Файл: Применение объектно-ориентированного подхода при проектирование информационной системы.pdf

2.3 Существующие объектные средства моделирования

Таким образом, любая более-менее сложная математическая или имитационная модель является удобным предметом для применения объектно-ориентированного подхода. Конечно, этот факт был давно замечен и использован в большом количестве программных средств для моделирования. Однако в большинстве таких средств объектно-ориентированным является только внешнее представление элементов модели, которое перед началом расчётов компилируется в код процедурно-ориентированного языка программирования или просто преобразуется в параметры готового кода. Например, блоки многих имитационных моделей преобразуются в переменные системы обыкновенных дифференциальных уравнений, а связи между ними – в функции её правых частей.

Такой подход, безусловно, решает часть проблем стандартных моделей, связанных с их недостаточной наглядностью и с негибкостью по отношению к изменениям структуры. В частности, в моделях появляются чётко ограниченные блоки, которые можно быстро удалять, добавлять и использовать в совершенно других моделях. Тем не менее, изменение самих блоков ввиду их процедурно-ориентированной реализации весьма затруднительно, а методы расчёта таких моделей вообще не изменяемы (не имеют объектно-ориентированного представления даже на внешнем уровне). Кроме того, трансляция модели из графически интерпретируемых объектов в параметры процедур является достаточно сложной задачей, и этот факт тормозит развитие методов математической обработки модели (для каждого нового метода необходимо также реализовывать алгоритмы трансляции, а иногда и вводить новые объекты).

Существенно меньше распространены средства моделирования, в которых не только сама структура модели является объектно-ориентированной, но и работающие с ней численные методы. В этом направлении существуют два основных подхода. Первый обычно реализуется в задачах CFD (вычислительной газо- и гидродинамики) и других разделов механики и электродинамики сплошных сред [6]. Считается, что объектная методология имеет два основных преимущества по отношению к таким задачам – приспособленность к параллельным вычислениям и к решению задач со сложной геометрией. При описании параллельных вычислений в качестве объектов рассматриваются процессоры, обменивающиеся между собой данными в ходе расчётов, а при описании геометрии – однородные области интегрирования (часто примитивной формы), взаимодействующие между собой на границах. Для реализации этих преимуществ достаточно простейшей объектной модели, даже без наследования. Как следствие, проблему изменения и расширения численных методов данная трактовка понятия объекта не решает.

С точки зрения имитационного моделирования важным преимуществом использования объектов является возможность наглядного представления структуры модели и её визуального редактирования (то есть изменения без программирования). Обычно такая возможность реализуется путём построения модели из отдельных параметров, которые можно связывать между собой с помощью разных функций. Функции и параметры являются объектами многочисленных типов (классов). В частности, функции могут быть заданы таблично или с помощью формулы, могут зависеть не только от значений параметров, но и от их производных, а также зависеть от них с запаздыванием. В наиболее развитых системах имитационного моделирования среди этих функций имеются достаточно сложные дифференциальные и дискретные операторы, что формально позволяет графически описать любую систему уравнений. К сожалению, такой системой не могут пользоваться эксперты предметной области, далёкие от математики. Например, для решения с её помощью дифференциального уравнения нужно понимать смысл преобразования Лапласа, а представление этого уравнения довольно громоздко.

Рисунок 4. Пример объектного представления параметров и функций модели (Simulink).

2.4 Объектно-ориентированная методология моделирования

Построение модели из элементов. С точки зрения объектно-ориентированного анализа, упомянутые выше области интегрирования слишком велики и сложны, чтобы их рассматривать как элементарные объекты модели, и методы этих объектов всё равно придётся организовывать в процедурно-ориентированном стиле. В частности, класс области интегрирования должен содержать, по крайней мере, несколько массивов для сеточных функций, соответствующие значения которых (элементы массивов с одинаковым индексом) связаны между собой гораздо сильнее, чем элементы одного массива. С другой стороны, отдельные параметры и функции, наоборот, слишком малы как объекты, так как для создания из них хоть сколько-нибудь сложной модели требуются тысячи и миллионы таких объектов. Напрашивается вывод, что в качестве элемента модели следует рассматривать объект промежуточного размера между областью и параметром, и этот объект ниже называется просто элементом.

Элемент должен представлять собой набор семантически связанных параметров, к которым привязаны определённые алгоритмы вычислительной математики, а точнее – те части алгоритмов, которые рассчитывают именно эти параметры. При формировании объектно-ориентированной библиотеки численных методов математику достаточно запрограммировать некоторое количество классов элементов, которые соответствуют либо типичным математическим объектам (к примеру, системе обыкновенных дифференциальных уравнений), либо типичным объектам рассматриваемой предметной области. Например, в гидромеханике или физиологии человека такими типичными объектами являются трубки (сосуды), резервуары, обменники и т.д. После того, как созданы классы элементов, из них, как из конструктора, эксперт по данной предметной области может строить разнообразные модели безо всякого программирования.

Элементы рассчитывают значения своих параметров на основе связей с другими элементами. При этом связи являются чисто декларативными, а не процедурными, благодаря чему эксперт создаёт их, не задумываясь о том, с помощью каких математических методов эти связи выражаются. Конечно, для отдельных нетипичных соотношений между параметрами элементов можно также использовать обычные функциональные связи, поскольку в силу нетипичности для них нецелесообразно программировать специальные классы элементов.

Создание типов элементов на основе наследования. На первый взгляд может показаться, что система моделирования, основанная на заранее запрограммированных классах элементов, не является такой гибкой, как существующие средства имитационного моделирования. Однако объектно-ориентированный подход позволяет обойти эту проблему за счёт наследования классов элементов. Если один класс элемента наследуется от другого, то он использует имеющиеся у того параметры и методы их расчёта, при этом добавляя какие-либо свои параметры и методы.

Например, пусть исходно был запрограммирован класс проводника, то есть элемента, который характеризуется сопротивлением и (по)током через него и предназначен для расчёта электрической цепи или, что то же самое, гидродинамической системы жёстких трубок. Если требуется учесть растяжимость трубок, достаточно унаследовать свойства и методы класса проводника, добавив к ним свойство объёма и процедуру расчёта сопротивления трубки через этот объём . Далее класс растяжимой трубки (то есть сосуда, если пользоваться терминологией предметной области – физиологии) можно использовать в качестве родительского класса для эластичных, пластичных и других сосудов, различающихся моделью растяжения.

А теперь предположим, что требуется решать не только эллиптическую задачу расчёта потоков и давлений в системе трубок, но и параболическую задачу переноса веществ или тепла в этой системе. Понятно, что методы расчёта конвективного, диффузионного и конвективно-диффузионного переноса должны существовать в специальных элементах-переносчиках независимо от элементов, связанных с моделированием механики сосудов. Чтобы использовать эти методы для задачи переноса в сосудах, достаточно создать элемент, наследующийся от сосуда и от переносчика одновременно, причём никакого нового программного кода создавать не требуется. В объектно-ориентированных языках, не поддерживающих множественное наследование, то же самое достигается путём одиночного наследования от одного класса (например, от сосуда) и агрегации экземпляра другого класса (например, переносчика).

Рисунок 5. Пример иерархии наследования классов модели (в объектной нотации Г. Буча).

Таким образом, наследование даёт возможность быстрого развития не только моделей, но и заложенных в них численных методов. При этом упростить и формализовать изменение кода программной реализации методов можно настолько, чтобы осуществлять его с помощью визуального редактора.

2.5 Пример использования: моделирование организма человека

Классы элементов обозначены на схемах символическими изображениями, соответствие с которыми определяется таблицей . Каждая схема соответствует некоторой подсистеме организма.

Следует заметить, что рисунки не являются теоретическими схемами структуры модели. Они созданы с помощью специального графического редактора расчетной программы, то есть изображенные на рисунках объекты (элементы) создаются при инициализации модели и в ходе моделирования выполняют соответствующие их классам численные алгоритмы.

Рисунок 6 Общая структура модели кровеносной системы.

Рисунок 7. Структура модели малого круга кровообращения.

Рисунок 8. Структура модели большого круга кровообращения.

Таблица 3.

Условные обозначения некоторых классов элементов модели организма человека на рисунках.

3. Технологии разработки информационных систем

Адаптируемость (способность систем приспосабливаться к изменениям среды, окружения) является одним из наиболее важных требований, предъявляемых к информационным системам (ИС) различного назначения. Адаптируемость рассматривают достаточно широко, включая в это понятие такие взаимосвязанные нефункциональные требования как способность к развитию, гибкость, расширяемость, интероперабельность, т.е. её можно рассматривать на разных уровнях, в данной системе пользователю предоставляется возможность выбрать, какое саботажное действие он хочет контролировать, и задать необходимые пороговые значения для наблюдения.

Адаптация информационных систем – это процесс их настройки на меняющиеся условия эксплуатации и потребности пользователей и бизнес-процессов как при создании новых систем, так и при сопровождении существующих. Этот итеративный процесс можно считать важнейшей частью жизненного цикла ИС. Адаптируемые системы включают средства, которые обеспечивают их настройку на новые требования и условия динамически, облегчают их сопровождение. Адаптивные системы – это системы, которые меняют свое поведение автоматически в соответствии с изменениями, происходящими в их окружении, настраиваются на изменения среды без применения каких-либо средств «ручной» настройки.