Применение объектно-ориентированного подхода при проектировании информационной системы (ОАО «РЖД» )

Содержание:

Введение

В век всеобщей компьютеризации ни для кого не секрет, что без компьютерной техники и специализированного программного обеспечения практически невозможно обойтись. Применение специализированных программ позволяет улучшить качество выполняемой работы, упростить человеческий труд, ускорить выполнение технологического процесса, облегчает хранение и передачу информации – перечислять все достоинства можно практически до бесконечности.

В большинстве случаев используемые программные комплексы хранят производственную информацию, и эта информация должна быть доступна некоторому количеству пользователей и, зачастую, пользователи работают с данными одновременно. Эти идеи послужили основой концепции, согласно которой данные должны быть организованны в базы данных, для управления которыми, широко используются системы управления базами данных (СУБД).

Проектирование экономических информационных систем (ЭИС) - логически сложная, трудоемкая и длительная работа, требующая высокой квалификации участвующих в ней специалистов.

В начале 70-х гг. в США был отмечен кризис программирования (software crisis). Это выражалось в том, что большие проекты стали выполнятся с отставанием от графика или с превышением сметы расходов, разработанный продукт не обладал требуемыми функциональными возможностями, производительность его была низка, качество получаемого программного обеспечения не устраивало потребителей.

Аналитические исследования и обзоры, выполняемые в течение ряда последних лет ведущими зарубежными аналитиками, показывали не слишком обнадеживающие результаты. Так, например, в 1995г. компания StandishGroup проанализировала работу 364 американских корпораций и итоги выполнения более 23 тыс. проектов, связанных с разработкой ПО, и сделали следующие выводы:

Только 16% проектов завершились в срок, 52,7% завершились с опозданием, расходы превысили запланированный бюджет.

В числе причин неудач фигурируют: нечеткая и неполная формулировка требований к ПО, недостаточное вовлечение пользователей в работу над проектом, неудовлетворительное планирование и т.п.

На этом фоне, выгодно отличается объектно-ориентированный подход к проектированию ПО. Он устраняет эти и другие недостатки, он обладает богатым набором изобразительных средств. Вот почему, целью моей курсовой работы является раскрытие современных методов и средств проектирования, в частности в объектно-ориентированном подходе к проектированию ИС.

В ходе выполнения работы были решены следующие задачи:

• рассмотрение сущности и преимуществ объектно-ориентированного подхода;
• анализ предметной области;
• применение объектно-ориентированного подхода при проектировании ИС.

Теоретические основы объектно-ориентированного подхода

Сущность объектно-ориентированного подхода

Наиболее популярны два подхода (парадигмы) к анализу и проектированию информационных систем: структурный и объектно-ориентированный.

Первое отличие этих подходов друг от друга заключается в принципах декомпозиции и структурной организации элементов (компонентов, модулей) системы. Согласно этим принципам система представляет собой структуру, состоящую из четко выраженных модулей, связанных между собой определенными отношениями.

При использовании структурного подхода (первый вид декомпозиции) выполняется функциональная (процедурная, алгоритмическая) декомпозиция системы, т. е. она представляется в виде иерархии (дерева) взаимосвязанных функций. На высшем уровне система представляется единым целым с наивысшей степенью абстракции и по мере детализации (добавления уровней) разбивается на функциональные компоненты с более конкретным содержанием.

Второй вид декомпозиции – объектно-ориентированный. В рамках этого подхода система разбивается на набор объектов, соответствующих объектам реального мира, взаимодействующих между собой путем посылки сообщений.

Вторым отличием является объединение в объекте как атрибутивных данных (характеристики, свойства), так и поведения (функции, методы). В функционально-ориентированных системах функции и данные хранятся (существуют) отдельно.

Третье отличие двух подходов заключается в структурной организации внутри модулей системы. В структурном подходе модуль состоит из функций, иерархически связанных между собой отношением композиции (англ. part-of – часть-целое), т. е. функция состоит из подфункций, подфункция из подподфункций и т.д. В объектно-ориентированном подходе иерархия выстраивается с использованием двух отношений: композиции и наследования (англ. is-a – это есть). При этом в объектно-ориентированном подходе «объект-часть» может включаться сразу в несколько «объектов-целое». Таким образом, модуль в структурном подходе представляется в виде дерева, а в объектно-ориентированном подходе – в виде ориентированного графа, т. е. с помощью более общей структуры.

Наиболее популярными методологиями, поддерживающими объектно-ориентированный подход, в настоящий момент являются:

унифицированный процесс (Unified Process, UP);

экстремальное программирование (eXtreme Programming, XP);

гибкое моделирование (Agile Modeling, AM).

Базовым средством фиксации (документирования) результатов проектирования систем посредством этих методологий является унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language, UML).

Термин «объект» или эквивалентные ему понятия появились практически независимо в различных областях, связанных с компьютерами, в процессе разработки [6]:

архитектуры компьютеров (Burroughs 5000, Plessey 250, IBM System/38, Intel 432);

объектно-ориентированных операционных систем (Plessey/System 250, Secure UNIX, StarOS, iMax);

объектно-ориентированных языков программирования (Simula, Smalltalk, Modula);

теории баз данных (модели «сущность-связь»);

систем искусственного интеллекта (фреймы).

При разработке программного обеспечения термин «объект» впервые был введен в языке Simula 67 для моделирования сущностей предметной области.

Согласно [6, с.23–25] объект – это абстракция реальной или воображаемой сущности с четко выраженными концептуальными границами, индивидуальностью (идентичностью), состоянием и поведением.

Абстракция (лат. abstractio – отвлечение) – форма познания, основанная на мысленном выделении существенных свойств и связей предмета и отвлечении от других, частных его свойств и связей [5, с. 63]. При этом «существенное» и «частное» должны рассматриваться с точки зрения решаемой задачи (предметной области). В объектно-ориентированном подходе абстракция – это модель сущности, описывающая ее свойства и поведение.

Примерами реальных (физических, осязаемых) сущностей могут служить поезд, стрелочный перевод или инженер службы пути, а воображаемых – технология проведения капитального ремонта пути или оптимальная траектория движения поезда (режимы и скорость в зависимости от текущего положения поезда на участке).

Индивидуальность – это свойство сущности, с помощью которого ее можно отличить от других. Т. е., говоря об объекте «поезд», имеется в виду не обобщенное понятие поезд, как нечто состоящее из локомотивов и вагонов, а конкретный грузовой поезд с номером 1025, весом 4600 т, ведомый электровозом переменного тока ВЛ80Т с серийным номером 027, состоящий из четырехосных полувагонов с конкретными номерами и т. д.

В то же время степень абстракции с точки зрения решаемой задачи может быть и более высокой. Например, при выполнении тяговых расчетов к графику движения поездов не требуется информация о серийных номерах локомотивов и вагонов, т. е. нет потребности в отличии друг от друга электровозов ВЛ80Т с серийными номерами 027 и 028.

Для концептуальной группировки однотипных объектов в объектно-ориентированном подходе используется понятие «класс». Класс – это множество объектов, имеющих общую структуру и поведение [7, с.39]. Таким образом, класс – это шаблон, на основе которого генерируются (создаются) однотипные объекты. В качестве синонима понятия «объект» часто употребляют понятие «экземпляр класса».

Каждый класс и соответственно объект характеризуются строго определенным набором атрибутов и методов. Текущие значения атрибутов четко определяют текущее состояние объекта. Набор методов и их алгоритмическая реализация определяют поведение объекта (класса объектов).

Принципы проектирования информационных систем в полной мере применимы и для объектно-ориентированных систем. Но говоря об объектно-ориентированном подходе, в первую очередь отмечают наследование, инкапсуляцию и полиморфизм. Эти механизмы и принципы проектирования более естественно и полно реализованы в объектно-ориентированном подходе по сравнению со структурным.

Наследование – принцип, в соответствии с которым знание об общей категории разрешается применять для более узкой. Применительно к классам это означает, что дочерний класс (узкая категория) полностью включает в себя (наследует) все атрибуты и методы, определенные в родительском классе (общей категории). При этом в дочернем классе могут быть определены дополнительные атрибуты и методы.

Например, дочерний класс «круг» будет наследовать от родительского класса «геометрическая фигура» все атрибуты (x, у – координаты центра фигуры, color – цвет фона и т. д.) и все методы (draw() – нарисовать фигуру, move(dx, dy) – переместить фигуру и т. д.), а также иметь дополнительный атрибут (r – радиус).

Инкапсуляция (информационная закрытость) – принцип, в соответствии с которым содержание внутреннего устройства элементов системы должно быть скрыто друг от друга. Этот принцип предписывает обмен информацией между объектами системы только в минимально необходимом объеме, ограничение доступа к атрибутам и методам объектов (классов) со стороны других объектов (классов) и полное скрытие алгоритмической реализации методов от других объектов (классов).

Полиморфизм – принцип построения элементов модели так, чтобы они могли принимать различные внешние формы или функциональность (поведение) в зависимости от обстоятельств. Например, методы draw() (нарисовать) или calculateS() (рассчитать площадь) для классов «круг» и «ромб», определенных путем наследования атрибутов и методов родительского класса «фигура», алгоритмически должны быть реализованы по-разному.

С учетом приведенных выше определений сущность объектно-ориентированного подхода к анализу и проектированию информационных систем заключается в декомпозиции системы на классы, которые соответствуют однотипным объектам предметной области, и построении из них иерархии в виде ориентированного графа с использованием отношений композиции и наследования.

Базовыми составляющими объектно-ориентированного подхода являются:

унифицированный процесс;

унифицированный язык моделирования;

шаблоны проектирования.

Унифицированный процесс – это процесс разработки программного обеспечения (ПО), который обеспечивает упорядоченный подход к распределению задач и обязанностей в организации-разработчике [5, с.67]. Унифицированный процесс охватывает весь жизненный цикл ПО, начиная с определения требований и заканчивая сопровождением, и представляет собой обобщенный каркас (шаблон, скелет), который может быть применен (специализирован) для разработки и сопровождения широкого круга систем.

Неотъемлемой частью Унифицированного процесса является UML – язык (система обозначений) для определения, визуализации и конструирования моделей системы в виде диаграмм и документов на основе объектно-ориентированного подхода [3, с.58]. Следует отметить, что Унифицированный процесс и UML разрабатывались совместно.

На стадиях анализа и проектирования часто используются так называемые шаблоны (паттерны) проектирования. Шаблон – это именованная пара «проблема/решение», содержащая готовое обобщенное решение типичной проблемы [4]. Как правило, шаблон помимо текстового описания содержит также одну или несколько диаграмм UML (например, диаграммы классов, кооперации и/или последовательности), графически иллюстрирующих состав и структуру классов, а также особенности их взаимодействия при решении поставленной проблемы.  Шаблоны разрабатываются опытными профессионалами и являются проверенными, эффективными (порой оптимальными) решениями. Применение шаблонов может резко сократить затраты и повысить качество разработки ПО.

Преимущества и недостатки объектно-ориентированного подхода

В отличие от структурного подхода объектно-ориентированный имеет ряд преимуществ:

описание системы в виде объектов больше соответствует содержательному смыслу предметной области. Например, при использовании структурного подхода БД должна удовлетворять требованиям нормализации, в соответствии с которыми данные по одному и тому же объекту (сущности из реального мира) могут храниться в нескольких таблицах;

сущности реального мира, как правило, обладают поведением, что в объектно-ориентированном проектировании отражается с помощью определения методов класса. В структурном подходе данные (атрибуты) и алгоритмы (методы) существуют отдельно друг от друга;

объединение атрибутов и методов в объекте (классе), а также инкапсуляция позволяют добиться большей внутренней и меньшей внешней связности между компонентами системы. Это облегчает решение проблем:

адаптации системы к изменению существующих или появлению новых требований;

сопровождения системы на разных стадиях жизненного цикла;

повторного использования компонентов;

объектно-ориентированный подход позволяет легче организовать параллельные вычисления, так как каждый объект обладает собственными значениями характеристик (атрибутов) и поведением, за счет чего можно добиться его автономной работы;

Case-средства, поддерживающие объектно-ориентированный подход, на основе информации об объектах позволяют достичь большей степени автоматизации кодогенерации. Case-средства, поддерживающие структурный подход, хорошо справляются с генерацией структур БД.

Однако следует отметить, что эта структура должна удовлетворять требованиям нормализации. В связи с чем автоматическая кодогенерация (например, экранов или функций обработки данных) возможна лишь в редких случаях.

Анализ деятельности предприятия

Характеристика предприятия

Основной деятельностью компании ОАО «РЖД» является предоставление транспортных услуг. Для обеспечения постоянной и бесперебойной работы организации используется большое количество компьютерного оборудования. Обслуживание компьютерной техники производит отдельный филиал – Главный Вычислительный Центр. Так как территория, которую обслуживает компания, покрывает всю территорию Российской Федерации, для улучшения управляемости филиал разделен на структурные подразделения – информационно-вычислительные центры каждой дороги, в частности, Октябрьскую Железную дорогу обслуживает Санкт-Петербургский Информационно-Вычислительный Центр, который на территории данной зоны ответственности производит полное обслуживание всего комплекса вычислительных систем, сетей и программного обеспечения.

В каждом вычислительном центре существуют Региональные Вычислительные Центры (РВЦ), делящие всю территорию на более мелкие участки. Они занимаются поддержкой пользователей по вопросам, связанным технической работоспособностью вычислительных систем, то есть: либо мелким ремонтом на месте, либо при серьезных неисправностях- отправкой техники в отдел, занимающийся ремонтом (отдел РПО). В отделе РВЦ есть инженер, который занимается снабжением всех удаленных площадок (удаленные площадки (группы) требуются в связи с большой территорией обслуживания) резервом вычислительной техники, всеми необходимыми расходными материалами, а также доставкой из/в ремонт неисправной аппаратуры и ее дальнейшей передачей в отдел РПО для ремонта. Резерв техники необходим для предоставления подмены на оперативных рабочих местах (в основном связанных с безопасностью движения (в соответствии с регламентом)) в случаях невозможности ремонта на месте или невозможности устранения неисправности на месте в установленный срок.

Обоснование необходимости проектирование ИС

Исходя из вышеописанного, необходимо разработать «АРМ инженера по снабжению», который будет реализовывать взаимодействие между инженером по снабжению и руководителями площадок (групп). Взаимодействие заключается в следующем.

На каждой площадке должен быть оперативный резерв вычислительной техники и комплектующих - значит необходимо спроектировать модуль, с помощью которого можно будет оперативно, в реальном времени отслеживать наличие резерва. Наличие должно отслеживаться по каждой площадке отдельно и по категориям техники (системные блоки, мониторы, принтеры лазерные, принтеры матричные и т. д.). Диаграмма представлена на рис 1.

Рис. 1. Диаграмма вариантов использования модуля «Резерв»

На каждой площадке для ее нормального функционирования должны быть расходные материалы, соответственно, для своевременного снабжения (для своевременного заказа машины в гараже или при наличии уже заказанного рейса для комплектации в полном объеме отправки) - необходимо спроектировать модуль для регистрации заявок по расходным материалам руководителями удаленных площадок, просмотра и закрытия (в случае удовлетворения) этих заявок инженером по снабжению. Модуль должен содержать общее количество в остатке на складе, историю выдачи расходных материалов по площадкам и по категориям. Диаграмма представлена на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма вариантов использования модуля «ЗИП»

На каждой площадке скапливается неисправная техника и комплектующие, ожидающие отправки или уже отправленные в ремонт - соответственно необходим модуль, реализующий контроль за ходом ремонта, путем регистрации руководителем площадки заявки на ремонт (с внесением всех актуальных данных о балансовой единице, нуждающейся в ремонте) и далее внесением инженером по снабжению необходимых пометок о ходе ремонта. Модуль должен хранить историю ремонтов техники. Диаграмма представлена на рис. 3.

Рис. 3. Диаграмма вариантов использования модуля «Ремонт»

Дополнительные требования к АРМу: разграничение уровней доступа (в частности руководитель площадки должен иметь права на регистрацию и просмотр заявок, а инженер по снабжению права на закрытие заявок и т.п.).

Реализация объектно-ориентированного подхода при проектировании ИС

Выбор средств объектно-ориентированного подхода

UML (Unified Modeling Language — унифицированный язык моделирования) – язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. UML был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования в основном программных систем. UML не является языком программирования, но в средствах выполнения UML-моделей как интерпретируемого кода возможна генерация исходного кода.

Для проектирования UML диаграмм приложения использовалось CASE-средство (от Computer Aided Software/System Engineering) Jude Community. Case–средства позволяют моделировать бизнес процессы, компоненты программного обеспечения, структуру и деятельность организаций. Использование CASE-средств оптимизирует эффективность проектирования, снижает вероятность расходы и вероятности ошибок.

Jude Community – мощное средство для проектирования программных комплексов любой сложности. С его помощью можно провести весь цикл разработки программы – от идеи до генерации кода. Серьезным преимуществом данной программы является ее свободное распространение.

Преимущества от использования:

• унифицированное средство общения между разработчиками;
• ускорение разработки;
• увеличение продуктивности.

Поскольку проектируемый АРМ будет состоять из программного приложения и базы данных, целесообразным является разработать диаграмму вариантов использования, диаграммы последовательностей и кооперативную диаграмму средствами JUDE. Разработка базы данных будет производится специализированным case-средством с возможностью генерации исходного кода – ER Win.

Результаты применения объектно-ориентированного подхода

Диаграмма вариантов использования (Use case diagram) позволяет сделать анализ бизнес-процессов, отображая приложение в статическом состоянии. В диаграмме описываются только функции, выполняемые актерами. Актером является пользователь, выполняющий определенную роль в системе.

Рис.4. Диаграмма вариантов использования

Диаграмма взаимодействия - это диаграмма, на которой представлено взаимодействие, состоящее из множества объектов и отношений между ними, включая и сообщения, которыми они обмениваются. Этот термин применяется к видам диаграмм с акцентом на взаимодействии объектов (диаграммах кооперации, последовательности и деятельности).

Существует два вида диаграмм взаимодействия: диаграммы последовательности (Sequence diagrams) и диаграммы кооперации (collaboration diagrams).

По результатам проведенного анализа бизнес-процессов можно составить диаграмму последовательности, основанную на обмене информацией между объектами. На рисунке 5 показан данный вид диаграммы для наиболее значимого прецедента.

Рис.5. Диаграмма последовательности: составление заявки на ЗИП

Диаграммы сотрудничества в большей степени заостряют внимание на связях между объектами, чем диаграммы последовательности событий. В принципе, на данной диаграмме представлена такая же информация, как и на диаграмме последовательности, но по-другому. Из нее легче понять связи между объектами, но труднее - последовательность событий. На рисунке 6 показан данный вид диаграммы.

Рис. 6. Диаграмма сотрудничества

Диаграммы деятельности позволяют моделировать сложный жизненный цикл объекта, с переходами из одного состояния (деятельности) в другое. Но этот вид диаграмм может быть использован и для описания динамики совокупности объектов. Они применимы и для детализации некоторой конкретной операции, причем предоставляют для этого больше возможностей, чем "классическая" блок-схема. Диаграммы деятельности описывают переход от одной деятельности к другой, в отличие от диаграмм взаимодействия, где акцент делается на переходах потока управления от объекта к объекту. На рисунке 7 показан данный вид диаграммы.

Рис. 7. Диаграмма активности

Заключение

В работе рассмотрены основные понятия, касающиеся применения объектно-ориентированного подхода к проектированию информационных систем. В ходе работы была предложена методика проектирования и описания бизнес-процесса предприятия и выполнено проектирование автоматизированного рабочего места инженера по снабжению регионального вычислительного центра.

Разработанный АРМ позволяет существенно упростить документооборот отдела, оперативно отслеживать наличие: резерва на площадках, потребность в расходных материалах; создавать заявки на ремонт техники, отслеживать его ход и просматривать историю.

Список использованной литературы

1. Введение в системы баз данных – СПб: Издательский дом "Вильямс", 200. - 848 с.;
2. Вендров А.М. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. // М.: «Финансы и статистика», 2011.
3. Калянов Г.Н. CASE. Структурный системный анализ (автоматизация и применение). – М.: Лори, 2009.
4. Константайн Л., Локвуд Л. Разработка программного обеспечения. СПб.: Питер, 2004.
5. Дейв Крейн, Эрик Паскарелло, Даррен Джеймс. AJAX в действии: Учебник – М.: Вильямс, 2006. 450 – 490 с.
6. Диго С.М. Базы данных: проектирование и использование: Учебник. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 592 с.
7. Информационные системы: Учебник для вузов. 2-е изд. СПб: "Питер", 2010. - 656 стр.
8. Кристиан Дари, Богдан Бринзаре, Филип Черчез-Тоза, Михай Бусика. AJAX и PHP. Разработка динамических веб-приложений: Учебник – М.: Символ Плюс, 2006.
9. Разработка программного обеспечения - СПб : "Питер", 20100. - 592 стр.
10. Реляционные базы данных: практические приемы оптимальных решений. – СПб.: БХВ-Петербург, 2011 – 400с.:ил;
11. Симионов Ю.Ф., Боромотов В.В. Информационный менеджмент. — Ростов н.Д: Феникс, 2006, 250с., ил.