Мультиагентный метод анализа и синтеза информационных систем

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

И. А. Спицина, К. А. Аксенов

Мультиагентный метод 
анализа и синтеза 
информационных систем

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
09.04.01 — Информатика и вычислительная техника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 004.8(075.8)
ББК 32.813я73
          С71
Рецензенты:
кафедра «Высшая и прикладная математика» Уральского государственного университета путей сообщения (завкафедрой проф., д‑р физ.‑мат. 
наук Г. А. Тимофеева);
доц., канд. техн. наук В. Ф. Ярчук (начальник программно‑технологического отдела ООО «ТЭКСИ‑Консалтинг»).
Научный редактор — проф., д‑р техн. наук Л. Г. Доросинский

 
Спицина, И. А.
С71    Мультиагентный метод анализа и синтеза информационных систем : 
учебное пособие / И. А. Спицина, К. А. Аксенов. — Екатеринбург : Изд‑во 
Урал. ун‑та, 2017. — 92 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2038‑7

Отражены аспекты принятия решений при разработке информационных систем. Основное внимание уделено построению модели информационной системы с использованием автоматизированных средств поддержки принятия решений. 
Рассмотрены методы разработки организационно‑технических систем и представлен анализ существующих CASE‑средств. Предназначено для студентов дневной 
и дистанционной форм обучения направления 09.04.01 — Информатика и вычислительная техника (магистр), модуль «Применение аналитики и графики в информационных системах (ИС)».

Библиогр.: 23 назв. Табл. 4. Рис. 46.

УДК 004.8(075.8)
ББК 32.813я73

Учебное издание

Спицина Ирина Александровна, Аксенов Константин Александрович

МультИАгентный Метод АнАлИзА И СИнтезА ИнфорМАцИонных СИСтеМ

Редактор И. В. Коршунова
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 17.04.2017. Формат 70×100/16. Бумага писчая. Печать цифровая. Гарнитура Newton.
Уч.‑изд. л. 5,0. Усл. печ. л. 7,4. Тираж 50 экз. Заказ 70

Издательство Уральского университета
Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: 8 (343)375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41. E‑mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ
620075, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: 8 (343) 350‑56‑64, 350‑90‑13. Факс: 8 (343) 358‑93‑06
E‑mail: press‑urfu@mail.ru

ISBN 978‑5‑7996‑2038‑7 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

Оглавление

Список основных сокращений ................................................................................... 5

Предисловие ................................................................................................................ 6

1. Процесс системного анализа при разработке информационных систем ............. 9

1.1. Этапы системного анализа при разработке информационных систем .......... 9

1.1.1. Организационно‑технические системы .............................................. 10
1.1.2. Моделирование автоматизируемых процессов ................................... 11
1.1.3. Реинжиниринг бизнес‑процессов ........................................................ 14

1.2. Риски, связанные с разработкой информационных систем, и пути 
        их снижения ................................................................................................... 15
1.3. Методологические и теоретические основы поддержки принятия 
        решений, моделирования и разработки информационных систем ............. 17

1.3.1. Применение имитационного моделирования при разработке 
           программного обеспечения .................................................................. 17
1.3.2. Использование систем искусственного интеллекта при разработке 
           информационных систем ..................................................................... 18
1.3.3. Применение мультиагентного подхода ............................................... 19

1.4. Обзор и сравнительный анализ существующих систем поддержки 
        принятия решений в области разработки информационных систем 
        (CASE‑средств) .............................................................................................. 21

1.4.1. Классификация CASE‑средств ............................................................ 21
1.4.2. Описание CASE‑средств ...................................................................... 22
1.4.3. Критерии сравнения функциональных возможностей 
           CASE‑средств ........................................................................................ 26
1.4.4. Сравнительный анализ CASE‑средств ................................................. 27

2. Метод поддержки принятия решений при разработке информационных 
     систем для предметной области мультиагентных процессов преобразования 
     ресурсов ................................................................................................................. 29

2.1. Требования к модели и методу поддержки принятия решений 
        при разработке информационных систем .................................................... 29
2.2. Выбор модели представления бизнес‑процессов ......................................... 30
2.3. Выбор модели представления знаний ........................................................... 32
2.4. Построение модели разработки информационной системы ....................... 35

2.4.1. Концептуальная модель предметной области мультиагентных 
           процессов преобразования ресурсов .................................................... 35
2.4.2. Концептуальная модель предметной области информационных 
           систем .................................................................................................... 42

2.5. Метод разработки информационных систем ................................................ 46
2.6. Методика оценки эффективности работы метода разработки 
        информационных систем .............................................................................. 68

3. CASE‑средство BPsim.SD ..................................................................................... 71

3.1. Функциональные возможности пакета BPsim.SD ........................................ 71
3.2. Описание CASE‑средства BPsim.SD ............................................................. 72

3.2.1. Общая структура CASE‑средства BPsim.SD ........................................ 72
3.2.2. Создание диаграмм ............................................................................... 74
3.2.3. Подсистема моделирования пользовательского интерфейса ............. 79

3.3. Описание агента интеграции BPsim.MAS и BPsim.SD ................................. 81
3.4. Методика использования пакета BPsim ........................................................ 82

Заключение ............................................................................................................... 87

Библиографический список ..................................................................................... 90

Список основных сокращений

BPMN
(Business Process Model and Notation) — нотация и модель 
бизнес‑процессов

CASE
(Computer Aided Software Engineering) — автоматизированная 
разработка ПО

UML
(Unified Modeling Language) — унифицированный язык 
моделирования
БД
– база данных
БЗ 
– база знаний
БП
– бизнес‑процесс
ИА
– интеллектуальные агенты
ИИ
– искусственный интеллект
ИМ
– имитационное моделирование
ИС
– информационная система
ИТ
– информационные технологии
КГ
– концептуальный граф
КМПО
– концептуальная модель предметной области
ЛПР
– лицо, принимающее решение
МАС
– мультиагентные системы
МЛВ
– машина логического вывода
МППР
– мультиагентные процессы преобразования ресурсов
ООП
– объектно‑ориентированный подход
ОТС
– организационно‑технические системы
ПИ
– пользовательский интерфейс
ПО
– программное обеспечение
ППР
– поддержка принятия решения
РБП
– реинжиниринг бизнес‑процессов
СДМС
– система динамического моделирования ситуаций
СМО
– системы массового обслуживания
СППР
– система поддержки принятия решений
СУБД
– система управления базами данных
ТЗ
– техническое задание
ФК
– фрейм‑концепт
ЭС
– экспертная система

Предисловие
У

чебное пособие посвящено методу поддержки принятия решений в области создания информационных систем на основе мультиагентного подхода. Объектом автоматизации выступает организационно‑техническая система, которая представляет 
собой совокупность организационной структуры и находящихся в ее 
распоряжении технических средств, т. е. совместно рассматривается 
человек и информационная система. Разработка ИС является мероприятием с высокой степенью риска. Согласно исследованиям, только 22 % проектов, длящихся более двух лет, завершаются в установленный срок. Одна из причин такого явления — это искажение и потеря 
информации о разрабатываемой ИС и особенностях процесса в цепочке ее передачи пользователь — аналитик — разработчик. Техническое 
задание должно являться связующим звеном между ними. Однако оно 
недостаточно полно отражает предметную область ОТС (в части процессов согласования и принятия решений), а также не решает вопрос 
увязывания ожиданий пользователя с требованиями к ИС. Из всего ТЗ 
пользователю понятен раздел, описывающий функции системы, с ИС 
пользователь отождествляет визуальный пользовательский интерфейс.
Успешность разработки ИС во многом определяется проработанностью методологического подхода, используемого в процессе проектирования. При этом следует отметить следующие моменты. Во‑первых, 
существующие методики и инструментальные средства не дают единой 
модели информационной системы как с точки зрения разработчика, 
так и пользователя — предметного специалиста. Во‑вторых, для ОТС 
характерны процессы принятия решений, которые предполагают работу со знаниями, формализуются сценариями и в ряде случаев предполагают согласование решений. Существующие методики не позволяют в комплексе решать вопросы формализации и информатизации 
процессов принятия решений. В‑третьих, для анализа, совершенство

вания и реинжиниринга бизнес‑процессов в ОТС используются сред‑
ства имитационного и мультиагентного моделирования. Однако применение данных средств на этапах автоматизации и информатизации 
до сих пор ограничено в силу двух причин: во‑первых, затраты на разработку имитационной модели; во‑вторых, отсутствие возможностей 
использовать полученные результаты и знания на этапах автоматизации. Эффект от информатизации будет намного выше, если решать 
задачу автоматизации совместно с задачей совершенствования БП.
Большой вклад в рассматриваемую тему внесли работы следующих исследователей: К. А. Аксенова, Д. В. Александрова, Б. Боэма, 
Г. Буча, А. М. Вендрова, К. Гейна, С. Л. Гольдштейна, В. И. Городецкого, Г. Н. Калянова, О. В. Карсаева, Б. И. Клебанова, М. Минского, Е. Г. Ойхмана, Э. В. Попова, Дж. Рамбо, У. Ройса, Т. Сарсона, П. О. Скобелева, А. Ю. Филипповича, М. Хаммера, Дж. Чампи, 
А. Н. Швецова, N. R. Jennings, M. J. Wooldridge.
В настоящее время существуют различные подходы к разработке. 
Структурный подход (IDEF0, DFD) позволяет описать разрабатываемую систему в виде иерархии взаимосвязанных функций. Такое 
представление понятно аналитику и пользователю. Для анализа узких мест и динамических характеристик используется имитационное 
моделирование. При описании модели разрабатываемой системы, c 
точки зрения разработчика, применяют объектно‑ориентированный 
подход (язык UML). Экспертные системы закрывают вопросы, связанные с описанием знаний и сценариев принятия решений. Использование мультиагентных систем позволяет автоматизировать процессы согласования решений и взаимодействие лиц, принимающих 
решения. Функции ЛПР выполняют программные агенты. Каждый 
из них в отдельности не закрывает всех вопросов, возникающих при 
автоматизации процессов ОТС. В связи с этим актуальным является 
анализ существующих динамических моделей процессов ОТС и моделей архитектуры информационных систем, а также создание на их 
основе метода ППР, совмещающего в себе эти подходы, и программного обеспечения для его реализации — системы поддержки принятия решений.
Идея учебного пособия заключается в интеграции методов и инструментальных средств ситуационного, мультиагентного, имитационного и экспертного моделирования с целью повысить эффективность 
принятия решений при ситуационном управлении преобразованием 
ресурсов.

Структура предлагаемого материала выглядит следующим образом.
Пособие состоит из трех глав, заключения и списка литературы.
В пособии обоснована необходимость автоматизации процесса принятия решений, приведен обзор методов моделирования мультиагентных процессов преобразования ресурсов, рассмотрены системы, близкие по функциональности к системам динамического моделирования 
ситуаций, и выполнен их сравнительный анализ, определены требования к СППР при разработке ИС. Излагаются принципы построения метода и СППР при разработке ИС, приведено описание данной 
системы, а также описаны принципы работы с ней.
Авторы благодарны Е. Ф. Смолий за оказанную неоценимую помощь при разработке и отладке СППР семейства BPsim. За предоставленную экспериментальную базу благодарим ООО «НПП “Системы 
автоматизации поддержки бизнеса”».
Авторы также благодарят всех аспирантов и студентов Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, принявших участие в отладке метода и сбора данных для эксперимента.

1. Процесс системного анализа  
при разработке информационных систем

1.1. Этапы системного анализа  
при разработке информационных систем
О

сновная проблема, возникающая при разработке информационной системы — это сложность понимания сразу всей 
системы в целом. Для решения этой проблемы целесообразно применять системный анализ. Такой подход позволяет получить 
целостное представление об объекте автоматизации и разрабатываемой ИС. Проведение системного анализа объекта автоматизации 
при разработке информационных систем можно разделить на следующие этапы:
ü определение и назначение объекта автоматизации;
ü определение целей разрабатываемой системы;
ü анализ состояния внутренней и внешней среды автоматизируемого объекта и прогноз их изменений;
ü построение и анализ моделей автоматизируемых процессов;
ü разработка новых моделей автоматизируемых процессов с учетом проблем, диагностированных на предыдущем этапе;
ü разработка модели ИС;
ü разработка и внедрение полученной системы.
Разработка ИС идет в тесном сотрудничестве пользователей, аналитиков и разработчиков. Первые являются специалистами в предметной области. Вторые получают знания от первых и формулируют требования к разрабатываемой ИС. Разработчики реализуют полученные 
требования в виде готового продукта.
Далее рассмотрим некоторые этапы подробнее.

1.1.1. Организационно-технические системы

Под объектом автоматизации в работе рассматриваются организационно‑технические системы, которые представляют собой совокупность организационной структуры и находящихся в ее распоряжении 
технических средств, т. е. совместно рассматривается человек и информационная система. Современные исследователи выделяют следующие особенности ОТС: многопараметричность, иерархичность, вероятностное поведение, сложность структуры и алгоритмов поведения.
Процессы, протекающие в ОТС, можно разделить на три группы:
ü производственные и бизнес‑процессы — процессы, связанные 
с основной деятельностью предприятия;
ü процессы согласования;
ü процессы принятия решений.
При автоматизации производственных и БП предприятия аналитики, 
опрашивая пользователей, получают информацию о структуре и функциях ОТС, строят модель БП и при необходимости дорабатывают ее. 
Таким образом, знания пользователя, обработанные аналитиком, преобразуются в техническое задание на разрабатываемую систему.
Для автоматизации процессов согласования лучше всего подходят 
мультиагентные системы.
Процессы принятия решений имеют свои особенности [9]. Прежде 
всего, данные задачи сложно описать алгоритмически. Решения принимаются по определенным сценариям, для описания которых целесообразно использовать базы знаний и технологии экспертных систем. 
При автоматизации деятельности лица, принимающего решение, возможно использование программных интеллектуальных агентов. Следовательно, для таких процессов ИС должна включать систему поддержки принятия решений, которая поможет ЛПР на основе имеющейся 
информации правильно определить проблему и выбрать оптимальное 
решение. Следует отметить, что не все алгоритмы и сценарии поведения поддаются полной формализации. В некоторых случаях требуется непосредственное участие ЛПР.
На рис. 1.1 показаны особенности автоматизации ОТС.
Автоматизация каждой группы процессов, протекающих в ОТС, 
имеет свои особенности. Существующие подходы к разработке, каждый в отдельности, не закрывают всех вопросов, возникающих при 
этом. Следовательно, целесообразно совмещать эти методы при разработке информационных систем.

Сообщения

Принятие 
решений

Процессы 
согласования

Бизнеспроцессы

Экспертные системы/
интеллектуальные 
агенты

Машина логического 
вывода /модель 
поведения

Рабочая 
память
БЗ/БД

Операция1
Операция n

Общая база 
знаний

Мультиагентные 
системы

...

WorkFlow системы

Агент 2
Агент 1

Рис. 1.1. Особенности автоматизации ОТС

1.1.2. Моделирование автоматизируемых процессов

Замещение одного объекта другим в целях получения информации 
о важнейших свойствах объекта‑оригинала с помощью объекта‑модели называется в учебниках моделированием. Для одной и той же системы можно построить несколько моделей, каждая из которых определяет конкретный аспект системы. При этом используются разные 
наборы диаграмм и документов.
Успешное решение задачи разработки информационной системы 
невозможно без четкого представления бизнес‑процессов, протекающих на автоматизируемом предприятии. Поэтому, прежде всего, 
необходимо построить бизнес‑модель, отражающую автоматизируемые процессы и необходимые для них ресурсы.
В процессе анализа предметной области при разработке информационной системы строятся модели деятельности предприятия. Они 
могут быть двух видов:

ü модели «AS‑IS» («Как есть»), которые отражают существующие 
бизнес‑процессы предприятия;
ü модели «AS‑TO‑BE» («Как будет»), которые показывают представления о новых процессах и технологиях работы предприятия.
Переход от модели «AS‑IS» к модели «AS‑TO‑BE» происходит благодаря реинжинирингу (см. параграф 1.1.3). Далее на основе моделей 
«AS‑TO‑BE» строятся модели разрабатываемой ИС. Наличие моделей 
информационной системы также положительно сказывается на документировании проекта, поскольку принимаемые проектные решения 
становятся более наглядными. Состав моделей, используемых в каждом конкретном проекте, и степень их детализации зависят от следующих факторов [12]:
ü сложность разрабатываемой системы;
ü необходимая полнота ее описания;
ü знания и навыки участников проекта;
ü время, отведенное на разработку.
Поскольку проектирование и моделирование тесно связаны друг 
с другом, то при моделировании бизнес‑процессов предприятия 
и структуры программного обеспечения также используют структурные и объектно‑ориентированные методы.

1.1.2.1. Структурные методы анализа

Структурным анализом называется метод исследования системы, 
начинающийся с ее общего обзора, который затем детализируется, 
приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней [12]. Его основные характеристики:
ü разбиение системы на уровни абстракции с ограничением числа 
элементов на каждом уровне;
ü ограниченный контекст, включающий лишь существенные 
на каждом уровне детали;
ü использование строгих формальных правил записи;
ü последовательное приближение к конечному результату.
В структурном анализе и проектировании используют различные 
модели. Наиболее распространенными являются:
ü функциональная модель SADT (IDEF0), которая описывает 
функциональную структуру системы;
ü модель IDEF3, описывающая процессы, в которых важно понять 
последовательность выполнения действий и взаимозависимости