Общая характеристика методов IDEF

Методы IDEF (Integrated DEFinition), как отмечено в историческом введении, изначально были разработаны в рамках реализации программы интегрированной компьютерной поддержки производства ICAM в США в середине 70-х годов с целью улучшения взаимодействия специалистов, занимающихся интеграцией существующих производственных и организационных систем. В основу была положена технология структурированного анализа и проектирования SADT (Structured Analysis and Design Technique), разработанная в начале 70-х годов фирмой SoftTech. Они направлены на различные методы описания и анализа процессов, потоков, структур промышленных и организационных систем с целью улучшения их характеристик. Методы взаимодополняют друг друга, обеспечивая возможность многоаспектного анализа систем. На их основе разработаны федеральные стандарты США (FIPS), их методологические основы используются при разработке новых стандартов CALS.

Кратко охарактеризуем основные методы IDEF.

IDEF0 - метод функционального моделирования; был разработан для описания функций различных систем путем создания наглядной графической модели. Функциональные модели строятся методом декомпозиции от главной (контекстной) функции к более мелким простым с учетом их взаимной связи. Цель моделирования и степень детализации модели определяется разработчиком. Элементы модели каждого уровня представляют собой действия по переработке информационных или материальных ресурсов при определенных условиях (ограничениях, управляющих воздействиях) с использованием определенных механизмов. Как правило, моделирование средствами IDEF0 является начальным этапом изучения любой системы. Модели используются для детального функционального анализа с целью улучшения структуры функций объекта (реинжиниринга). На методе IDEF0 базируется функционально-стоимостной анализ - ФСА (АВС – Activity Based Costing). Стандарт IDEF0 выпущен в 1981г., последняя его версия – в 1993 г. (FIPS 183).

IDEF1- метод моделирования информационных потоков внутри системы, позволяющий отображать структуру системы, то есть ее элементы (сущности), их свойства (атрибуты) и взаимосвязи (отношения) между ними. Полученная в процессе моделирования детальная информация позволяет выявить «узкие места» в анализируемом объекте и является основой для принятия решений об улучшении структуры системы и информационных потоков, осуществления правильной политики управления информацией.

IDEF1X- метод моделирования данных и проектирования реляционных баз данных. Он, так же как и IDEF1, относится к типу методологий «сущность-взаимосвязь» (ER- Entity-Relationship), однако сущности здесь понимаются не как реальные объекты, а как их типы, обладающие общими свойствами. Связи между сущностями более сложны. Это позволяет хранить информацию в форме абстрактной схемы (семантической модели), которая связывает хранящиеся в компьютере символы с реальным миром и является верным его отражением. Подобный способ хранения информации является относительно независимым, «нейтральным» и позволяет получить ответ на различные запросы пользователя о свойствах описанной в модели среды. Стандарт IDEF1Х выпущен в 1993 году (FIPS 184).

IDEF2- метод динамического моделирования систем. В связи с весьма серьезными сложностями анализа динамических систем развитие этого стандарта происходит медленно. Однако в настоящее время существуют алгоритмы и их компьютерные реализации, позволяющие превратить набор статических диаграмм IDEF0 в динамические модели, построенные на базе «раскрашенных сетей Петри» (CPN - Color Petri Nets), т.е. отслеживать изменение состояние систем с помощью фиксации ряда дискретных квазистационарных состояний. Подобный подход широко используется при динамическом моделировании технических систем, описываемых дифференциальными уравнениями различного типа.

IDEF3 -метод получения описания функционирования системы и моделирования как причинно-следственных связей внутри одного бизнес-процесса, так и между различными процессами. Он предоставляет пользователю два типа диаграмм: описания процесса PFD (Process Flow Description) – «внутреннее описание» и описания переходов из одного состояния в другое OSTD (Object State Transition Description) – «внешнее описание», когда дополнительно рассматривается вход и выход объекта. Эти два способа моделирования дополняют друг друга и позволяют описать любой процесс функционирования системы.

IDEF4 – метод объектно-ориентированного проектирования. Средства метода позволяют наглядно отображать структуру объектов и принципы их взаимодействия, позволяя анализировать и оптимизировать и создавать сложные системы. В отличие от других методов, кроме констатации взаимодействия, здесь учитывается его принцип (в частности, физический). Поэтому он, как и IDEF1Х, является методом проектирования.

IDEF5 - метод получения онтологического описания и исследования сложных систем. Основной чертой онтологического анализа является разделение реального мира на классы, определение совокупности их фундаментальных свойств и прогнозирование на этой основе поведения объектов данного класса. Этометод сбора фактов и получения знаний. Типичный пример онтологического исследования – научное. С помощью данного метода онтология системы может быть описана при помощи определенного словаря терминов и правил, на основании которых могут быть сформированы достоверные суждения о состоянии рассматриваемой системы в некоторый момент времени. На основании этих утверждений формируются выводы о дальнейшем развитии системы, проводится возможная ее реорганизация, что полезно при управлении сложными системами, имеющими искусственный характер. На основе онтологического описания строятся системы получения новых знаний – экспертные системы.Исследователь имеет возможность строить разнообразные схемы и диаграммы с помощью языка схем (Schematic Language-SL), комментировать их с помощью языка уточнений (Elaboration Language-EL). Не исключено, что методологические основы IDEF5 в дальнейшем будут использованы для анализа сложных CALS-моделей (например, так называемых виртуальных моделей предприятий) для формирования возможных вариантов бизнес-стратегии.

В CALS-технологиях наибольшее применение нашли методы IDEF0 и IDEF1Х.

Метод IDEF0 является стандартом CALS, однако он не обеспечивает прямой интеграции функциональных моделей с моделями продукции. Для этого разрабатывается один из прикладных протоколов стандарта STEP – ISO 10303 AP208, который базируется на методологии IDEF0.

Метод IDEF1Х по своей идеологии близок к языку EXPRESS стандарта ISO 10303 STEP, предназначенного для описания продукции в нейтральном формате (в форме EXPRESS-схем, характерных для реляционных баз данных).

Поэтому методы IDEF0 и IDEF1Х рассмотрим более детально.

Метод IDEF0

Графический язык IDEF0 прост и гармоничен. В основе метода лежат 4 основных понятия.

Первым из них является понятие функционального блока (Activity Box). Функциональный блок изображается в виде прямоугольника (см. рис.4) и олицетворяет некоторую конкретную функцию в рамках рассматриваемой системы, которая выражается глагольной формой. Например: «Обработать заготовку», а не «Обработка заготовки».

Рис. 4. Функциональный блок<!--mstheme--><!--msthemelist-->

Каждая из сторон блока имеет определенное значение (роль):

- верхняя сторона имеет значение «Управление» (Control);

- левая сторона имеет значение «Вход» (Input);

- правая сторона имеет значение «Выход» (Output);

- нижняя сторона имеет значение «Механизм» (Mechanism).

Каждый блок должен иметь уникальный идентификационный номер.

Вторым понятием метода является понятие интерфейсной дуги (Arrow). Графическим отображением интерфейсной дуги является однонаправленная стрелка (поэтому дуги часто называют стрелками, потоками). Каждая интерфейсная дуга должна иметь свое уникальное наименование (Arrow Label), которое должно быть оборотом существительного. С помощью интерфейсных дуг отображают различные объекты, в той или иной степени определяющие процессы, происходящие в системе. Это могут быть элементы реального мира (люди, изделия, детали и др.), потоки данных и информации (документы, инструкции и др.). «Источником» (началом) и «приемником» (концом) каждой функциональной дуги могут быть только блоки, причем «источником» может быть только выходная сторона блока, а «приемником» – любые из трех оставшихся. Функциональный блок должен обязательно иметь управляющую и исходящую интерфейсную дугу, поскольку каждый процесс должен происходить по каким –то правилам и давать некоторый результат (иначе его рассмотрение не имеет смысла).

При построении IDEF-диаграмм важно отделять входящие дуги от управляющих. Например, в реальном процессе рабочий получает заготовку и технологические указания по ее обработке. Ошибочно может показаться, что и заготовка, и указания – входящие объекты. На самом деле технологические указания (нормативы, правила техники безопасности) должны изображаться управляющей дугой, поскольку они регламентируют процесс. Другое дело, когда технологические указания редактируются технологом. Тогда они изображаются входящей дугой, а управляющей дугой могут быть новые стандарты.

В случае рассмотрения деятельности предприятий существует 5 основных видов объектов: материальные потоки (детали, товары), финансовые потоки (наличные, безналичные), потоки документов (коммерческие, организационные), потоки информации (данные о намерениях, распоряжения), ресурсы (сотрудники, станки, машины). При этом входящими и исходящими дугами могут отображаться все виды объектов, управляющими – только потоки документов и информации, а дугами-механизмами – только ресурсы.

Третьим основным понятием метода является декомпозиция (Decomposition), то есть разбиение сложной функции на ее составляющие. Декомпозиция позволяет представить модель в виде иерархической системы диаграмм, что делает ее менее перегруженной и легко усваиваемой.

Процесс моделирования начинается с представления системы как единого целого – одного функционального блока с интерфейсными дугами. Эта диаграмма называется контекстной и обозначается идентификатором «А0». В пояснительном тексте к контекстной диаграмме в краткой форме должна быть указана цель (Purpose) и зафиксирована точка зрения (Viewpoint). Цель определяет области в анализируемой системе, на которых необходимо фокусироваться в первую очередь. Точка зрения определяет основное направление развития модели и уровень необходимой детализации. Она позволяет отказаться от несущественных свойств в данном аспекте рассмотрения. Например, функциональные модели предприятия с точки зрения главного технолога и финансового директора будут различаться, поскольку финансового директора интересуют финансовые потоки, а главного технолога – аспекты переработки сырья.

В процессе декомпозиции функциональный блок в контекстной диаграмме подвергается детализации на другой диаграмме – дочерней. На ней фиксируются все функциональные дуги родительской диаграммы, за счет этого достигается структурная целостность модели. Связана также нумерация блоков и диаграмм: каждый блок имеет свой уникальный номер - цифра в правом нижнем углу, а обозначение под правым углом указывает на номер дочерней для этого блока диаграммы (см. рис. 5, 6).

Следует отметить, что рис.6 выполнен с использованием специализированного программного средства – CASE-средства Design/IDEF для построения диаграмм в соответствии с методами IDEF0 и IDEF1X. Design/IDEF автоматически контролирует основные правила построения диаграмм, автоматически выполняет оцифровку блоков, переносит интерфейсные дуги с родительской диаграммы, вписывает в соответствующие поля необходимую информацию (например, в нижней части диаграммы указано имя родительской функции и номер родительской диаграммы).

Часто бывают случаи, когда отдельные дуги не имеет смысла продолжать рассматривать на дочерних диаграммах, или наоборот, отдельные дуги не имеют практического смысла выше какого-то уровня. Это будет усложнять диаграммы. Для этого вводится понятие туннелирования. Обозначение «туннеля» (Arrow Tunnel) в виде двух круглых скобок вокруг начала дуги обозначает, что она была не унаследована, а появилась из «туннеля» на данной диаграмме. Если скобки стоят у конца дуги, то это означает, что дуга не будет наследоваться. Бывает, что некоторые дуги сначала «погружаются» в туннель, а потом «возвращаются» из туннеля.

Рис. 5. Декомпозиция диаграмм при функциональном моделировании

Рис.6. Функциональная диаграмма создания и модификации проекта изделия (второй уровень)

Четвертым из основных понятий метода является глоссарий (Glossary). Для каждого из элементов IDEF0 (диаграмм, функциональных блоков, интерфейсных дуг) создаются и поддерживаются определения, ключевые слова, повествовательные изложения, которые характеризуют объект. Глоссарий снабжает диаграммы дополнительной информацией.

Для удобочитаемости рекомендуется ограничить количество блоков на диаграмме тремя-шестью. Верхний предел заставляет прибегать к декомпозиции, нижний гарантирует, что на диаграмме достаточно деталей, чтобы оправдать ее создание. Желательно, чтобы количество интерфейсных дуг, подходящих к стороне блока или исходящих от нее не превышало 4-х.

Метод IDEF0 предполагает групповую работу над проектом или проектами. Группа, состоящая из различных специалистов, опрашивает компетентных лиц и строит черновую модель. Эта модель обсуждается специалистами предприятия, письменно критикуется и передается группе разработчиков. Этот цикл продолжается до тех пор, пока разработчики и рецензенты не придут к одному мнению. Далее происходит официальное утверждение модели и ее использование (например, для реструктуризации функций системы).

Одно из достоинств метода IDEF0 заключается в том, что он абстрагируется от организационной структуры объекта и анализирует его функции. Это позволяет после построения модели взглянуть на организационную структуру, реализующую эти функции с точки зрения ее совершенства, выявить похожие функции или их дублирование и дать предложения по реорганизации системы.

Если использовать термин «бизнес-процесс», то можно сказать, что метод IDEF0 позволяет идентифицировать бизнес-процессы, рассмотреть функционирование предприятия «как есть» и на основе их анализа дать предложения «как должно быть», то есть по-новому взглянуть на работу предприятия, уточнить обязанности работников, оценить эффективность использования ресурсов, увидеть недостатки, искусно скрытые в обычной организационной структуре. Следовательно, выявление, анализ и внесение изменений в бизнес-процессы может быть использовано для повышения эффективности работы предприятия.

С момента введения термина «бизнес-процесс» появилось несколько методик улучшения бизнес-процессов. Наиболее популярная из них – это реинжиниринг бизнес-процессов предприятия, которая подразумевает фундаментальное переосмысление и перепроектирование бизнес-процессов предприятия. Выявление, анализ и перепроектирование этих процессов – вот содержание предлагаемой методики. Общая схема методики анализа и реинжиниринга бизнес-процессов предприятия выглядит следующим образом (см. рис. 7):

- сбор информации о предприятии;

- идентификация бизнес-процессов предприятия и создание функциональной модели бизнес-процессов предприятия;

- анализ и возможный реинжиниринг бизнес-процессов предприятия.

Для анализа распределения затрат применяется метод ABC, базирующийся на IDEF0. Метод ABC основывается на том, что выполнение каждой функции в процессе функционирования предприятия обладает определенной стоимостью, то есть вносит свой вклад в появление издержек. АВС аналогично понятию ФСА - функционально-стоимостного анализа. При помощи метода АВС рассчитываются затраты на выполнение всего процесса или отдельной функции, стоимость продукции на выходе процесса, выявляются источники основных затрат. Затраты на выполнение декомпозируемой функции определяются как сумма затрат на выполнение всех составных элементов в этой функции.

Применение метода ABC позволяет получить количественные оценки процесса, необходимые для оценки нескольких вариантов. В отличие от традиционной бухгалтерии, учитывающей в основном прямые издержки (учет косвенных издержек сложен, но в ряде случаев необходим), метод ABC позволяет учитывать различные факторы, влияющие на формирование издержек предприятия.

Для построения функциональной модели предлагается выбрать CASE-пакет Design/IDEF, так как помимо возможностей создания функциональной модели этот пакет содержит встроенный механизм АВС подсчета затрат на выполнение функций, позволяющий анализировать бизнес-процессы и их составляющие. Каждый вид ресурса, потребляемый (обрабатываемый) функцией, а также механизмы, выполняющие функцию, добавляют стоимость к этой функции, при этом учитываются элементы затрат, игнорируемые при обычном представлении предприятия как совокупности организационных структур. Следовательно, каждой функции h модели IDEF0 можно поставить в соответствие значение затрат на выполнение этой функции Ex(h). Математический аппарат АВС для решения конкретной задачи изложен в Приложении 2.

Рис. 7. Общая схема методики анализа и реинжиниринга бизнес-процессов предприятия

Совмещение методов IDEF0 и ABC позволяет решить одну из важнейших задач – анализ совершенства функций системы, возможностей ее улучшения, что не в такой мере присуще другим методам и стандартам. Подключение метода АВС позволяет провести сравнение существующей структуры (как есть) с рациональной структурой (как должно быть), поскольку одни и те же функции могут быть реализованы различными структурами (например, можно объединить подразделения, выполняющие аналогичные функции с несущественным различием или малой загрузкой).

<span style="mso-spacerun: yes"><span style="mso-spacerun: yes"><span style="mso-spacerun: yes">

3.2.3. <!--mstheme-->Метод моделирования данных IDEF1X<!--mstheme-->

Стандарт FIPS 184 на основе этого метода, выпущенный в 1993 году, не входит в перечень CALS-стандартов. Однако разработанные на его основе структуры реляционных баз данных напрямую могут быть использованы для создания информационных систем с использованием языка EXPRESS стандарта ISO 10303 (STEP)<!--msthemeseparator-->, который составляет основу CALS-технологий. Аналогия положений IDEF1X и требований языка EXPRESS станет очевидной при рассмотрении EXPRESS.

<!--mstheme-->IDEF1X - это метод для разработки реляционных баз данных. Он использует условный синтаксис для описания семантических конструкций, необходимых для построения концептуальной схемы. Концептуальная схема - это единое интегрированное определение данных предметной области, не ориентированное на какое-либо конкретное приложение и независимое от способов доступа и способов физического хранения данных.

Наиболее полезен IDEF1X как средство логического проектирования баз данных, после того как информационные требования уже выяснены и решение о разработке реляционной базы данных принято. Следовательно, системной перспективой IDEF1X являются элементы реальных данных в реляционной базе данных. Если целью разработки является не реляционная, а, например, объектно-ориентированная система, IDEF1X не является лучшим решением.

Существуют несколько причин, почему IDEF1X не совсем подходит для реализаций нереляционных систем. Например, IDEF1X требует, чтобы разработчик задавал ключи классов для отличия одной сущности от другой, в то время как объектно-ориентированные системы не требуют ключей для индивидуализации одного объекта от другого. Более того, в тех ситуациях, когда более одного атрибута или набор атрибутов будет использоваться для идентификации сущностей IDEF1X, разработчик обязан задать один ключ как первичный и список всех остальных ключей, как вторичный. Также требуется явное именование внешнего ключа.

Предполагается, что окончательный логический проект моделей IDEF1X будет использоваться программистами, которые берут схему логического проекта базы данных и реализуют этот проект (например, с использованием языка EXPRESS).

<!--mstheme-->Концепция IDEF1X несколько отличается от<!--mstheme--> IDEF1, хотя их терминология схожа. Сущность в IDEF1X ссылается на коллекцию или набор аналогичных экземпляров данных, которые могут отличаться друг от друга. Отдельные члены набора называются экземплярами сущности. Таким образом, блок в IDEF1X представляет набор экземпляров реального мира. Атрибут - это значение, ассоциированное с каждым конкретным экземпляром набора. Отношению, существующему между отдельными экземплярами этих наборов, даётся имя, которое выражено глагольной формой.

Сильной особенностью IDEF1X является его поддержка моделирования логических типов данных через использование структуры классификации. Эта конструкция является попыткой отразить модель реального мира, данные о которых представляются либо блоками, либо сущностями, попыткой промоделировать типы данных вещей. Эти отношения категоризации представляют взаимно исключающиеподмножества родовой сущности или множества. Подмножества общего надмножества не могут иметь общих экземпляров. Например, родовая сущность ОСОБА имеет два подмножества, представляющих полный набор категорий, а именно, МУЖЧИНА и ЖЕНЩИНА. Ни один экземпляр подмножества МУЖЧИНА не может быть экземпляром подмножества ЖЕНЩИНА, и наоборот. Уникальный идентификатор атрибута для каждого подмножества - это тот же атрибут, что и для экземпляра родовой сущности.

<!--mstheme-->Сущности<!--mstheme--> в IDEF1X сущности являются либо идентификационно независимыми, либо идентификационно зависимыми. Экземпляры идентификационно независимых сущностей могут существовать независимо от другого экземпляра сущности, в то время как экземпляры идентификационно зависимых сущностей являются бессмысленными (по определению) без другого ассоциированного экземпляра сущности. Зависимость и независимость являются спецификой модели.

<!--mstheme-->Отношения связности<!--mstheme--> (сплошные или пунктирные линии с кружками с одной или двух сторон) показывают, как сущности (множества экземпляров данных) относятся друг с другом. Отношения связности существуют всегда только между двумя сущностями. Отношение связности, начинающееся с независимой родовой сущности и заканчивающееся на зависимой порождённой сущности, помечается глагольной фразой, описывающей отношение. Каждое отношение связности имеет соответствующую мощность. Мощность определяет число экземпляров зависимой сущности, связанных с экземпляром независимой сущности.

<!--mstheme-->Отношения категоризации<!--mstheme--> позволяют проектировщику определить категорию общей сущности. Сущность может принадлежать только одной категории. Например, может существовать общая сущность МАШИНА, являющаяся родовой сущностью для категории, представляющей различные марки машин (ВОЛГА, ОКА, НИВА). Каждая сущность-категория должна иметь одинаковый первичный ключ с общей сущностью. Кроме того, обязаны существовать различия между сущностями-категориями. Сущности-категории различаются атрибутом – дискриминатором (описателем), который обязан иметь различные значения для каждой сущности-категории. В рассмотренном примере дискриминатор - МАРКА МАШИНЫ.

<!--mstheme-->Атрибуты<!--mstheme--> - это свойства, используемые для описания сущностей. Имена атрибутов являются уникальными для всей модели IDEF1X, значения имён должны быть согласованными. Например, атрибут «цвет» можно использовать для цвета волос, цвета кожи, цвета радуги. Каждое такое использование имеет допустимый диапазон значений, и, следовательно, сущность необходимо раздельно именовать. Каждый атрибут принадлежит только одной сущности. Например, атрибут «страховой номер» может использоваться в модели во многих местах, но должен принадлежать только одной сущности (например, ПЕРСОНА). Все другие появления атрибутов страхового номера будут наследоваться через отношения.

Каждый атрибут должен иметь значение (правило непустоты); не существует атрибутов, имеющих несколько значений (правило неповторения). Использование этих правил обеспечивает создание правильных моделей, отражающих реальный мир. В случае, когда кажется, что правило не может быть применено, вполне вероятно, что модель является ошибочной.

<!--mstheme-->Ключ<!--mstheme--> - это группа атрибутов однозначно идентифицирующих экземпляр сущности. Существуют первичные и вторичные ключи. Каждая сущность имеет только один первичный ключ, отображаемый над горизонтальной линией в блоке сущности. Сущности могут иметь переменные ключи, которые также однозначно идентифицируют сущность, но не используются при описании отношений между сущностями.

В отношении связности первичный ключ родителя мигрирует к потомку. Если отношение - это связь категоризации, то первичный ключ потомка - это ключ родителя. Если отношение - это идентифицирующее отношение, то первичный ключ потомка обязан содержать наследуемые от родителя атрибуты.

Помимо того факта, что ключ обязан однозначно идентифицировать сущность, все атрибуты ключа должны удовлетворять условию однозначной идентификации (правило наименьшего ключа). Таким образом, при определении должен ли наследуемый атрибут быть частью ключа, следует ответить на вопрос: «Необходим ли этот атрибут для однозначной идентификации?» Однозначной идентификации родителя при этом недостаточно.<!--mstheme--> <!--mstheme-->