На правах рукописи Тишковский Дмитрий Васильевич РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ СОЗДАНИЯ

На правах рукописи
Тишковский Дмитрий Васильевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ СОЗДАНИЯ
ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ХЛЕБОПЕКАРНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕГИОНА
Специальность 05.13.01 – «Системный анализ, управление и обработка
информации (информационные и технические системы)»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар - 2013
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Атрощенко Валерий Александрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Видовский Леонид Адольфович
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический
университет»,
заведующий кафедрой вычислительной
техники и автоматизированных систем
управления
кандидат технических наук, доцент
Бухонский Михаил Иванович
ФГБОУ ВПО «Военная академия связи
имени
Маршала
Советского
Союза
С.М.Буденного» Министерства обороны
Российской
Федерации
(филиал),
г. Краснодар, кафедра технической защиты
информации
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
аграрный университет»
(г. Краснодар)
Защита диссертации состоится «27» марта 2013 г. в 1400 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.100.04 в ФГБОУ ВПО «Кубанский
государственный технологический университет» по адресу: 350072,
г. Краснодар, ул. Московская 2, корпус Г, аудитория Г-248
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»
Автореферат разослан «14» февраля 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.04,
канд. техн. наук, доцент
А.В. Власенко
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время перспективы развития пищевой промышленности в целом и предприятия хлебопекарной отрасли в частности находятся в зависимости от состояния информационных систем. На современном этапе к факторам, определяющим перспективы развития информационных систем предприятий хлебопекарной промышленности (ИС ПХП) относятся следующие:
Во-первых, принятие государством новой технической политики, предопределяющей необходимость обеспечения техническими и программными
средствами этих систем такого качества, которые позволят выполнять возложенные на них сложные задачи контроля, учета и управлении. А так же позволит интегрироваться в большие системы.
Во-вторых, жесткие экономические ограничения на создание и эксплуатацию информационных систем.
Следовательно, разработка ИС ПХП и их элементов требует решения ряда
научно-методических, задач связанных с разработкой универсальной структуры
информационной системы и выбором соответствующего программного обеспечения, снижением затрат на проектирование, вводом в эксплуатацию, обслуживанием программных и технических средств, а также повышением их надежности.
В настоящее время разработка информационных систем производится различными
производителями
на основе существующих в настоящее время
средств проектирования, создания и поддержки баз данных. Таковыми средствами являются системы управления базами данных (СУБД) и CASE-среды.
Разработка различных структур БД и их нормализация производится ими на
основе подходов и методов теории множеств, теории графов, теории оптимизации и реляционной алгебры. При этом вопросу унификации и типизации информационных систем для конкретной отрасли уделяется недостаточное внимание.
4
В свою очередь, унификация и типизация ИС ПХП имеет большое значение для обеспечения единых стандартов и норм в отрасли и требует наличия
научно-обоснованного методического аппарата.
Исходя из вышеизложенного, задача разработки научно-методического
аппарата для создания ИС ПХП является актуальной.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и теоретическое обоснование методик проектирования ИС ПХП, обеспечивающих повышение их производительности и эффективности использования.
Задачи исследования:
 разработка методики исследования, моделирования, анализа предметных
областей ИС ПХП;
 разработка методики синтеза оптимальных структур предметных областей ИС ПХП;
 реализация предложенных методик в информационных системах предприятий отрасли в виде программного обеспечения.
Методы исследования. Поставленные задачи решены с применением теории множеств, теории графов, аппарата математической логики, системного
анализа, ER-методов, методов реляционной алгебры.
Научная новизна выполненных в диссертационной работе исследований
заключается в разработке методик синтеза ИС ПХП по модульному принципу и
состоит в следующем:
1. Разработана методика описания предметной области ИС ПХП.
2. Разработана аналитико-графовая модель предметной области ИС ПХП.
3. Осуществлена постановка задачи создания оптимальных ИС ПХП по
минимуму времени транзакций и запросов.
4. Разработана методика синтеза оптимальных структур ИС ПХП.
Практическая ценность работы заключается в разработке и апробации
методик синтеза различных по назначению информационных систем на предприятиях отрасли, которые позволили создать программные комплексы для ИС
ПХП реализующие основные алгоритмы работы, имеющие минимальное время
5
обработки информации и более низкую стоимость разработки по сравнению с
известными аналогичными комплексами.
Испытания методик показали, что программные комплексы, разработанные на их основе, могут быть как интегрированы в существующие системы, так
и поставляться как независимые программные решения, полностью покрывая
потребности отрасли и отвечающие требованиям нормативно-техническим
стандартам этой области.
Разработанный методический аппарат может быть использован для проектирования унифицированных ИС и выбора ПО на любом уровне иерархии
предприятий отрасли.
Реализация научно-технических результатов в промышленности.
В настоящее время результаты исследования, включая методический аппарат для создания ИС ПХП и созданное на его основе прикладное программное
обеспечение используется следующими организациями, что подтверждается
актами внедрения:
Закрытое акционерное общество «Кубаньхлебпром» – в качестве научнообоснованного методического аппарата, позволяющего проводить квалифицированный аудит, оценку и оказание консалтинговых услуг промышленным
предприятиям в области создания информационных систем различных предприятий.
Открытое акционерное общество «Афипский хлебокомбинат» – методика
оптимального синтеза информационной системы используемой на предприятии.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на конференции:
 международная научно-практическая конференция «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века» (г. Краснодар, 2009 г.);
 I межвузовская научно-практическая конференция (г. Краснодар, 2010 г.);
 II научно-техническая межвузовская конференция (г. Краснодар, 2012 г.);
 III международная научно-практическая конференция «Научные чтения
им. профессора Н.Е. Жуковского» (г. Краснодар, 2012 г.).
6
Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 8
печатных работ, из них 5 статей в рецензируемых журналах входящих в перечень ВАК для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
Основные положения, выносимые на защиту:

Разработка обобщенной унифицированной структуры ИС ПХП.

Методика системного анализа и описания предметной области ИС ПХП.

Теоретико-графовая модель предметной области ИС ПХП.

Целевая функции оптимальности функционирования ИС ПХП и ограничения в задачах логического синтеза (системные, сетевые и структурные).

Методика оптимального синтеза ИС ПХП.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения и 3 приложениях, изложенных на 168 страницах. Работа содержит 12 рисунков, 23 таблицу и библиографию из 85 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В первой главе.
К основным целям создания и развития ИС ПХП относятся:

создание единого информационного пространства, следствиями чего являются ускоренный доступ к информации, повышение качества документации хозяйственной деятельности;

мониторинг и управление качеством выпускаемой продукции и как результат снижение вероятности ошибки, и возможных финансовых последствий;

повышение прозрачности деятельности предприятия и эффективности
принимаемых управленческих решений;

сокращение издержек технологических процессов.
Большой
выбор
технологических
подходов
и
информационных
технологий, существующих в данное время, даёт широкий простор при
создании и использовании информационных систем.
7
Предприятия хлебопекарной промышленности в своем составе могут заниматься различной хозяйственной деятельностью:
 розничная торговая сеть;
 торговля сопутствующими товарами и продуктами питания;
 услуги по доставке собственной продукции транспортом предприятия и т.д.
Таким образом, на основе рассмотренных предприятий можно построить
обобщенную структуру информационной системы предприятий хлебопекарной
промышленности для Краснодарского края, представленную на рисунке 1.
Лаборатория
Магазины
Отдел управления
персоналом
Сотрудники
Финансовый
отдел
Касса
Платежи
Фонды, органы
финансового
контроля, прочие
некоммерческие
организации
Отгрузка
продукции
продукция
Производство
отгрузка
Экспедиция
Заказ на
производство
Покупатели
заявка
Оптимизация
маршрутов
Заявка
на ТМЦ
Заявка
Результаты
лабораторных
испытаний и
спецификации
ТМЦ
Склад
Розничные
покупатели
Отдел логистики и
транспорта
Юридический
отдел
Инкасация
Получение НС
Поставка
ТМЦ
Контроль взаиморасчетов
Олпата БН
Поставщики
Отгрузка
товаров
Заявка
недостающих
ТМЦ
продажи
Инкасация
Отдел снабжения
Контроль взаиморасчетов
Работа по договорам
Оплата НС
Оплата БН
Заказ ТМЦ
Банк
Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема информационной системы
предприятий хлебопекарной промышленности
Так же следует учитывать, что предприятия хлебопекарной промышленности могут быть территориально распределёнными и в этом случае часть функций так же частично разделяется по территориям, а часть должна дублироваться.
Во второй главе.
В случае с предметной областью ИС предприятия необходимо использовать некоторый компромиссный вариант, который с одной стороны, ориенти-
8
рован на конкретные бизнес-процессы и функциональные потребности предприятия, а с другой стороны, должен учитывать возможности наращивания новых информационных элементов и связей.
Для начального анализа предметной области ИС будем использовать
диаграммы потоков данных (DFD – Data Flow Diagramm) [4].
Так как источником первичной информации в ИС выступают «Поставщики», то их можно считать «внешними сущностями». К внешним сущностям
также отнесем «Заказчиков» и «Верхний уровень». Под «Заказчиком» подразумевается субъект-покупатель продукции элемента ИС предприятия ХПП. Под
«Верхним уровнем» будем понимать систему, элементом которой является проектируемая ИС (ИС района, региона, федерального уровней).
Потоками данных в нашем случае будут данные, получаемые от поставщиков, которые в дальнейшем обрабатываются, передаются и хранятся, а также
команды и запросы, циркулирующие между коммуникационным оборудованием. В общем случае согласно нотации «Йордона - Де Марко» схема функционирования ИС представлена на рисунке 2.
Поставщик
Запрос на поставку ресурсов
Учетные данные
Отчетная информация
Покупатель
Учетные данные
Ядро ИС
Готовая продукция
Хранимые данные
Верхний уровень
Запрос на получение данных
Запрос на получение хранимых данных
База данных
Рисунок 2 – DFD-диаграмма функционирования ИС ХПП
Эта диаграмма представляет самый верхний описательный уровень. Уточнение модели производится путем декомпозиции необходимых объектов.
9
Структура информации от поставщиков, а также формат передаваемых
данных определяется в соответствии с правилами ведения документооборота
оговоренных сторонами взаимодействия. Однако для документов существуют
минимальный набор передаваемых данных, необходимый для обеспечения
единого стандарта. Этот набор регламентирован законодательством РФ (инструкции, правила, типовые формы).
Результаты исследования основных категорий пользователей ИС ХПП,
их функциональных обязанностей представлены на рисунке 3.
Руководители
Директора
Отдел информатизации
ТОП-менеджеры
Финансовая служба
Служба логистики
Бухгалтер
Службы клиентов
Группа ТУ и патентов
Транспортный отдела
Финансовый отдела
Экономического отдела
Коммерческая служба
Техническая службы
Склад
Группы рекламы и маркетинга
Служба производства
Служба обеспечения
Группы оборудования
Юриста;
Специалист по работе с
персоналом
Группы пищевых добавок
Группа сертификации
Группы упаковки
Отдел безопасности
Отдела продуктов питания
Служба технического
обслуживания
Производственного отдела
Группы качества продукции
Группа строительства
Рисунок 3 – Основные категории пользователей ИС ХПП
Таким образом, модель предметной области может быть представлена в
виде следующих множеств:
МпрО = <U,Q,DГ,З,К,O>,
где
U  uk / k  1, K 0 
– множество пользователей;
Q  qr / r  1, R0  – множество узлов вычислительной сети (ВС);

 – множество групп данных;
З  з /p  1,P  – множество запросов пользователей;
D г  d iг /i  1,I 
p
0
K  k s / s  1, S0  – множество транзакций;
O  o j / j  1, J 
– множество локальных баз метаданных (ЛБмД).
(1)
10
Формализовано модель предметной области описывается с помощью множеств {U,Q,DГ,З,К,O} и булевых матриц смежности.
Основной задачей является разработка информационной системы автоматизации. В соответствии с поставленной задачей система должна описывать все
необходимые объекты и свойства ИС ХПП, а также предусматривать режимы
ведения системного каталога, отражающего перечень входных и выходных
данных, которые представляют собой объекты автоматизации.
В результате исследования потоков входных и выходных документов
сформированы группы документов:
 договорные документы;
 первичные бухгалтерские документы;
 документы поддержки бизнес-процессов;
 отчётные документы.
Таким образом, в результате проведенного выше анализа была получена
аналитико-множественная модель предметной области ИС ХПП, в которой выделены основные элементы:
 множество групп данных;
 множество запросов пользователей;
 множество транзакций;
 множество пользователей;
 множество ЛБмД.
Данная
методика
исследования
позволяет
непротиворечивость по всем множествам
выявить
полноту
и
предметной области, а также
взаимосвязи между ними. Результаты данного исследования и анализа могут
быть использованы при построении канонической модели базы данных ИС
ХПП
Основной составляющей информационной системы являются базы данных. Таким образом, задача обеспечить предприятие информационными ресурсами сводится к задаче синтеза оптимальных логических структур распределенных баз данных (РБД).
11
В третьей главе.
Синтез оптимальной логической структуры РБД, рассматривается как процесс поиска оптимального варианта отображения канонической структуры РБД
в логическую, обеспечивающего оптимальное значение заданного критерия
эффективности функционирования корпоративных информационных систем и
удовлетворяющего основным системным, сетевым и структурным ограничениям. При отображении канонической структуры в логическую группы данных
объединяются в типы логических записей с одновременным распределением их
и ЛБмД репозитария по узлам ВС. Сложность решения задач синтеза определяется их большой трудоемкостью, связанной с необходимостью учета большого
числа параметров и характеристик хранимой в РБД и ЛБмД репозитария информации, запросов и транзакций.
Результаты, полученные на этапе синтеза оптимальной логической структуры РБД, являются исходными для проектирования физической структуры
ЛБмД репозитария, а также логических структур локальных и сетевых БД,
эффективных сетевых протоколов,
обеспечивающих предотвращение взаи-
моблокировок и появления тупиковых ситуации при функционировании корпоративных информационных систем.
Логическая структура РБД и структура размещения ЛБмД репозитария
должны обеспечивать сохранение семантических свойств информационных
элементов и связей между ними, зафиксированных в канонической структуре
РБД с учетом ограничений, накладываемых параметрами СУРБД и локальных
СУБД, аппаратных средств передачи данных, топологией ВС и требованиями
различных режимов функционирования корпоративных информационных систем.
Можно выделить следующие характеристики систем:
1. Стоимостные характеристики функционирования РБД.
2. Объемные характеристики функционирования РБД.
3. Временные характеристики функционирования РБД.
Содержательная постановка задачи синтеза оптимальной логической
структуры РБД формулируется следующим образом: по известным характери-
12
стикам PU, PQ, PD, Р3, Рк, Р0 соответственно, множеств пользователей РБД, узлов ВС, групп данных канонической структуры РБД, детерминированных запросов и транзакций, а также ЛБмД репозитария необходимо определить:
а) логическую структуру РБД в виде множества типов логических записей
H={h,} и отношений между ними AЗП  aiiЗП ;
б)
размещение
типов
записей
 ЗП   trЗП
и
ЛБмД
репозитария
 мд   jrмд  по серверам узлов ВС, которые обеспечивают оптимальное значение
заданного критерия эффективности функционирования АИУС при сетевых, системных и структурных ограничениях, т.е. выполнить преобразование
 ( F opt )
IM PU , PQ , PD , PЗ , PK , PO 
 ND PDDB , PDBM ,
ND
где

ND
( F  opt )
(2)
- оператор синтеза, обеспечивающий оптимум заданной целевой
функции; PDDB - множество характеристик оптимальной логической структуры
РБД, PDBM - оптимальная структура размещения ЛБмД репозитария по узлам
ВС.
Результаты решения задач синтеза позволяют определить:
– состав, структуру, характеристики типов логических записей отношения
между ними;
– размещение типов записей в ВС и использование их процедурами обработки данных;
– структуру размещения ЛБмД репозитария по узлам ВС.
В качестве основных критериев оптимальности информационной системы
используются:
– минимум общего времени обработки множества запросов или транзакций;
– минимум общего времени параллельной обработки множества запросов
и транзакций, в т.ч. при наличии многопроцессорных серверов.
В случае проектирования ИС ПХП необходимо обеспечить гарантированный уровень качества проектных решений для заданного множества пользователей (классов пользователей). Для проектирования логических структур РБД в
этом случае целесообразно использовать минимаксные критерии. Задача синте-
13
за логической структуры РБД, минимизирующей максимальное время реализации множества запросов и транзакций, инициируемых различными классами
пользователей формализуется следующим образом:
x
min
max Tuv ( xit ; ytr ; z Mpr ; ssrM ) ,
(3)

M M uvU
it , y tr , z pr , z sr
где Tu – время выполнения "рабочей нагрузки" uv -го класса пользоваv
телей ( u v  U ).
Выражение для Tu представляет собой логическую компоновку выражеv
ний (4) и (6).
Задача синтеза по критерию минимума общего времени последовательного
выполнения множества транзакций формулируется следующим образом [1,3]:
,(4)
где переменная z sr 2 определяет множество узлов-серверов ЛБД, к которым обращается s-транзакция:
t0
z sr 2  1 , если
z t sr 2  1 , если
I
 y
t 1 i 1
I
y
i 1
tr 2
tr 2
w x  1 ; z sr 2  0 , если
k
si it
wsik xit  1 ;
z
Y jr 3 wsjM  1 ;
sr 3  1 , если 
j 1
I
 y
t 1 i 1
I
z t sr 2  0 , если
J
M
t0
y
i 1
tr 2
J
z
M
sr 3
 0 , если
Y
j 1
jr 3
tr 2
wsik xit  0 ;
wsik xit  0 ;
wsjM  0 .
Аргументами целевой функции (4) являются координаты бинарного вектора, но для удобства трактовки они сгруппированы в 3 бинарные матрицы:
xit – включена ли группа данных в логическую запись;
ytr2 – размещена ли логическая запись на сервере узла ВС;
Yjr3 – располагается ли ЛБмД репозитария на сервере узла ВС.
Для задачи синтеза оптимальной логической структуры РБД в ИС ПХП
некоторые характеристики можно, например, временные, определяемые конкретными характеристиками технических элементов, применяемых в информационных системах, считать постоянными:
пер
реп
A  t r1r2
 t r1r3
;
14
Bt
раз
t
сер
r1r2
реп
 t r1r3
;
С  t п  t r2  t sф .
Тогда вид целевой функции (4) упрощается следующим образом:
F ( xit , ytr , Y jr 3 )  F1 (Y jr 3 )  F2 ( xit . ytr )  F3 ( xit . ytr ) ,
(5)
где
K 0 S0
R0
R0 
 J

F1 (Y jr 3 )  A  ksk  ksk  v kr1  1   sr1  f   w Msi  Y jr3   ;


k 1 s 1
r1 1
r3 1 
 j 1

K 0 S0
R0
 I T0

F2 ( xit . ytr )  B  ksk  ksk  vkr1  f   ( wsik  ytr2  xit )  ;
k 1 s 1
r1 1
r2
 i 1 t 1

K 0 S0
R0 T0
I


F3 ( xit . y tr )  C   ksk  ksk  f   ( wsik  y tr2  xit )  ;
k 1 s 1
r2 1 t 1
 i 1

𝑓(хx) — это единичная функция от произведений соответствующих бинарных матриц xx, при этом
𝑓(xx) =0, если хx < 0, 5; 𝑓(хx) =1, если хx ≥ 0, 5 ),
а произведения хх определяются следующими выражениями соответственно:
J
xx=  wMsi  Y jr3 ;
j 1
I
T0
xx=  ( wsik  ytr2  xit ) .
i 1 t 1
Общий вид функции 𝑓(хx) представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Единичная функция
Для решения данной задачи существенными являются следующие ограничения [1-3]:
1) В матрице xit в каждой строке только одна 1, остальные 0.
2) В матрице xit в каждом столбце не более чем Ft единиц.
3) В матрице ytr2 в каждой строке не менее одной 1 и не более kкопt штук 1,
остальные 0.
Требуется найти такие xit , ytr2 и Yjr3, при которых целевая функция (2) достигает минимума при указанных ограничениях.
15
Задача синтеза по критерию минимума общего времени последовательного
выполнения множества запросов имеет следующую целевую функцию [3]:
(6)
где
t0
z pr 2  1 , если
I
 y
t 1 i 1
I
z
t
pr 2
 1 , если
y
i 1
tr 2
tr 2
w x  1; z
J
z M pr 3  1 , если
Y
j 1
w x  1;
з
pi it
jr 3
з
pi it
t0
I
 y
z pr 2  0 , если
t 1 i 1
I
t
pr 2
 0 , если
w  1 ; z M pr 3  0 , если
M
pj
y
i 1
tr 2
J
Y
j 1
jr 3
tr 2
w piз xit  0 ;
w piз xit  0 ;
wMpj  0 ,
при указанных выше ограничениях.
Аналогично (4), вид целевой функции упрощается:
F ( xit , ytr , Y jr 3 )  F1 (Y jr 3 )  F2 ( xit . ytr )  F3 ( xit . ytr ) ,
(7)
где функции имеют вид:
K 0 P0
R0
R0 
F1 (Y jr 3 )  A  kpЗ  kpЗ DFks  v kr1  1   pr1 

k 1 p 1
r1 1
r3 1 
 J


f   w М

Y
pj
jr3   ;
 j 1

R0
T0
K P
I
 I T0



F2 ( xit . ytr )   kpЗ kpЗ  vkr1B3  f   ( wpj  ytr2  xit )  B1  B2  1   f  (wpj  ytr2  xit )    ;
 i 1 t 1
k 1 p 1
r1 1
r2
 t 1 i 1
  


K 0 P0
R0 T0
 I

F3 ( xit . y tr )  C   kpЗ  kpЗ  f   ( w pj  y tr2  xit )  ;
k 1 p 1
r2 1 t 1
 i 1

а постоянные функции оптимизации определяются следующим образом:
пер
реп
A  t r1r2
 t r1r3
,
сер
B1  t sф  t r1r2
,
пер
B2  t r1r2
,
B3  t sф ,
С  t п  t r2  t sф .
16
Если необходима оптимизация сразу и по транзакциям, и по запросам, то
для задачи синтеза оптимальной логической структуры РБД возможно применение суммы целевых функций (4) и (6):
F ( xit , ytr , Y jr 3 )  Fз ( xit , ytr , Y jr 3 )  Ftr ( xit , ytr , Y jr 3 )
.
(8)
Выражение (5) обладает тем недостатком, что слагаемые могут оказаться
разного масштаба. Для исключения этого недостатка можно нормировать каждое слагаемое (5):
F ( xit , ytr , Y jr 3 ) 
1  FЗ ( xit , ytr , Y jr 3 ) FТ ( xit , ytr , Y jr 3 ) 
,



2 
Fзmin
FТmin

(9)
где Fзmin – абсолютный минимум (6), FТmin - абсолютный минимум (4), достигаемые при значениях xit≡0, ytr2≡0 и Yjr3≡1.
Методика анализа и решения целевых функций оптимизации.
Для задачи синтеза оптимальной логической структуры РБД, с учётом рассматриваемых ограничений, решение в данном случае определяется следующим образом:
1. Целевая функция (4) линейна по переменным zMsr3 , zsr2 и ztsr2 , а целевая
функция (6) – и соответственно (8) или (9) - квадратична по переменным zMpr3,
zpr2 и ztpr2 , которые в свою очередь нелинейно определяются независимыми аргументами xit , ytr2 и Yjr3. Все zMsr3 и zMpr3, полностью определяемые только Yjr3,
для системы без ограничений должны быть равны 1, т.к. только они вычитаются, а все остальные добавляются. Это возможно только при матрице Yjr3, все
элементы которой 1, что определяет размещение ЛБмД на всех узлах.
2. Для идеальной системы без ограничений все zsr2 и ztsr2, а также все zpr2 и
ztpr2, должны быть равны 0. Но это невозможно из-за ограничений, поэтому нулевых должно быть как можно больше. Причём тех, чьи весовые коэффициенты
в целевой функции (4) или (6) максимальны.
Таким образом, необходимо обнулить как можно больше zsr2 и ztsr2 , zpr2 и
ztpr2. Это возможно только двумя способами с помощью независимых аргументов xit и ytr2. Первый - с помощью пар произведений xit ∙ ytr2, т.е. как можно
меньше должно быть тех индексов t, при которых есть 1 как в xit, так и в ytr2.
17
При принятом ограничении Ft таких столбцов с 1 в xit минимум (I = Ft) +1 штук,
где I – количество групп данных.
Второй – с помощью обнуления скалярного произведения столбцов матриц wksi
или wзpi на строки матрицы xit (т.е. выбором ортогональной строки xit), причём
тех индексов s или p, которые соответствуют s-му или p-му весовому коэффициенту целевой функции (4) или (6), наибольшему среди остальных. Заметим,
что веса попарных произведений в (6) переменных zpr2∙ztpr2 более значимы, чем
веса линейных по zpr2 и ztpr2 слагаемых.
3. Если в столбце xit есть хоть одна 1, то в соответствующей строке ytr2
должна быть только одна 1, причём обязательно в одном и том же столбце r2.
4. Для переменных zpr2∙ztpr2 , zpr2 и ztpr2 , zsr2 и ztsr2 необходимо учитывать все
их весовые коэффициенты. Расстановка весов одинакова zpr2∙ztpr2 и ztpr2, т.е.
можно учитывать только веса, например, ztpr2, сопоставимые с весами ztsr2.
Таким образом, в данном случае пошаговый алгоритм вычисления оптимального решения для целевых функций (4), (6) и (8) или (9) имеет следующий
вид:
Шаг 1.
а) Для транзакций вычисляются весовые коэффициенты перед переменными zt sr2 и zsr2 в целевой функции (5):
K0
K0
R0
k 1
k 1
r11
C s  C  ( ksk  ksk ) и Bs  B ( ksk  ksk  vkr1 ) .
б) Для запросов вычисляются весовые коэффициенты перед переменными
z pr 2  z tpr 2 , z srt 2 и z tpr 2 в целевой функции (7):
K0
K0
K0
 R0

 R0

C p  C  ( kpЗ  kpЗ ) , B _ C p  B2    kr1   kpЗ  kpЗ  и B p  B1  B2    kr1   kpЗ  kpЗ  .
k 1  r11
k 1  r11
k 1


Шаг 2.
а) Для транзакций (5) ранжируются Cs и Bs с сохранением номера по убыванию. Если предположение об одинаковости порядков номеров в них не выполнено, то далее можно использовать только Cs, но решение будет приближённо оптимальным.
18
б) Для запросов (7), где используются квадратичные зависимости по zpr,
ранжируются B_Cp , Cp и Bp – с сохранением номера по убыванию. Следует
проверить, что предположение об одинаковости порядков номеров в них выполнено и тогда далее можно использовать только B_Cp .
в) Для суммарной целевой функции (8), где используется оптимизация по
транзакциям и запросам, ранжируются вместе B_Cp и Cs с сохранением номера
p и s – по убыванию, а для (9), где используется нормирование целевых функций, ранжируются вместе B_Cp /2 Fзmin и Cs/2 FТmin с сохранением номера p и s по
убыванию.
Шаг 3.
а) Для транзакций (5) выбирается 1-й элемент ранжированного по убыванию массива, т.е. максимальный, номер Cs (из массива Cs он после использования удаляется). В матрице wksi выбирается s-тая строка. Cs определяет номер
строки, куда переносятся 1 в заполняемый столбец матрицы решения xit, пока
их менее чем Ft. Этим соблюдается второе ограничение.
б) Для запросов (7) выбирается 1-й элемент ранжированного по убыванию
массива, т.е. максимальный, номер B_Cp; (из массива B_Cp он после использования удаляется). В матрице wзpi выбирается p-тая строка. B_Cp определяет номер, куда переносятся 1, в заполняемый столбец матрицы решения xit, пока их
менее чем Ft.
в) Для суммарной целевой функции (8) выбирается 1-й, т.е. максимальный,
номер B_Cp или Cs . Для (9) это номер B_Cp /2 Fзmin или Cs/2 FТmin (из массива B_Cp
или Cs он удаляется после использования). В матрице wзpi или wksi выбирается
p-тая или s–я строка. B_Cp или Cs определяет номер p-ой или s-ой строки, куда
переносятся 1, в заполняемый столбец матрицы решения xit, пока их менее чем
Ft.
При дублировании 1 или наличии 1 в этой строке уже ранее заполненных
столбцов, перенос игнорируется. При превышении Ft перенос производится в
следующий незаполненный пустой столбец xit (при наличии 1 в этой строке уже
ранее заполненных столбцов, перенос игнорируется).
19
Далее весь процесс повторяется до тех пор, пока соответствующие массивы коэффициентов не опустеют.
Шаг 4. Матрица решения xit заполнена. Матрица решения ytr2 заполняется
только одной 1 в каждой из строк, остальные 0. При нулевых столбцах в xit , в
соответствующей строке может быть только k коп
t
единиц, что соответствует
ограничению:
R0
y
r 1
tr
,
 k коп
t
(10)
где k коп
– максимально допустимое количество копий t-й логической запиt
си.
Шаг 5. Матрица решения Yjr3 заполняется только 1. Здесь рассматривается
ограничение не более k коп
штук в каждой из строк:
j
R0
Y
r 1
jr
,
 k коп
j
(11)
где k коп
– максимальное количество допустимых копий j-й ЛБмД. Алгоj
ритм заполнения с учётом ограничения (11) требует учёта других весовых коэффициентов при переменных zMsr3 и zMpr3.
Матрицы независимых аргументов xit , ytr2 и Yjr3 заполнены. Решение
найдено.
В четвертой главе.
Алгоритмы реализованы на языке программирования C# в IDE Microsoft
Visual Studio 2010. Листинг программы представлен в приложении диссертации.
Ветвление осуществляется одновременно по двум множествам переменных X  xit / i  1..I, t  1..t 0 , Y  ytr / r  1..R 0 , t  1..t 0 каждое из которых
образует поддерево дерева ветвления.
В результате решения задачи получено взаимоотношение групп данных и
логических записей, размещение баз метаданных в этих вычислительных узлах,
20
кроме того получено взаимоотношение вычислительных узлов и размещения в
них баз данных (Рисунок 5).
Оптимальный по
транзакциям
Оптимальный по
запросам
Оптимальный по
транзакции+запросы
d г 01
d г 01
d г 01
d г 02
d г 02
d г 02
d г 03
d г 03
d г 03
d г 04
d г 04
d г 04
г
г
d 05
d г 05
г
d 06
d г 06
г
07
d 07
d г 07
d г 08
d г 08
d г 08
d г 09
d г 09
d г 09
d г 10
d г 10
d г 10
г
d 11
г
d 11
d г 11
г
г
12
d 12
d г 12
d г 13
d г 13
d г 13
d г 14
d г 14
d г 14
d г 15
d г 15
d г 15
г
г
d 16
d г 16
г
d 17
d г 17
г
18
d 18
d г 18
d г 19
d г 19
d г 19
d г 20
d г 20
d г 20
г
d 21
г
d 21
d г 21
г
г
d 22
d г 22
г
d г 23
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
05
г
06
г
16
г
17
г
22
г
d 23
23
г
d г 26
d г 24
h 01
h 02
d г 25
h 02
h 03
d г 26
h 03
d 24
h 01
h 02
d г 25
h 03
d г 26
h 01
24
d г 25
г
q 01
q 01
27
h 04
d 27
h 04
d г 27
h 04
d г 28
h 05
d г 28
h 05
d г 28
h 05
d г 29
h 06
d г 29
d г 29
h 06
d г 30
h 07
d г 30
d г 30
h 07
d г 31
h 08
d г 31
d г 31
h 08
d г 32
d г 32
d г 32
d г 33
d г 33
d г 33
г
г
d г 34
г
d г 35
г
36
d 36
d г 36
d г 37
d г 37
d г 37
d г 38
d г 38
d г 38
г
г
d г 39
г
d г 40
d 41
г
d 41
d г 41
г
г
42
d 42
d г 42
d г 43
d г 43
d г 43
d г 44
d г 44
d г 44
г
г
d г 45
г
d г 46
г
d г 47
г
48
d 48
d г 48
d г 49
d г 49
d г 49
d г 50
d г 50
d г 50
г
г
d г 51
d
г
d
d
d
d
d
г
d 34
34
г
d 35
35
г
d 39
39
г
d 40
40
г
d
d
d
d
d
d 45
45
г
d 46
46
г
d 47
47
г
d 51
d 51
г
г
d
d
53
d г 52
d 52
52
г
Группы
данных
Логические
записи
Узлы ВC
г
d 53
q 01
Группы
данных
Логические
записи
Узлы ВC
d г 53
Группы
данных
Логические
записи
Рисунок 5 – Схема ветвления транзакций и запросов
Узлы ВC
21
Анализ полученных вариантов решения приведен в таблице 1.
Таблица 1 – Полученные варианты решения в соответствии с типовыми
данными вычислительных систем
№
Целевая функция
По транзакциям
1 По транзакциям
(существующее решение)
По запросам
2 По запросам
(существующее решение)
По транзакциям и запросам
3 По транзакциям и запросам
(существующее решение)
Значение целевой функции, с
1.423*105
1.503*105
Сравнение с
Скорость обабсолютработки данным мининых, %
мумом, %
24%
8
31%
8.416*104
66%
9.235*104
82%
2.374*105
44%
2.713*105
64%
19
25
Рисунок 6 – Измененние скоростных показателей работы ИС ПХП
При разработке информационных систем предприятий хлебопекарной
промышленности следует использовать модульный принцип построения, при
котором выбираются заранее разработанные модули с необходимым функционалом для конкретного бизнес процесса. При использовании такого подхода основные сложности разработки и внедрения связаны с синтезом информационных систем между собой и со смежными ИС ПХП.
22
Таблица 2 – Результаты экономической оценки ИС ПХП
Показатель
При построении ИС ПХП
При построении ИС ПХП
с использованием предлагае- без использования предлагаемого методического аппарата мого методического аппарата
( C2 ), тыс. р.
( C1 ), тыс. р.
S рм
0
5000
Sом
2 000
0
S ри
0
0
Sэ
1 800
6 000
C
S
3 800
11 000
S рм — общая стоимость разработки и привязки типовых и индивидуальных
программных модулей;
Sом — общая стоимость системной отладки типовых и индивидуальных модулей;
S ри – общая стоимость разработки типовых и индивидуальных информационных массивов;
S э – общая приведенная стоимость эксплуатации типовой модульной ИС.
Экономическая эффективность от внедрения методического аппарата рассчитывается по выражению:
K
C1  C 2
 100% ,
C1
(12)
где C1 – приведенная стоимость разработки без использования методического аппарата;
C2 – приведенная стоимость разработки с использованием методического аппарата.
Эффективность полученного методического аппарата составила 65%.
В заключении перечислены научные и практические результаты, полученные автором в ходе исследований. Предложены направления дальнейших
исследований в области проектирования и создания ИС ПХП.
В приложениях представлены листинги программы синтеза, акты внедрения диссертационной работы.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
1. Проведен комплексный анализ существующих ИС ПХП и определены их
общие и различные особенности функционирования предприятий.
23
2. Разработана обобщенная унифицированная структура ИС ПХП.
3. В результате анализа методологии исследования и описания предметных областей были проанализированы основные алгоритмы работы существующих информационных систем, потоки информации и разработана методика
исследования и описания предметной области базы данных ИС ХПП.
4. С помощью методики системного анализа определено полное множество
входных и выходных параметров унифицированных баз данных типовых ИС
ХПП.
5. Составлена
методика
проектирования
аналитической,
теоретико-
графовой модели предметной области ИС ХПП. Обозначены основные этапы
создания указанной модели, включающие выделение элементов модели и взаимосвязей между ними.
6. Выделены основные характеристики ИС ПХП.
7. Предложена методика оптимального синтеза ИС ПХП.
8. Предложены основные ограничения в задачах логического синтеза (системные, сетевые и структурные).
9. Создано тестовое программное обеспечение для демонстрации применения методического аппарата. Данное программное обеспечение представляет
собой программный комплекс, реализующий методику создания ИС ПХП.
10. Произведена оценка эффективности использования методического аппарата.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.
1. Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. К вопросу выбора методов учета
электроэнергии при построении автоматизированных систем учета электроэнергии на предприятиях хлебопекарной промышленности //Труды КубГТУ. –
2004. – №4;
2. Тишковский, Д.В. Информационные системы предприятий хлебопекарной промышленности //Труды КубГАУ. 2009. - №4
24
3. Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. К вопросу выбора методов синтеза
оптимальных структур распределенных баз данных на предприятиях хлебопекарной промышленности //Труды КубГАУ. 2009. - №4
4. Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. К вопросу выбора алгоритмов решения задачи синтеза оптимальных структур распределенных баз данных на
предприятиях
хлебопекарной
промышленности
//Пищевые
технологии
КубГТУ. 2009. - №4
5. Тишковский, Д.В. Синергизм информационных систем предприятий
хлебопекарной промышленности //Межвузовская конференция 2012
6. Тишковский, Д.В. Особенности методики создания информационной системы предприятий хлебопекарной промышленности/ Д.В. Тишковский // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4; URL: www.scienceeducation.ru/104-6824 (дата обращения: 10.10.2012).
7. Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. Математическое обеспечение информационной системы предприятий хлебопекарной промышленности региона //
Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5; URL: www.scienceeducation.ru/105-7152 (дата обращения: 10.10.2012).
8. Тишковский, Д.В. К вопросу эффективности информационных систем.
Международная научно-практическая конференция «Научные чтения им. Н.Е.
Жуковского», г. Краснодар, 2012