Формирование и анализ структурного сценария

    Эволюционно-потоковая диаграмма как модель С-сценария

С-сценарий представляет собой детализацию А-сценария с учетом эволюции мобильных объектов в ходе выполнения операций и передачи объектов от одних операций к другим. Эволюция объектов при выполнении операции проявляется в изменении значений их атрибутов, при переходах между операциями могут возникать «мутации» - порождение новых атрибутов и потеря ставших ненужными. Мутация сопровождается также наследованием определенных атрибутов. Таким образом, понятия эволюции и мутации имеют тот же смысл, что и для живых организмов. Эволюцию объектов при обработке их конкретной операцией будем трактовать как последовательную смену состояний объектов, определяемую жизненным циклом этой операции. Все объекты, обрабатываемые операцией, имеют одно и то же множество атрибутов, набор значений которых и определяет состояние объекта. Чтобы проследить траекторию каждого объекта, в множестве атрибутов операции выделяется ключевой атрибут (группа атрибутов). Значения ключевых атрибутов при прохождении объектами операционного жизненного цикла не изменяются.

Помимо эволюционных преобразований объектов операция осуществляет накопление и хранение поступающих на неё (входных) и обработанных ею (выходных) объектов, а также потребление необходимых для её жизнедеятельности ресурсов. Операция представляет собой комплекс, в котором взаимоувязаны информационные данные и процедуры их обработки. Согласно парадигме объектно-ориентированного подхода [Буч, 1998], [Буч и др., 2000] операция С-сценария соответствует понятию «класс». Экземплярами класса являются «живущие» в нём объекты. Во взаимодействие между операциями (классами), сопровождаемом мутациями атрибутов, может быть вовлечено несколько входных и выходных классов. При этом из входного класса в выходные может наследоваться, а в выходном классе порождаться определенное «своё» подмножество атрибутов.

Вышеизложенное подводит к тому, чтобы в качестве формальной основы для описания С-сценария СРЭ применить сеть Петри, позиции которой сопоставлены классам, а переходы – межклассовым взаимодействиям. Такое формальное представление С-сценария мы называем эволюционно-поточной диаграммой – ЭП-диаграммой [Юдицкий-3, 2001]. Пример ЭП-диаграммы для откорректированного С-сценария СРЭ (рис 1.5) дан на рис 1.6. Более детальное описание графического и аналитического аппарата, примененного в ЭП-диаграммах, изложено в [Юдицкий-1, 2001].

Как видно из ЭП-диаграммы, прохождение каждым объектом (в нашем примере заказом) своего жизненного цикла сопровождается изменением значений не ключевых атрибутов в том столбце «внутренней» таблицы класса – протокола его работы во времени, который соответствует данному заказу, а также, возможно, сопровождается изменением состояния ресурсов. Указанные изменения будем называть внутриклассовыми преобразованиями в отличие от межклассовых преобразований, которые связаны с уничтожением («смертью») объектов в одних классах и их созданием («рождением») в других классах. Для каждого объекта характерна определенная «история жизни» в классе, которая описывается последовательностью наборов его атрибутов, привязанной к шкале реального времени. Истории жизни объектов в классах определяются в результате имитационного моделирования С-сценария СРЭ, и могут быть весьма полезны при принятии решений.

Рис.1.6. Эволюционно-потоковая диаграмма для откорректированного

 сценарного модуля, помещенного на рис 1.5

Динамическое моделирование на основе структурного сценария

Более подробно рассмотрим механизм функционирования поведенческой модели СРЭ на основе С-сценария. Каждый класс ЭП-диаграммы (рис. 1.6) работает автономно. Его взаимодействие с другими классами и внешней средой заключается во внесении во входные очереди новых объектов (ресурсов) и удалении из выходных очередей отработавших объектов. Внутри класса на рис. 1.6 помещены граф жизненного цикла объектов, где вершинами S_i представлены стадии цикла, а вертикальной таблицей слева от графа – набор атрибутов потока объектов, реализующих цикл. Между графом цикла и таблицей атрибутов осуществляется двустороннее взаимодействие (встречные стрелки).

Механизм работы поведенческой модели на уровне С-сценария проиллюстрируем схемой на рис. 1.7. Таблица слева от графа жизненного цикла (внутренняя таблица) содержит переменное число столбцов – по количеству объектов, находящихся в данный момент в вершинах графа. Каждому объекту соответствует набор значений атрибутов в своем столбце внутренней таблицы. Объекты, находящиеся во входной очереди класса, адресованы в начальную вершину графа жизненного цикла. Когда в этой вершине появляется свободное место, т.е. число объектов в ней меньше максимального, объект входной очереди, имеющий наибольший номер, удаляется из очереди и вносится во внутреннюю таблицу и начальную вершину графа. Входная очередь сдвигается на шаг вправо, а объект начинает реализацию своего жизненного цикла. Когда этот цикл завершен, соответствующий ему столбец удаляется из внутренней таблицы и вносится в выходную очередь на место с первым номером (если выходных очередей несколько, то выбор очереди определяется значением атрибутов объекта).

При срабатывании внешних переходов, для которых данный класс является родительским, из выходной очереди удаляется объект с наибольшим номером, а во входную очередь класса-потомка на место с номером 1 вносится новый объект. Таблицы ресурсов взаимодействуют с графом жизненного цикла: в вершинах графа могут выполняться действия, приводящие к расходованию ресурсов, а при критическом снижении уровня ресурсов может блокироваться срабатывание переходов в графе цикла. Человеческий ресурс только блокирует переходы (одностороннее взаимодействие), финансовый ресурс как блокирует переходы, так и расходуется при выполнении жизненного цикла объектов или/и удалении объектов из выходной очереди (двустороннее взаимодействие).

Рис. 1.7. Механизм функционирования модели, представляющей С-сценарий

   

    Представление результатов моделирования С-сценария в виде конвейерно-временной диаграммы

Каждый объект в классе проходит через 3 фазы: ожидает во входной очереди, реализует жизненный цикл, ожидает в выходной очереди. Далее объект в данном классе уничтожается, но передает в класс-потомок атрибут-идентификатор и, возможно, некоторые другие наследуемые атрибуты. Цепочку объектов из разных классов с общим идентификатором называют метаобъектом [Юдицкий-1, 2001]. Метаобъект проходит через систему по определенному маршруту, характеризуемому фазами пребывания объектов в классах и межклассовыми переходами. Метаобъекты запускаются в систему последовательно, один за другим, в так называемом параллельно-конвейерном режиме. Одновременно могут проходить свои маршруты несколько метаобъектов. Зависимость от времени изменений характеристик СРЭ при параллельно-конвейерной работе метаобъектов описывается конвейерно-временными диаграммами (КВД) [Юдицкий-4, 2000]. [Юдицкий-5, 2001], [Юдицкий-1, 2001]. Пример КВД дан на рис. 1.8. Она состоит из графика в системе координат «время – характеристика СРЭ» и набора так называемых метаобъектных шкал, размещенным ниже графика параллельно оси времени. Каждая такая шкала соответствует маршруту одного метаобъекта. На ней кружками показываются граничные точки - моменты изменения фазы метаобъекта внутри классов и его перехода из класса в класс. Кружки тех граничных точек, в которых происходит изменение моделируемой характеристики СРЭ, зачерняются.

Рис.1.8. Пример конвейерно-временной диаграммы для С-сценария на рис. 1.6

 

Начальная и конечная точки шкалы обозначаются соответственно Н и К. Точки перехода метаобъектов из входной очереди на граф жизненного цикла обозначаются символом начальной вершины этого графа, а точки перехода из конечной вершины графа в выходную очередь – символом конечной вершины. Точки перехода метаобъекта из класса в класс обозначаются также как в С-сценарии, т.е. через t_i. Слева шкала помечается идентификатором соответствующего метаобъекта. Зачерненные граничные точки метаобъектных шкал проецируются на временную ось графика Z=f(τ) в виде моментов τ₁,…,τ_n. Значения ординат графика в моменты τ_i, i=1,…,n, определяются в ходе имитационного моделирования С-сценария как значения соответствующих атрибутов. В момент τ_i значение ординаты графика может формироваться как результат воздействия нескольких параллельно работающих метаобъектов. В этом случае изменения характеристики СРЭ, инициируемые разными метаобъектами, суммируются. На интервалах между моментами, нанесенными на ось времени, значение функции Z не изменяется – график КВД представляет ступенчато возрастающую функцию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение отметим пять характерных аспектов предлагаемой методологии логического моделирования поведения Систем Рыночной Экономики.

    1. Сценарный подход. Существуют две противоречащие друг другу трактовки понятия «сценарий» и его связи с понятием «архитектура или реализация». Согласно первой трактовке, имеющих сторонников в технических и некоторых гуманитарных науках, сценарий определяется как способ функционирования системы с известной архитектурой, т.е. уже существующей системы, задающий очередность выполнения отдельных работ, диктуемых архитектурой. Иными словами, архитектура системы первична, сценарий вторичен. В сфере искусства (театр, кино, живопись, музыка и т.д.), да и в современной естественной науке, сценарий –это всего лишь эскиз (прообраз) новой системы, в которой много неясного и неопределённого, об архитектуре, а тем более о реализации, говорить ещё рано. При второй трактовке (сценарий первичен, архитектура системы вторична) сценарий играет роль модели, разработка и исследование которой позволяет получить более полные полезные знания о создаваемой системе. Под таким углом зрения, по мнению автора, следует трактовать изложенный в работе «сценарный подход».

    2. Моделирование сценария на абстрактном и структурном уровне. Интеграция процессо- и объектно-ориентированных подходов. Моделирование поведениясистем рыночной экономики проводится на двух уровнях – рамочном и детальном. Рамочный уровень соответствует абстрактному сценарию, детальный уровень – структурному. Абстрактный уровень дает самую общую картину поведения системы – отображает операции по достижению целей и потоки (материальные, информационные, финансовые), циркулирующие между системой и средой и внутри системы. Он соответствует стилю мышления специалистов в предметной области, т.е. процессо-ориентированному подходу. С другой стороны, он позволяет аналитически проверить корректность предварительных представлений специалистов о поведении моделируемой системы. В результате могут быть выявлены и исправлены ошибки, обнаружение которых на уровне детального сценария представляло бы гораздо более сложную проблему.

На втором уровне моделирования абстрактный сценарий преобразуется в структурный – детальное объектно-ориентированное описание движения в системе структурированных элементов потоков (объектов и ресурсов). Структурный сценарий трансформируется в программу, на основе которой проводится имитационное моделирование СРЭ. Двухуровневое моделирование сценария позволяет упростить процедуру анализа поведения системы, а также взаимно дополнить процессо-ориентированный и объектно-ориентированный подходы к её проектированию.

    З. Применение формального аппарата сетей Петри для проверки корректности абстрактного сценария. Аппарат сетей Петри позволяет адекватно отобразить динамику сложных систем, в том числе выполнение параллельных процессов. Однако методы моделирования на сетях Петри достаточно трудоемки, а форма представления результатов (в виде дерева достижимости маркировок) громоздка и ненаглядна. Для упрощения процедуры анализа сети Петри был предложен алгоритм её редукции, позволяющий без искажения поведения моделируемой системы «вырезать» из сети заведомо корректные фрагменты, а для остаточной части сети сформировать так называемую «ленту достижимости», отличающуюся компактностью и наглядностью [Юдицкий и др., 2005]. На её основе анализируется конфигурация А-сценария – проверяется отсутствие в нем «зависаний», циклов-ловушек, переполнений позиций, а также выполняет ли сценарий требуемые функции.

    4. Моделирование структурного сценария: эволюция объектов при реализации ими жизненного цикла внутри классов и наследование/порождение признаков при взаимодействиях между классами. При преобразовании абстрактного сценария в структурный операции сопоставляются с классами. Класс условно можно представить, как некоторый «мир», в котором обитают объекты с одинаковым набором признаков (атрибутов), различающиеся лишь значениями этих признаков. Объекты порождаются в классе и накапливаются во входной очереди на реализацию жизненного цикла. После прохождения жизненного цикла, сопровождаемого изменением значений признаков, объекты накапливаются в выходной очереди – на уничтожение. Жизнедеятельность процессов в классе обеспечивается потреблением ресурсов.

При наступлении события, определяемого ситуацией в данном классе-родителе и классе - потомке, объект в родительском классе удаляется из выходной очереди и уничтожается, а во входной очереди потомка порождается новый объект. Порожденный объект может наследовать некоторые признаки уничтоженного, но обязательно содержит новые признаки. Таким образом, имеет место явление, схожее с мутацией клеток при эволюции живых организмов. При имитационном моделировании структурного сценария определяются эволюционные изменения в объектах внутри классов, изменения наследуемых признаков при их миграции из класса в класс, а также статистические данные по отдельным классам и системе в целом. Результаты имитационного моделирования структурного сценария наглядно отображаются описанными выше конвейерно-временными диаграммами. Изложенное описание структурного сценария и механизма его моделирования подтверждает концепцию [Бир, 1993] об аналогии между системами рыночной экономики и биологическими системами.

    5. Локальное моделирование иерархических сценариев. Моделирование сложных иерархических сценариев может быть организовано как глобальная либо локальная процедура. В первом случае вначале итеративно создается полная иерархическая модель системы и лишь затем осуществляются имитационные эксперименты над ней. Во втором случае ведется последовательное послойное моделирование путем построения и анализа цепочки локальных моделей. Локальная модель каждого уровня (слоя) является достаточной в смысле возможности её имитационного «прогона» и в тоже время прозрачной для пользователя и удобной для принятия решений на её основе. Навигация по локальным моделям производится как сверху-вниз, так и снизу-вверх. Локальное моделирование является, по нашему мнению, эффективным средством преодоления сложности, т.к. работать с несколькими простыми моделями легче, чем с одной сложной.

Литература по главе 1

[Бир, 1993] Бир С. Мозг фирмы: Пер. с англ. –М.: Радио и связь, 1993.

[Буч, 1998] Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./Пер. с англ. –М.: изд. Бином, СПб: Невский диалект, 1998.

[Буч и др., 2000] Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML/ Руководство пользователя: Пер. с англ. –М.: ДМК, 2000.

[Котов, 1984] Котов В.Е. Сети Петри. – М.: Наука, 1984.

[Питерсон, 1984] Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем./Пер. с англ. – М.: Мир, 1984.

[Таль и др., 1982] Таль А.А., Юдицкий С.А. Иерархия и параллелизм в сетях Петри//Автоматика и телемеханика. - 1982, №7, №9.

[Юдицкий-2 и др., 1987] Юдицкий С.А., Магергут В.З. Логическое управление дискретными процессами. – М.: Машиностроение, 1987.

[Юдицкий-4, 2000] Юдицкий С.А. Технология целевого моделирования бизнес-систем.//Приборы и системы управления. – 2000, №10.

[Юдицкий-5, 2001] Юдицкий С.А. Сценарно-целевой подход к системному анализу. // Автоматика и телемеханика. – 2001, №4.

[Юдицкий-3, 2001] Юдицкий С.А. Эволюция объектов в потоковой модели бизнес-систем. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2001, №11.

[Юдицкий-1, 2001] Юдицкий С. А. Сценарный подход к моделированию поведения бизнес-систем. – М.: СИНТЕГ, 2001.

[Юдицкий-6 и др., 2005] Юдицкий С.А., Владиславлев П.Н. Основы предпроектного анализа организационных систем: Учеб. Пособие. – М.: Финансы и статистика, 2005.