среднее профессиональное образование

К. Н. МезеНцев

АвтомАтизировАнные

информАционные

системы

Учебник

Рекомендовано

Федеральным государственным учреждением

«Федеральный институт развития образования»

в качестве учебника для использования в учебном процессе

образовательных учреждений, реализующих программы

среднего профессионального образования Регистрационный номер рецензии 488 от 2 июля 2009 г. ФГУ «ФИРО»

4-е издание, стереотипное УДК 002.6(075.32) ББК 32.973.202я723 М442 Р е ц е н з е н т ы:

преподаватель высшей категории Московского государственного техникума технологий и права, канд. техн. наук а. и. ильянков;

доцент кафедры информатики и информационных таможенных технологий Российской таможенной академии, канд. техн. наук о. в. зинюк Мезенцев К.Н.

М442 Автоматизированные информационные системы : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / К. Н. Мезен- ц ев. — 4-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2013. — 176 с.

ISBN 978-5-7695-9885- Рассмотрены вопросы анализа и синтеза информационных систем с точки зрения системного подхода. Приведены сведения о промышленных методологиях проектирования информационных систем IDEF0, IDEF1X, IDEF3. Особое внимание уделено описанию объектной методологии проектирования информационных систем, реализованной на базе универсального языка моделирования UML. Рассмотрены методика непрерывного управления качеством проектирования информационных систем и способы оценки экономической эффективности, полученной от их внедрения.

Для студентов учреждений среднего профессионального образования. Может быть полезен специалистам, работникам в области информационных технологий.

УДК 002.6(075.32) ББК 32.973.202я оригинал-макет данного издания является собственностью издательского центра «академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Мезенцев К. Н., © Образовательно-издательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-9885-2 © Оформление. Издательский центр «Академия»,

ВВЕДЕНИЕ

Современное общество можно назвать постиндустриальным.

Для современной действительности характерно использование информации и информационных ресурсов в различных областях человеческой деятельности.

Обеспечение информационными ресурсами организаций и отдельных физических лиц выполняется с помощью информационных систем. Такие системы могут быть реализованы как автоматизированные системы управления либо как автоматизированные информационные системы. Автоматизированные системы управления (АСУ) используются для принятия определенных решений, формирования определенных воздействий на объект управления. Автоматизированные информационные системы (АИС) предоставляют операторам системы и ее пользователям определенные данные, которые используются в процессе производственной деятельности. В данном учебнике рассматриваются АИС. Такие системы получили широкое распространение благодаря техническому прогрессу, достигнутому в области вычислительной техники.

Появление персональных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) с процессорами, обрабатывающими в реальном масштабе времени большие объемы данных, дало возможность использовать информационные ресурсы как отдельным физическим лицам, так и подразделениям организаций. Развитие сетевых технологий позволяет использовать распределенные информационные ресурсы и распределенные вычисления для обработки данных, размещенных на удаленных серверах сети.

Информационные системы являются разновидностью сложных и больших систем, поэтому проведение анализа и синтеза таких систем возможно только в рамках системного подхода.

Технология системного подхода позволяет:

• определить структуру информационной системы;

• выделить требуемые функции системы;

• провести параметрический анализ и синтез системы;

• выявить структуру и особенности информационных потоков данных.

Системный подход дает возможность также проводить анализ и синтез информационных систем как сложных. Любая сложная информационная система состоит из отдельных функциональных подсистем и является частью большой системы. В качестве такой системы выступает организация, для которой она была создана или приобретена. Системный подход предусматривает выделение в автоматизированных информационных системах ряда особенностей.

Информационная система — эта система, в составе которой присутствует человек. Человек в составе информационной системы образует отдельную подсистему. Можно выделить в общем виде две таких подсистемы:

1) пользователей — потребителей информационных ресурсов;

2) операторов — физические лица, выполняющие обслуживание данной системы.

Информационная система состоит из отдельных элементов, которые реализуют определенные функции системы. Совокупность элементов образует структуру данной системы. Функционирование отдельных элементов вне структуры системы невозможно.

Технический прогресс в области персональных ЭВМ позволил широко внедрить автоматизированные технологии проектирования информационных систем. Такие технологии реализуются в виде CASE-систем проектирования. Технологии CASE-проектирования позволяют:

• разрабатывать новые информационные системы;

• производить исследование созданных ранее систем либо приобретенных;

• автоматизировать процесс технической поддержки системы после передачи ее заказчику.

В составе информационной системы основным ее элементом является массив данных, который представляет собой отображение предметной области системы в виде модели, пригодной для обработки с помощью ЭВМ. В зависимости от назначения информационной системы такая модель может представлять в электронном виде определенные данные, документы, факты и правила их обработки.

В настоящее время разработаны различные технологии создания моделей предметной области. Создание модели неразрывно связано с технологией обработки данных с помощью ЭВМ по определенной методологии.

Одним из современных подходов к программированию функций системы и моделированию предметной области является использование объектной технологии. Для реализации данной технологии применяются средства объектного программирования, предоставляемые такими языками высокого уровня, как С++, Jаvа, Objесt Pаsсаl. Процесс анализа и синтеза информационных систем на базе объектной технологии выполняется с помощью языка универсального моделирования UML. Объектная технология получила широкое распространение при создании систем управления базами данных (СУБД) постреляционного типа.

Объектная парадигма нашла также свое отражение в методологии IDEFX1, которая используется для выделения объектов в предметной области информационной системы и установления связей между ними.

Наряду с объектными методологиями широко распространены структурно-функциональные методологии. Данные методологии позволяют выполнить анализ и синтез бизнес-процессов организации. Структурно-функциональная методология используется в виде методологии IDEF0.

Анализ и синтез структуры процессов, протекающих в информационных системах, производится с помощью таких методологий, как методология оценки потоков данных и методология потоков работ. Анализ потоков работ осуществляется в рамках методологии IDEF3. Методология анализа потоков данных используется либо самостоятельно, либо в составе системных методологий.

Системный подход требует учитывать различные факторы при разработке информационных систем, предназначенных для организаций. Для моделирования предметной области и анализа структурных связей организации используют различные системные методологии, предоставляемые разработчикам такими фирмами, как BAAN, Orасlе. К системным методологиям относится также методология ARIS, которая позволяет выполнить моделирование организации и определить функциональные и структурные особенности разрабатываемой информационной системы.

Системный подход также применяется при определении экономической эффективности от использования информационных систем и расчете показателей, позволяющих оценить качество работы системы.

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

ПРИ РАЗРАБОТКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Некая совокупность элементов, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как некое целое, называется системой. Важной особенностью системы является невозможность выполнения отдельными элементами ее функций. Данная особенность получила наименование эмерджентности. Чем сложнее система, чем больше различие между ней и составляющими ее элементами.

Система взаимодействует с внешней средой. При этом в общем виде выделяют следующие формы обмена: обмен энергией, обмен веществом, обмен информацией.

Системы подразделяют на два больших класса: природные и искусственные. Искусственные системы создаются человеком в процессе его деятельности. В состав искусственных систем входят три основных класса систем: технические, автоматизированные и организационные. Системы, созданные человеком, возникают для удовлетворения определенной цели. При этом можно говорить о причинно-следственной цепочке: потребность — цель — функционирование системы — результат. В этой последовательности потребность определяется как то, что объективно связывает человека с внешней средой, в том числе и с социальной, как некоторое условие обеспечения его жизнедеятельности и существования.

В свою очередь цель — это совокупное представление о некоторой модели будущего результата, способного удовлетворить исходную потребность при имеющихся реальных возможностях, оцененных по результатам опыта.

Для получения результата требуется определенный метод функционирования системы, т. е. возникает потребность в управлении системой.

Управление системой в общем виде может быть реализовано тремя способами:

1) формирование управления с учетом изменения выходных сигналов;

2) формирование управления с учетом изменения выходных сигналов и изменений в структуре системы;

3) формирование управления с учетом изменений выходных сигналов, структуры и с учетом влияния внешней среды.

Последние два способа управления следует отнести к адаптивному типу управления.

В системах управления любого типа выделяют следующие составные элементы: множество входных сигналов X, множество выходных сигналов Y и каналы воздействия на систему возмущений V (рис. 1.1). В формализованном виде данные множества могут быть представлены как:

Внешние возмущения в системе представляют собой «шум»

помехи. На рис. 1.1 показана система с открытым контуром управления. Для контроля за правильностью работы системы и обеспечения ее устойчивости используют замкнутый контур управления (рис. 1.2). Такие системы называются системами с обратной связью. В большинстве систем реализуется принцип отрицательной обратной связи. Разница между обобщенным входом X и обобщенным выходом Y называется рассогласованием системы. Отсутствие рассогласования означает, что система точно выполняет свои функции.

Важным системным понятием является понятие элемента и структуры. Введем следующие определения.

Элементом системы называется ее неделимая часть.

Структурой системы называется совокупность ее элементов, связанных определенным образом. В общем виде структуру системы можно описать с помощью формулы где i и j изменяются от 1 до n; n — число связей в системе.

Рис. 1.1. Система с прямым Рис. 1.2. Система с замкнутым Совокупность элементов системы характеризуется определенным набором параметров состояний, которые изменяются во времени:

где Z — множество состояний системы; zi — значение параметра системы.

Если в процессе управления системой параметры состояния должны обладать определенными постоянными значениями, то такое состояние системы называется гомеостазисом.

С точки зрения структуры говорят о простых, сложных и больших системах. Простые системы состоят из определенного набора элементов. Сложные системы включают в себя отдельные подсистемы, а большие системы представляют собой совокупность пространственно распределенных сложных систем, взаимодействующих друг с другом.

Технические системы управления — это системы, которые содержат в качестве элементов технические устройства и могут в течение некоторого интервала времени функционировать без участия человека. Такие системы управления имеют следующие особенности:

• четко определенная единственная цель управления;

• отсутствие человека в контуре управления;

• достаточно высокая определенность исходных данных и возможность формализации процессов функционирования.

В технических системах легко выделить объект управления и управляющую систему.

Автоматизированные системы управления — это системы, включающие в себя в качестве элементов как технические системы, так и персонал, взаимодействующий с этими системами.

Организационные системы возникают в обществе. В качестве такой системы выступает коллектив людей, деятельность которых сознательно координируется для достижения определенной цели.

Понятие автоматизированной информационной системы.

С развитием вычислительной техники непосредственно связан процесс становления информационных технологий. Информация становится товаром, стратегическим ресурсом. Для автоматизации процесса приема, хранения, обработки и передачи информации был разработан определенный тип АИС управления.

Автоматизированные информационные системы функционируют в определенной предметной области. При этом предметную область можно определить как сферу интересов пользователей данной системы.

Автоматизированная информационная система — это комплекс средств, позволяющий обеспечить непрерывное протекание информационных процессов.

В зависимости от предметной области можно выделить определенный класс таких систем. Например: информационные системы управления в образовании; системы автоматизированного проектирования; автоматизированные системы научных исследований. Все эти системы имеют свои задачи и методы обработки информации.

Широкое применение современных вычислительных средств, внедрение в деятельность предприятий методов оптимизации и формализации значительно изменило технологию информационного обеспечения управления.

Любая система управления, в составе которой существует некий коллектив людей, ответственных за ее работы и способный вмешиваться в процесс ее работы называется автоматизированной. Задача информационного обеспечения управления решается с помощью АИС (АСУ).

Автоматизированная система управления — это комплекс технических и программных средств, обеспечивающий управление объектом в производственной, научной или общественной сфере деятельности человека.

Цель разработки и внедрения АСУ состоит в улучшении качества управления системами различных видов, которое достигается путем своевременного предоставления полной и достоверной информации управленческому персоналу для принятия решений, а также за счет применения математических методов и моделей для принятия оптимальных решений. Кроме того, внедрение АСУ обычно приводит:

• к совершенствованию организационных структур и методов управления;

• более гибкой системе документооборота и процедур управления;

• упорядочению использования и создания нормативов;

• совершенствованию организации производства.

Для возможности выполнения перечисленных ранее функций АСУ должна обладать: надежностью; способностью приспосабливаться к изменениям окружающей среды; механизмом защиты от неправильных действий персонала, пользователей; устойчивостью к попыткам несанкционированного доступа к информации.

По функциональному признаку в составе АСУ выделяют три вида систем:

1) административно-организационные — автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) и отраслевые автоматизированные системы управления (ОАСУ);

2) технологические — автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП);

3) интегрированные — объединяют функции перечисленных АСУ.

Первоначально АСУ строились на основе больших ЭВМ, имевшихся в вычислительных центрах крупных предприятий и организаций, и предполагали централизованную обработку информации. Помимо штата вычислительного центра обслуживание АСУ требовало создания специального подразделения.

С появлением персональных компьютеров (ПК) и локальных вычислительных сетей основой программно-аппаратного обеспечения АСУ стали распределенные информационные системы. Такие информационные системы построены на базе клиент-серверной архитектуры. При этом клиент — это процесс, выполняющий информационный запрос на удаленном компьютере пользователя, а сервер — процесс, выполняющий обработку запроса и передающий результаты работы клиенту.

Клиент-серверные технологии позволяют полностью автоматизировать передачу информации лицам, ответственным за принятие решений, создавая предпосылки для перехода к безбумажным технологиям управления, охватывающим все участки и подразделения предприятий и учреждений, весь производственный цикл.

Информационные системы в процессах управления и обработки данных. Развитие информационных систем тесно связано с появлением ЭВМ. Первые доступные пользователям информационные системы возникли с внедрением второго поколения ЭВМ. Третье и четвертое поколения ЭВМ обусловили массовое использование информационных технологий в производственном процессе.

Основное назначение информационных систем — предоставление конечным пользователям информации, соответствующей определенному критерию. На совершенствование таких систем влияло развитие вычислительной техники.

Первоначальной целью разработки ЭВМ являлась автоматизация проведения сложных объемных вычислений, но в дальнейшем на первый план стали выходить задачи автоматизации обработки данных и документов. Так, в 1960-х гг. основная функция информационных систем состояла в диалоговой обработке запросов, хранении записей. В этот период разрабатывается концепция управленческих информационных систем. Главная особенность таких систем заключается в предоставлении управляющему персоналу отчетов, составленных на основе собранных о процессе управления данных.

В 1970-х гг. системы подготовки отчетов были дополнены системами поддержки принятия. Эти системы должны были обеспечить управленцев интерактивной технологией принятия оперативных решений при быстро меняющейся экономической ситуации.

В 1980-х гг. развитие микроЭВМ (персональных компьютеров), программного обеспечения и телекоммуникационных сетей дало толчок к появлению распределенных вычислений, выполняемых конечным пользователем. С этого момента конечные пользователи получили возможность самостоятельно использовать вычислительные ресурсы для решения задач, связанных с их профессиональной деятельностью, не завися от специализированных информационных служб.

Для этого периода характерно появление концепции исполнительных информационных систем. Эти системы должны были обеспечивать высшее руководство жизненно важной для них информацией, преимущественно о внешнем мире, в момент, когда им это необходимо и в формате, который они предпочитают.

К этому периоду следует также отнести появление систем с интеллектуальной технологией обработки информации. Основу таких систем образует база знаний, в которой зафиксированы факты в определенной предметной области и содержатся правила их обработки. Совокупность фактов и правил позволила зафиксировать знания, накопленные экспертами в данной области, и использовать вычислительные ресурсы для получения качественных рекомендаций в процессе управления. Данная технология дает возможность говорить о новом типе информационных систем — экспертных системах.

В 1990-х гг. появилась концепция стратегических информационных систем. Такие системы используются для долгосрочного стратегического планирования деятельности фирмы, предприятия, основанного на анализе информации о новых товарах, услугах и технологиях.

С точки зрения обработки данных выделяют следующие виды информационных систем: обработки транзакций, фактографические и документальные.

Системы обработки транзакций регистрируют продажи и закупки. Транзакция может находиться в одном из двух состояний:

1) завершения всех изменений — фиксация результата в базе данных системы;

2) отмены — все изменения, проделанные в базе данных, игнорируются, и она возвращается в прежнее состояние на момент начала открытия транзакции.

Информационные системы для управления транзакциями можно подразделить на системы реального масштабы времени и паРис. 1.3. Иерархическая организация данных кетные. В первом случае система выполняет транзакции сразу же после ее инициирования оператором базы данных.

В фактографических информационных системах в базе данных отображаются некоторые данные, полученные в предметной области. Данные фиксируются в виде записей. Запись представляет собой набор полей определенного типа. Организуются записи в массив данных различными способами. Наибольшее распространение получили следующие способы объединения данных:

• иерархический (рис. 1.3). В такой структуре выделяется корневая запись, с которой определенным образом связаны записи нижнего уровня. В свою очередь записи нижнего уровня связаны с записями других уровней. Перекрестные связи между уровнями не допускаются;

• сетевой (рис. 1.4). При таком способе между записями отсутствует корневая запись, допускаются замкнутые связи между уровнями;

• реляционный (рис. 1.5). В предметной области выделяются классы, которые представляют собой информационные сущноРис. 1.4. Сетевая организация данных Рис. 1.5. Процесс преобразования сущности в таблицу сти, данные о которых должны быть зафиксированы в базе данных. При реляционном подходе класс представляется отношением с определенным именем и набором свойств — атрибутов. Далее отношение разворачивается в таблицу, строки которой являются экземплярами данной сущности.

В документальных информационных системах в базе данных хранится не только информация в виде отдельных фактов, но и копии текстовых документов в электронном виде. Каждый документ, поступающий в базу данных, подвергается процедуре индексирования, которая позволяет выделить поисковые признаки данного документа. Пользователи таких систем должны сформировать на специальном поисковом языке поисковое предписание для отыскания нужного документа.

Разновидностью документальных систем можно считать распределенные информационные системы в глобальной сети Интернет. Основой таких систем является использование технологии гипертекстовых документов. Текст разделяется на фрагменты, которые обычно хранятся в виде отдельных страниц. Страницы по смысловому принципу объединяют в сайты. Страницы на сайте связаны друг с другом ссылками. В результате возникает нелинейная схема взаимосвязей.

Гипертекстовые информационные системы реализованы в сети в виде всемирной паутины Wоrld Widе Wеb (WWW). Информационная система WWW в настоящее время реализует расширенную гипермедийную технологию. Гипермедийные документы позволяют с помощью ссылок обращаться как к текстовым документам, так и к графическим, видео- и аудиоданным.

1.2. Методы анализа автоматизированных В общем случае под анализом понимают процесс исследования системы, основанный на ее декомпозиции, с последующим определением статических и динамических характеристик составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами системы и окружающей средой.

Целями анализа системы являются: детальное изучение системы для более эффективного ее использования и принятия решения по ее дальнейшему совершенствованию или замене; исследование альтернативных вариантов вновь создаваемой системы управления для выбора наилучшего варианта.

К задачам анализа системы управления относятся:

• определение объекта анализа;

• структурирование системы;

• определение ее функциональных особенностей;

• исследование информационных характеристик;

• определение количественных и качественных показателей системы;

• оценивание и оценка эффективности системы;

• обобщение и оформление результатов анализа.

Для того чтобы анализируемая информационная система представляла собой объект в предметной области необходимо: выделить анализируемую систему управления из окружающей среды;

определить цели и задачи данной системы; произвести первичную декомпозицию системы с выделением ее подсистем.

Исследователь может осуществлять одно из двух направлений анализа: определение состояния системы для оценки необходимости возможных путей ее модернизации; исследование вариантов вновь создаваемой системы с целью выбора оптимального варианта.

Процесс анализа системы может быть дополнен следующими действиями:

• выделение подсистем и помех со стороны окружающей среды, оказывающих положительное или отрицательное влияние на процесс функционирования системы;

• определение основных и второстепенных критериев оценки функционирования системы;

• попытки установить некоторые общие алгоритмы функционирования системы.

При разработке структуры АИС отрасли требуется:

• определить множество узлов системы и связей между ними;

• классифицировать задачи, выполняемые с помощью технических средств автоматизированной системы;

• распределить задачи по подсистемам;

• выбрать программные и аппаратные средства, обеспечивающие эффективное функционирование системы.

При создании АИС для поддержки процесса управления технологическими процессами необходимо:

• разработать схему распределения технологических процессов по производственным подсистемам;

• выделить и классифицировать функции управления по производственным подсистемам;

• разработать или подобрать алгоритмы для реализации функций системы.

Под структурой организационной системы подразумевается форма распределения задач и полномочий по принятию решений между лицами или структурными подразделениями, составляющими организационную систему, направленную на достижение стоящих перед ней целей.