Процессы системного проектирования программных средств

Системное проектирование в программной инженерии охватывает период жизненного цикла сложных комплексов программ, начиная от формулирования первичного замысла на создание или модернизацию системы и до начала детального проектирования и разработки ПС. Результатом этого периода работ должно быть согласованное и формализованное разработчиком и заказчиком представление о целях, назначении, функциональных задачах и качестве будущего программного продукта, способного удовлетворить надежды и запросы пользователей. В системном проекте должны быть обобщены и отражены следующие основные результаты выполненных системных исследований и разработок (рис. 4.1):

— обобщенный анализ проведенного обследования объекта информатизации, функций существующей информационной системы, качества ее основных программных компонентов и базы данных;

— совокупность предварительных исходных требований к функциям и характеристикам комплекса программ;

— оценки имеющихся и потенциально доступных ресурсов (финансовых, вычислительных средств, специалистов) для обеспечения всего жизненного цикла и требуемого качества проекта комплекса программ;

— результаты предварительного анализа возможной архитектуры комплекса программ на основе моделей и прототипов аналогичных систем, позволяющие наметить планы разработки и всего жизненного цикла проекта ПС;

— цели, задачи и функции предполагаемой новой или модернизированной системы, обобщенные в концепции создания соответствующего программного средства;

— проекты планов жизненного цикла, гарантирования требуемого качества ПС, защиты и обеспечения безопасности его функционирования;

— результаты технико-экономического обоснования целесообразности и основных направлений продолжения проектирования и всего ЖЦ ПС;

— результаты анализа существующей и возможной инструментальной среды разработки, а также системы обеспечения качества, перспективы их развития и совершенствования;

— предварительный план организации работ, требования к составу и квалификации специалистов для выполнения проекта и всего жизненного цикла ПС;

— проект формализованного технического задания и спецификации требований к ПС, а также предложения по его финансированию и обеспечению ресурсами;

— системный проект, обобщающий проведенные исследования и разработки, позволяющий заключить контракт между разработчиком и заказчиком на финансирование и продолжение проектирования и/или на весь жизненный цикл ПС.

Системное проектирование сложных ПС начинается с обследования объекта информатизации, системного анализа предметной области и выявления потребности в создании или модернизации комплекса программ с определенными функциями и качеством. При создании сложных ПС важно учитывать, что только заказчик и потенциальный пользователь системы вправе и способен корректно формулировать требования и впоследствии судить, насколько успешно проведена разработка соответствующего ПС. Аналитики-консультанты совместно с потенциальными разработчиками и заказчиком или пользователями должны проводить анализ прикладной области и объекта информатизации, разрабатывать стратегию разработки и технико-экономическое обоснование реализуемости выдвигаемых требований.

Разработка исходных требований для технического задания на проект ПС начинается с анализа результатов обследования объекта информатизации и оценки доступных ресурсов для реализации проекта. Эта деятельность требует специальной организации специалистов наивысшей квалификации и тесной совместной работы представителей заказчика и разработчика. Они должны подготовить исходные данные и документы, в которых содержатся предварительные требования и пожелания к функциональным и конструктивным характеристикам качества программного комплекса. Далее ими должна проводиться сложная работа по предварительному упорядочению, селекции, обобщению и ранжированию приоритетов требований для их реализации в проекте. Наличие обычно ряда неформализованных, неструктурированных и противоречивых содержательных требований заказчика и разработчика требует их совместной обработки, согласования и корректировки.

Функциональные требования заказчика к процессам и результатам обработки информации необходимо скоординировать с конструктивными требованиями и возможностями их эффективной реализации разработчиками в спецификациях требований к комплексу программ и его программным и информационным компонентам. Должна быть предусмотрена корректировка, конкретизация и развитие совокупности предварительных требований в процессе системного проектирования и в дальнейшем по мере реализации проекта при тесном взаимодействии заказчика и разработчика. Для крупных проектов ПС целесообразно использовать специальный инструментарий и хранилище решений в процессе отработки требований, которые следует учесть в системном проекте и техническом задании, а также применять для контроля их реализации.

Предварительный анализ и моделирование процессов обработки данных при системном проектировании должны проходить этапы от простого установления базовых отношений между понятиями, через определение интерфейсов доступа и атрибутов, к проекту модели состояний и взаимодействий между реальными объектами и процессами ПС. Эти модели должны служить базой при разработке схем потоков управления и данных, описывающих процессы их обработки, а впоследствии интегрироваться с отработанными моделями процессов для комплексного исследования функционирования прототипов — пилотных проектов ПС в целом. Итеративный характер построения формализованного описания проекта системы предопределен изначально не только потому, что не удается сразу получить непротиворечивое и полное описание из-за неясностей в исходном описании, но и потому, что сложную систему можно описывать, только начиная с основной части ее предметной области, которая затем постепенно расширяется и детализируется.

Моделирование процессов обработки данных при системном проектировании преследует две основные цели:

— моделирование проблемно-ориентированных процессов и конкретных функциональных задач с целью исследования принципов, методов и характеристик обработки информации и принятия решений для последующего их использования в проектах;

— моделирование архитектуры объектов и процессов, а также их взаимодействия, предполагаемых для применения в конкретном проекте, без акцента на особенности функциональных характеристик компонентов.

При построении формализованного описания системы, выполняемом ее разработчиком, принципиальными являются два организационных момента: специалисты — заказчики или пользователи создаваемой системы должны активно участвовать в процессе анализа и реализации ее описания; каждый шаг описания должен обязательно документироваться. Наглядными и удобными в работе являются графические представления описаний проектных решений, которые позволяют создавать прототипы ПС. Они обеспечивают эффективную визуализацию и обратную связь между разработчиком и потенциальным пользователем с целью оценки реализации требований, корректировки функций и качества компонентов, а также форм пользовательского интерфейса. Для этого разработана целая гамма методологий для моделирования, структурного анализа и визуального проектирования. Современные инструментальные CASE-средства обеспечивают широкие возможности выбора процессов моделирования, автоматизированного анализа системных предложений и выработки первичных требований к предполагаемому проекту ПС. Схемы потоков данных, потоков управления, сущность-связь и другие — составляют комплекс удобных и гибких графических методов и средств описания систем, облегчающих взаимопонимание между разработчиками и заказчиками на разных уровнях детализации функций, качества и архитектуры ПС.

Концепция создаваемого комплекса программ (см. рис. 4.1) на естественном языке данной предметной области должна включать предварительные требования к ПС, основные понятия и термины. Она является первым исходным документом, согласуемым с заказчиком для создания комплекса программ. На основе этого описания формируется предварительное техническое задание на систему и ее основные компоненты. При использовании формализованных методов разработки программных средств текстуальное описание системы подлежит переводу на соответствующий, возможно, графический язык. Наряду с разработчиками специалисты-заказчики или пользователи создаваемой концепции ПС должны активно участвовать в процессе анализа и реализации ее описания.

Одним из наиболее эффективных направлений сокращения затрат и повышения качества комплексов программ является активное использование методического, технологического, алгоритмического и программного задела из предшествующих проектов, которое может быть названо прототипированием в широком смысле слова. Математические модели и прототипы различных компонентов и функций систем обеспечивают возможность применять готовые апробированные решения, а также выделять и исследовать принципиально новые методы и процессы для реализации их в ПС. Прототипирование позволяет наглядно представить заказчику и пользователю функции системы, виды и динамику применения экранов, меню, отчетов и форм запросов, а также откорректировать их для развития ПС на всех этапах ЖЦ. Методами математического моделирования должны создаваться варианты, фрагменты и компоненты прототипа ПС и выделяться возможные методы реализации предполагаемых функций и обеспечения их качества. Для этого следует анализировать и выбирать прототипы комплексов программ, характеристики которых наиболее близки к создаваемой версии ПС и которые позволили бы получить в результате объекты с необходимыми характеристиками. На их основе возможно прогнозировать процессы разработки и достигаемые показатели качества вновь создаваемого ПС. Этим же целям способствует предварительное распределение ресурсов, доступных для создания проекта.

Стратегическое планирование проекта должно содержать долгосрочные цели развития ЖЦ ПС определенного функционального назначения. Планы должны отражать предварительные проекты всего будущего жизненного цикла ПС, обеспечения их качества, защиты и безопасности функционирования, верификации и тестирования, управления конфигурацией и сопровождения. На базе требований к ПС и первичных планов появляется возможность оценить объем подлежащих разработке компонентов программ и баз данных, а также некоторые дополнительные характеристики возможного объекта и среды разработки. На этом этапе инструментальные средства должны обеспечить наглядное представление каждого плана, оценку возможной трудоемкости и длительности разработки, необходимого числа специалистов и других ресурсов для их реализации. По этим данным руководителем разработки и заказчиком принимается решение о целесообразности продолжения проектирования и осуществляется стратегическое планирование проекта, которое формализуется в системном проекте и в техническом задании на ПС.

Такое постепенное повышение достоверности прогнозов приводит к целесообразности оценки достигаемых значений качества по этапам и к возможности разработки укрупненного, поэтапного плана выполнения всего комплекса работ в ЖЦ ПС. Эти данные позволяют принимать решения по корректировке требований к ПС, по изменению среды разработки или состава коллектива специалистов. Таким образом, последовательное прогнозирование, планирование и системное управление проектом обеспечивают рациональное использование ресурсов в процессе создания сложных ПС гарантированного качества.

Прогнозы и анализ вариантов технологических процессов проектирования ПС, их технико-экономических показателей и характеристик объекта разработки являются основой для выбора, предварительного планирования и последующего системного анализа всего жизненного цикла ПС. Достоверность планов и прогнозов определяется точностью сведений об объекте разработки, характеристиках технологической среды и прототипов, принятых за основу при планировании. Таким образом, производится технико-экономическое обоснование проекта (см. лекцию 5), определяются приближенные значения трудоемкости и длительности всей разработки ПС, а также число необходимых специалистов, что позволяет оценить предварительный укрупненный план создания ПС в заданных условиях, ресурсах и сроках. Вследствие творческого характера большинства работ на этом этапе невозможно составить жесткий план их выполнения. Помочь может типовой перечень частных работ, представленный в стандартах ЖЦ ПС, и ориентировочный график, иллюстрирующий их взаимосвязь.

Проведенные таким образом оценки проекта ПС позволяют осуществить предварительный выбор основных методов и инструментальных средств для проведения последующего детального и рабочего проектирования и поддержки всего ЖЦ ПС. Кроме того, должна подготавливаться адаптация средств автоматизации применительно к особенностям объекта и среды проектирования. Разрабатываются проекты руководств для специалистов, выделяемых на данный проект, и осуществляется их обучение. Интегрированные инструментальные средства служат для формализации знаний заказчика на этапе проведения обследования, анализа и подготовки технического задания, а также для проектирования концептуальной и логической структуры комплекса программ и базы данных. При этом должно активно использоваться моделирование и тестирование корректности системных решений. Благодаря высокому качеству проработки и документирования системного проекта создается основа для снижения трудоемкости тестирования, испытаний, а также сопровождения и модификации ПС.

В процессе системного проектирования должны предварительно определяться состав и структура основных технологических и эксплуатационных документов для поддержки всего ЖЦ ПС. Эти документы должны обеспечивать реализацию процессов жизненного цикла ПС, планирования и управления, регистрировать выполнение требуемых действий, формализовать систему качества. При этом следует подготовить первоначальные требования к документации и обеспечить их реализацию, которая должна быть однозначной — написана в стандартизированных терминах, которые допускают только единственную интерпретацию, уточняемую, если необходимо, соответствующими комментариями.

Системный проект программного средства новой или модернизированной системы должен содержать достаточно полные требования к функциям и характеристикам качества комплекса программ, описание и графическое представление его архитектуры, базы данных и взаимодействия компонентов, предполагаемую модель жизненного цикла, предварительные планы последующих этапов и работ. Кроме того, в него должны входить проекты технического задания и контракта на детальное проектирование и весь жизненный цикл ПС. Если заказчик удовлетворен результатами системного проектирования, то возможно оформление акта завершения работ и утверждение системного проекта комплекса программ с требуемыми характеристиками качества новой или модернизированной системы, а также контракта (договора) на детальное проектирование или на весь жизненный цикл ПС.