользователей и АИС

Концептуальная схема и информационная база абсолютно неизменны, пока нечто не произведет изменения в них. Это нечто называют информационным процессом. То есть развивая дальше концепцию АИС, вводят понятие информационной системы, состоящей из кон­цептуальной схемы, информационной базы и информационного процессора.

Информационный процессор производит изменения в информационной базе или концептуальной схеме только при получении сообщения. Сообщение содержит информацию и/или выражает команды. Сообщения исходят из некоторой части реального мира, которую называют средой, которая может быть или не быть внешней по отношению к предметной области (рис. 2).

Р ис.2. Информационная система

При получении соответствующего сообщения, содержащего команду, информационный процессор может также выдавать информацию, имеющуюся в концептуальной схеме и информационной базе.

Информационная система отличается от среды следующим:

информационная система – это формальная система, среда в целом не является таковой;

поведение информационной системы полностью определяется ограничениями и правилами поведения, которые установлены, прямо или косвенно, средой;

информационная система по своей собственной инициативе никогда не устанавливает правила для среды;

информационная система, будучи полностью предсказуемой, не может отклоняться от предписанных правил или ограничений, а среда может отклоняться от своих правил.

В определенных случаях, при системном анализе рассматривают информационную систему вместе со средой как части некоторой более сложной системы, но последняя (сложная система) не может быть формальной или полностью предсказуемой. Поэтому далее термин “информационная система” используется с исключением из него среды и пользователей информационной системы, если другое не оговорено.

Пользователями информационной системы могут быть ЭВМ или другие системы, а также люди. Пользователь – это некто или нечто, посылающий команды и сообщения в информационную систему и получающий сообщения от информационной системы (он является частью среды). Некоторые пользователи имеют также полномочия устанавливать правила поведения или ограничения для информационной системы. При рассмотрении АИС управления (АИСУ), пользователи включаются в состав АИС и тогда такая система называется организационно-технической или человеко-машинной.

Информационный процессор передает сообщения между средой и информационной базой или концептуальной схемой, как показано на рис.2.