Теоретические основы информационных систем

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н. Н. Дацун

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 

ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Допущено методическим советом

Пермского государственного национального
исследовательского университета в качестве

учебно-методического пособия для студентов, обучающихся

по направлению подготовки магистров

«Прикладная математика и информатика»

Пермь 2019

УДК 519.7:004
ББК 32.817

Д215

Д215

Дацун Н. Н.

Теоретические основы информационных систем [Электронный 
ресурс]: учеб.-метод. пособие / Н. Н. Дацун; Перм. гос. нац. исслед. 
ун-т. – Электрон. дан. – Пермь, 2019. – 3,83 Мб; 100 с. – Режим 
доступа: 
http://www.psu.ru/files/docs/science/books/uchebnie
posobiya/dacun-teor-osnovy-info-sistem.pdf. – Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7944-3353-1

Учебно-методическое
пособие содержит материалы, которые помогут 

обобщить знания и навыки разработки и применения теоретического аппарата 
для решения задач, возникающих на различных этапах жизненного цикла 
информационных
систем различного назначения, подготовить студентов к

оформлению ВКР. Комплекс практических занятий и самостоятельной работы 
студентов выполняется по тематике исследований в предметной области ВКР 
студентов. Для каждого практического занятия приведены цель, общие 
методические указания, сроки выполнения и общая оценка, содержание отчета.

Издание предназначено для студентов магистратуры очной формы обучения 

направления подготовки «Прикладная математика и информатика».

Учебное 
пособие 
будет 
полезно 
студентам 
других 
IT-направлений 

и специальностей.

УДК 519.7:004

ББК 32.817

Издается по решению ученого совета 

механико-математического факультета

Пермского государственного национального исследовательского университета

Рецензенты: д-р техн. наук, профессор
кафедры автоматики и
телемеханики 

Пермского национального исследовательского политехнического 
университета С. Ф. Тюрин; 

кафедра информационных технологий в бизнесе Пермского филиала 
ФГАОУ 
ВО 
«Национальный 
исследовательский 
университет 

"Высшая 
школа 
экономики"»
(рецензенты 
–
д-р пед. наук 

Е. Г. Плотникова, канд. физ.-мат. наук Л. Н. Лядова)

ISBN 978-5-7944-3353-1

© Дацун Н. Н., 2019
© ПГНИУ, 2019

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................9
1
Теоретические основы систем и информационных систем........................10

1.1 Теория систем и системный анализ ..................................................10
1.2 Формализация понятия системы .......................................................10
1.3 Теоретико-множественный подход к определению систем...........12
1.4 Контрольные вопросы ........................................................................15

2
Теоретические основы информационных систем........................................16

2.1 Теоретико-множественный подход к определению ИС .................16
2.2 Структура информационной системы ..............................................19
2.3 Функции информационной системы.................................................21
2.4 Информационные процессы ..............................................................21
2.5 Контрольные вопросы ........................................................................22

3
Классификация ИС как элемент их анализа.................................................23

3.1 Классификация систем .......................................................................23
3.2 Классификация информационных систем........................................26
3.3 Контрольные вопросы ........................................................................35

4
Требования к информационной системе ......................................................37

4.1 Понятие «требование к системе» ......................................................37
4.2 Классификация требований ...............................................................37
4.3 Нормативные документы в области работы с требованиями ........38
4.4 Техническое задание...........................................................................39
4.5 Контрольные вопросы ........................................................................39

5
Постановка задачи...........................................................................................40

6
Систематическое картографирование литературы 
как профессиональный информационный поиск.........................................45

6.1 Систематическое картографирование литературы и его этапы.....45
6.2 Определение исследовательских вопросов......................................45
6.3 Проведение поиска публикаций........................................................45
6.4 Скрининг документов.........................................................................47
6.5 Ключевые слова с помощью аннотаций...........................................50
6.6 Извлечение данных и картографирование процесса.......................51
6.7 Автоматизация выполнения этапов SMS .........................................52
6.8 Контрольные вопросы ........................................................................54

7
Разработка функциональных требований к ИС при ООП 
к моделированию. Оценка трудоемкости разработки.................................55

7.1 Разработка требований к ИС..............................................................55
7.2 Разработка функциональных требований к ИС...............................55
7.3 Оценка трудоемкости разработки ПО на основе вариантов 
использования..............................................................................................56
7.4 Контрольные вопросы ........................................................................58

8
Моделирование функционирования ИС при структурном подходе 
к моделированию.............................................................................................59

8.1 Функциональные модели ИС.............................................................59

8.2 Контрольные вопросы ........................................................................61

9
Формальные методы оценки ПИ ...................................................................62

9.1 Количественный анализ интерфейса ................................................62
9.2 Контрольные вопросы ........................................................................64

10 Общие методические указания и требования к проведению 

практических занятий и выполнению домашних заданий .........................65

10.1 Персонификация файлов документов...............................................65
10.2 Оформление документов....................................................................65
10.3 Документирование моделей...............................................................65
10.4 Заимствование .....................................................................................65
10.5 Порядок предоставления отчетов по домашним заданиям ............65
10.6 Оценивание и самооценивание домашних заданий 
и его связь с графиком учебного процесса по дисциплине «ТО ИС» ...66

11 Практическое занятие № 1. Формализация описания и классификация И ....67
12 Практическое занятие № 2. Формализация требований к ИС....................68
13 Практическое занятие № 3. SMS: определение исследовательских 

вопросов, стратегии поиска, источников данных научных 
публикаций и ключевых слов ........................................................................69

14 Практическое занятие № 4. SMS: проведение поиска ................................70

14.1 Цель практического занятия № 4 ......................................................70
14.2 Методические указания к проведению ПЗ № 4...............................70
14.3 Пример проведения поиска документов...........................................70
14.4 Домашнее задание № 4.......................................................................77

15 Практическое занятие № 5. SMS: Скрининг документов ...............................78
16 Практическое занятие № 6. SMS: ключевые слова с помощью 

аннотаций.........................................................................................................79

17 Практическое занятие № 7. SMS: извлечение данных 

и картографирование процесса......................................................................80

18 Практическое занятие № 8. SMS: обсуждение ............................................81
19 Практическое занятие № 9. Разработка формальных моделей ИС на 

основе ООП к моделированию и оценка трудоемкости разработки ПО.......82

20 Практическое занятие № 10. Разработка формальных моделей ИС

на основе структурного подхода к моделированию....................................83

21 Практическое занятие № 11. Формальные методы оценки 

производительности пользовательского интерфейса..................................84

22 Практическое занятие № 12. Парное оценивание SMS ..............................85
23 Входной контроль по дисциплине «ТО ИС»................................................86
24 Критерии парного оценивания SMS, созданных студентами …………...87
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................91
ПРИЛОЖЕНИЕ А Пример оформления титульного листа отчета 
по домашним заданиям в соответствии с ГОСТ 7.32........................................95
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ФРАГМЕНТЫ ФАЙЛОВ ЭКСПОРТА...............................96
ПРИЛОЖЕНИЕ В ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭТАПОВ SMS
В СИСТЕМЕ BIBREADER...................................................................................97

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

В настоящем пособии применяют следующие сокращения и обозначения:

ACM
– англ. Association for Computing Machinery – Ассоциация

вычислительной техники

ACM DL
– англ. ACM Digital Library – цифровая библиотека научных 

публикаций ACM

APA
– англ. American
Psychological
Association
–
Американская 

психологическая ассоциация

API
– англ. Application Programming Interface
–
программный

интерфейс приложения

CASE
– англ. Computer-Aided Software Engineering – программные 

средства, 
поддерживающие 
процессы 
создания 
и 

сопровождения подобных систем на большинстве этапов 
жизненного цикла системы

DLT
– англ. 
Distributed 
Ledger 
Technology 
–
технология 

распределенной главной бухгалтерской книги (регистра)

DOI
– англ. Digital Object Identifier – цифровой идентификатор

объекта

DSM
– англ. Domain-Specific Modelling – предметно-ориентированное 

моделирование

DSS
– англ. Decision Support System – системы (поддержки) принятия 

решений

EF
– англ. 
Environmental 
Factor 
–
уровень 
 
квалификации  

разработчиков

GOMS
– англ. Goals, Operators, Methods, Selection Rules) – метод

измерения скорости работы ПИ

GUI
– англ. Graphical User Interface – графический пользовательский 

интерфейс

ICS
– англ. Industrial
Control
Systems
–
управляющая система, 

промышленная система управления

IDEF
– англ. ICAM Definition — методологии семейства ICAM 

(Integrated Computer-Aided Manufacturing) для решения задач 
моделирования сложных систем

IEEE
– англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers – Институт 

инженеров электротехники и электроники

IEEE 
Xplore DL

– англ. IEEE Xplore Digital Library – цифровая библиотека

научных публикаций IEEE

IP
– англ. Internet Protocol – «межсетевой протокол»

ISBN
– англ International Standart Book Number — международный 

стандартный номер книги; код, который служит для 
идентификации книг

ISSN
– англ. International Standard Serial Number – международный 

стандартный номер сериального издания, который служит для 
идентификации 
газет, 
журналов 
и 
любых 
категорий 

периодических изданий на любом носителе, как печатном, так 
и электронном.

KLM
– англ. Keystroke-Level Model – метод оценки скорости работы с 

системой на уровне интерфейса

MIS
– англ. Management
Information
System
–
информационно
управляющая система

MOOC
– англ. Massive(ly) Open Online Course – массовый открытый

онлайн курс

MSC
– англ. Message Sequence Chart – диаграмма последовательности 

сообщений, 
стандартизованная 
Международным 
союзом 

электросвязи

PCS
– англ. Process Control Systems – управляющая система, система 

управления технологическим процессом

RAD
– англ. Rapid Application Development – быстрая разработка 

приложений

RATS
– англ. Resource Allocation and Tracking System – система 

мониторинга и управления ресурсами

RUP
– англ. Rational
Unified
Process
–
методология разработки 

программного обеспечения компании Rational Software

SADT
– англ. Structured Analysis and Design – структурный анализ и 

проектирование

SD
– англ. Sequence Diagram – диаграмма последовательностей

SEO
– англ. 
Search
Engine
Optimization
–
проверка 
текста 

на соответствие требованиям поискового продвижения

SLR
– англ. 
Systematic 
Literature 
Review 
–
систематическое 

исследование литературы

SMS
– англ. 
Systematic 
Mapping 
Study 
–
систематическое 

исследование литературы с представлением результатов в 
виде карт (систематическое картографирование)

Std
– англ. Standard – стандарт

TCF
– англ. Technical Complexity Factor – техническая  сложность  

проекта

TCP
– англ. Transmission Control Protocol – протокол управления 

передачей

TCP/IP
– cтек протоколов TCP/IP – набор сетевых протоколов, на 

которых базируется Интернет

UCD
– англ. Use Case Diagram – диаграмма вариантов использования 

(прецедентов)

UCP
– англ. Use Case Points – баллы варианта использования

UML
– англ. Unified Modeling Language – унифицированный язык 

моделирования

UUCP
– англ. Unadjusted Use Case Points – нескорректированные баллы

прецедента

WoS
– англ. Web
of
Science
–
поисковая интернет-платформа 

с функцией наукометрической БД

АИС
– автоматизированная информационная система

англ.
– английский

АС
– автоматизированная система

АСНИ
– автоматизированная система научных исследований

АСУ
– автоматизированная система управления

АРМ
– автоматизированное рабочее место

БД
– база данных

БО
– библиографическое описание 

ВКР
– выпускная квалификационная работа магистра

г.
– год

гг.
– годы

ГОСТ
– Межгосударственный стандарт Содружества Независимых 

Государств

ДЗ
– домашнее задание

долл
– доллар американский

др.
– другие

ЕТИС
– единая телеинформационная система ПГНИУ

ЕЯ
– естественный язык

ЖЦ
– жизненный цикл

ИВ
– исследовательский вопрос

ИВС
– информационно-вычислительная система

ИнС
– интеллектуальная информационная система

ИП
– исходные публикации

ИПр
– информационные процессы

ИПС
– информационно-поисковая система

ИС
– информационная система

ИСС
– информационно-справочная система

ИТ
– информационная технология

ИУС
– информационно-управляющая система (англ. MIS)

КТ
– контрольная точка

ЛПР
– лицо, принимающее решение

ЛР
– лабораторная работа

мес.
– месяц

млн
– миллион

НИР
– научно-исследовательская работа

ООП
– объектно-ориентированный подход

ПГНИУ
– Пермский государственный национальный исследовательский 

университет

ПЗ
– практическое занятие

ПИ
– пользовательский интерфейс

ПК
– персональный компьютер

ПО
– программное обеспечение

ПП
– первичные публикации

ППП
– пакет прикладных программ

пр.
– прочее

ПрО
– предметная область

РП
– релевантные публикации

САД
– система автоматизации делопроизводства 

СМУР
– система мониторинга и управления ресурсами

СОД
– система обработки данных

СОЗ
– системы, основанные на знаниях

СППР
– системы поддержки принятия решений 

СУБД
– система управления базами данных

СУБИ
– система управления библиографической информацией

СУД
– система управления доступом (англ. Access Control System)

СУП
– система управления производством (англ. Manufacturing

System)

т.е.
– то есть

ТЗ
– техническое задание

ТО ИС
– теоретические основы информационных систем

УП
– уникальные публикации

УС
– управляющая система (англ. PCS или ICS)

СЭОД
– система электронной обработки данных

ФГБОУ 
ВО

– федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования

ФИО
– фамилия и инициалы

s
– электронно-вычислительная машина

ЭНБ
– электронная научная библиотека

ЭС
– экспертная система

ЯП
– язык программирования

ВЫПИСКИ ИЗ УЧЕБНЫХ ПЛАНОВ

Наименование

Кол-во семестров

Лекции

Практические

Самостоятельная работа

Лабораторные работы

Кредиты

Форма отчетности, 

триместр

01.04.02 Прикладная математика и 
информатика

1
28
24
72
0
3
Экзамен,

1

01.04.02 Прикладная математика и 
информатика

1
28
24
72
0
3
Экзамен,

4

ВВЕДЕНИЕ

Изучение дисциплины «Теоретические основы информационных систем» 

предусмотрено в базовой части учебных планов направления подготовки 
01.04.02 Прикладная математика и информатика (магистратура).

Учебное пособие содержит материалы, которые помогут обобщить знания и 

навыки разработки и применения математического аппарата для решения задач, 
возникающих при проектировании и разработке информационных систем 
различного назначения, подготовить студентов к оформлению ВКР.

Комплекс практических занятий и самостоятельной работы студентов по 

этой дисциплине направлен на формирование умений:

– разрабатывать формальные модели ИС и программных систем;
–
анализировать новые научные результаты, научную литературу 

или научно-исследовательские 
проекты, 
связанные 
с 
разработкой 

теоретических 
основ 
и 
технологий 
создания 
адаптируемых 

информационных систем различного назначения;
– составлять научные обзоры по тематике исследований в предметной 
области ВКР.
В пособии представлены:
–
формализация 
описания 
систем 
и 
информационных 
систем 

и их классификации,
– основы требований к ИС и формализация требований в виде постановки 
задачи,
–
методология 
систематического 
картографирования 
литературы 

как профессионального 
информационного 
поиска 
по 
тематике 

исследований в предметной области ВКР,
–
разработка 
формальных 
моделей 
ИС 
на 
основе 
объектно
ориентированного и структурного подхода к их моделированию,
– формальные методы оценки трудоемкости разработки ПО на основе 
вариантов использования,
– формальные методы оценки производительности пользовательского 
интерфейса,
– методические указания, требования, оценивание, форма отчетности 
и задания по выполнению самостоятельной работы студентов,
– справочный аппарат для выполнения парного оценивания SMS.
Целью комплекса практических занятий является SMS по тематике 

исследований в предметной области ВКР. Результат SMS оформляется в виде 
презентации, которая проходит процедуру парного оценивания и публичной 
защиты с ответами на замечания оценщиков работ.

Пособие содержит список печатных и электронных источников.
В приложениях представлены образцы документов, необходимых 

для выполнения и оформления домашних заданий.

Текст 
методического 
пособия 
подготовлен 
в 
соответствии 

с ГОСТ 7.32 [1] и ГОСТ Р 7.0.5 [2].

1
Теоретические основы систем и информационных систем

1.1
Теория систем и системный анализ

Теория систем – это научная дисциплина, которая изучает различные 

явления, отвлекаясь от их конкретной природы, и основывается лишь 
на формальных 
взаимосвязях 
различных
составляющих
их
факторов

и на характере их изменений под влиянием внешних условий. Для нее объектом 
исследования является «система», т.е. только формальная взаимосвязь 
наблюдаемых признаков и свойств.

Роль теории систем в системном анализе трудно переоценить. 

Принципиальные схемы обычно строят по словесному описанию задачи 
(например, в виде диаграмм IDEF0 [3]), чтобы выявить основные подсистемы и 
установить их взаимосвязи. Поэтому они используются для выявления общей 
структуры системы, упрощения работы по дальнейшей структуризации и 
построению аналитических моделей. Обладая простотой, принципиальные 
схемы не являются строгими. Модели общей теории систем имеют строгое 
математическое описание при сохранении простоты. Таким образом, эти 
модели играют роль промежуточного звена между описанием системы и 
математической или машинной моделью. Это представление предложено
в работе [4], раздел 1 (рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 – Место модели общей теории систем

1.2
Формализация понятия системы

Определение 1.1 [4]. Системой называется отношение на непустых 

множествах 

S ⊂ × { Vi: i ∈ I} ,
(1.1)

где × – символ декартова произведения; I – множество индексов. Все 
компоненты Vi: i ∈ I называются объектами системы. Если множество I
конечно, то (1.1) получает вид 

S ⊂ V1 × V2 × … × Vn .
(1.2)

Определение 1.2 [4]. Пусть Ix ⊂ I и Iy ⊂ I образуют разбиение множества I

(Ix
Iy =
и Ix
Iy = I). Множество X = × {Vi: i ∈ Ix} называют входным 

объектом, а множество Y = × {Vi: i ∈ Iy} – выходным объектом системы. Тогда 
система S определяется отношением 

S ⊂ X × Y .
(1.3)

Такую систему еще называют системой «вход – выход» (или «черный ящик»).

Чтобы на основании (1.3) построить некоторую теорию, необходимо 

наделить систему как отношение некоторой дополнительной структурой. Это 
можно сделать двумя способами [4]:

1) ввести дополнительную структуру для элементов объектов системы 
(рассматривать 
сам 
элемент 
vi ∈ Vi
как 
некоторое 
множество 

с подходящей структурой),
2) ввести структуру непосредственно для самих объектов системы 
Vi, i ∈ I.
Первый путь приводит к понятию временны́ х систем, а второй –

к понятию алгебраической системы.

Временны́ е системы [4]. Если элементы одного из объектов системы есть 

функции, например v: Tv → Av, то объект называют функциональным. Интерес 
представляет случай, когда области определения функции и области значений 
всех функций для данного объекта V одинаковы (каждая функция v ∈ V
является отображением T в A, v: T → A). В этом случае T называется 
индексирующим множеством для V, а A – алфавитом объекта V. (мощность 
множества A не ограничивается). 

Если при этом индексирующее множество линейно упорядочено, то его 

называют 
множеством 
моментов 
времени.
Функции, 
определенные 

на подобных множествах моментов времени, называют функциями времени. 
Объект, элементами которого являются временны́ е функции, называют 
временны́ м объектом; системы, определенные на временны́ х объектах, –
временны́ ми системами.

Алгебраические 
системы
[4]. 
Алгебраический 
подход 
состоит

в определении на V одной или нескольких операций, относительно которых V
становится алгеброй. В простейшем случае определяется бинарная операция 
R: V × V → V и предполагается, что в V можно выделить такое подмножество W, 
что любой элемент v ∈ V можно получить в результате применения операции R к 
элементам из W или к элементам, уже построенным из элементов множества W
подобным образом. В этом случае W называют множеством производящих 
элементов, или алфавитом объекта, его элементы – символами, а элементы объекта 
V – словами. Если R есть операция сочленения, то слова – это просто 
последовательности элементов алфавита W. Для объектов с конечными алфавитами 
алфавит временнóго объекта и алфавит алгебраического объекта – это обычно одни 
и те же множества. Для объектов с бесконечными алфавитами множество 
производящих элементов и область значений функций времени оказываются 
различными множествами (даже разной мощности).

В общем случае алгебраический объект порождается целым семейством 

операций: объект V задается некоторым множеством операций 
= {R1, … Rn} и 

правилом, согласно которому V содержит все примитивные элементы, W ⊂ V и 
все элементы, которые могут быть порождены из примитивных в результате 
многократного применения операций из .

Оба вышерассмотренных подхода в основном эквивалентны. Подход, 

связанный с изучением временны́ х систем, имеет более содержательную 
интуитивную интерпретацию (явлений, связанных с эволюцией во времени 
и переходами состояний). Но алгебраические структуры используются как для 
общих систем, так и для общих временны́ х систем.

Определение 1.3 [4]. Если S является функцией 

S: X → Y ,
(1.4)

то соответствующая система будет называться функциональной.

Определение 1.4 [4]. Для системы S пусть C – произвольное множество, а 

функция R: (C × X) → Y такова, что

(x, y)
S
(
с) [R(c, x) = y] .

Тогда C называется множеством или объектом глобальных состояний

системы, его элементы – глобальными состояниями системы, функция R –
глобальной реакцией системы S (скобки в выражении R: (C × X) → Y означают, 
что функция R является частичной).

В 
математике 
системой 
называют 
также 
определенного 
типа 

математическую модель, отражающую состояния или процессы в исследуемой 
реальной 
системе. 
Например, 
при 
исследовании динамики 
линейных 

стационарных 
обыкновенных 
динамических 
систем 
с 
дискретным 

относительным временем t системой называют 

S
<A, B, C, D> .
(1.5)

Математическая модель имеет вид системы векторно-матричных 

уравнений:

{

z(t+1)=A z(t)+B x(t)
(1.6)
y(t)= C z(t)+D x(t) ,

где x – вход; z – выход; y – выход; A, B, C, D – матрицы; x∈Rm, z∈Rn, y∈Rr, A, B, C, D
имеют соответствующие этим векторным величинам размерности [5].

1.3
Теоретико-множественный подход к определению систем

Определение 1.5 учитывает все основные компоненты, рассматриваемые 

в автоматике [6]: 

S
<Х, Y, Z, H, O>,
(1.7)

где Х – входы; Y – выходы; Z – состояния; H – оператор переходов; O – оператор 
выходов.