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 государствен‑
ного университета путей сообщения (завкафедрой проф., д‑р физ.‑мат. 
наук Г. А. Тимофеева);
доц., канд. техн. наук В. Ф. Ярчук (начальник программно‑технологиче‑
ского 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 си‑
стем. Основное внимание уделено построению модели информационной систе‑
мы с использованием автоматизированных средств поддержки принятия решений. 
Рассмотрены методы разработки организационно‑технических систем и представ‑
лен анализ существующих CASE‑средств. Предназначено для студентов дневной 
и дистанционной форм обучения направления 09.04.01 — Информатика и вычис‑
лительная техника (магистр), модуль «Применение аналитики и графики в инфор‑
мационных 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 ре‑
шений в области создания информационных систем на ос‑
нове мультиагентного подхода. Объектом автоматизации вы‑
ступает 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 меро‑
приятием с высокой степенью риска. Согласно исследованиям, толь‑
ко 22 % проектов, длящихся более двух лет, завершаются в установлен‑
ный срок. Одна из причин такого явления — это искажение и потеря 
информации о разрабатываемой ИС и особенностях процесса в цепоч‑
ке ее передачи пользователь — аналитик — разработчик. Техническое 
задание должно являться связующим звеном между ними. Однако оно 
недостаточно полно отражает предметную область ОТС (в части про‑
цессов 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 проработанно‑
стью методологического подхода, используемого в процессе проекти‑
рования. 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 ра‑
боту со знаниями, формализуются сценариями и в ряде случаев пред‑
полагают согласование решений. Существующие методики не позво‑
ляют 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 при‑
менение данных средств на этапах автоматизации и информатизации 
до сих пор ограничено в силу двух причин: во‑первых, затраты на раз‑
работку имитационной модели; во‑вторых, отсутствие возможностей 
использовать полученные результаты и знания на этапах автоматиза‑
ции. Эффект от информатизации будет намного выше, если решать 
задачу автоматизации совместно с задачей совершенствования БП.
Большой вклад в рассматриваемую тему внесли работы следую‑
щих исследователей: К. А. Аксенова, Д. В. Александрова, Б. Боэма, 
Г. Буча, А. М. Вендрова, К. Гейна, С. Л. Гольдштейна, В. И. Горо‑
децкого, Г. Н. Калянова, О. В. Карсаева, Б. И. Клебанова, М. Мин‑
ского, Е. Г. Ойхмана, Э. В. Попова, Дж. Рамбо, У. Ройса, Т. Сарсо‑
на, 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 разрабаты‑
ваемую систему в виде иерархии взаимосвязанных функций. Такое 
представление понятно аналитику и пользователю. Для анализа уз‑
ких 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, свя‑
занные с описанием знаний и сценариев принятия решений. Исполь‑
зование мультиагентных систем позволяет автоматизировать про‑
цессы 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 мо‑
делей архитектуры информационных систем, а также создание на их 
основе метода ППР, совмещающего в себе эти подходы, и програм‑
много обеспечения для его реализации — системы поддержки при‑
нятия решений.
Идея учебного пособия заключается в интеграции методов и ин‑
струментальных средств ситуационного, мультиагентного, имитацион‑
ного 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 при‑
нятия решений, приведен обзор методов моделирования мультиагент‑
ных процессов преобразования ресурсов, рассмотрены системы, близ‑
кие по функциональности к системам динамического моделирования 
ситуаций, и выполнен их сравнительный анализ, определены требо‑
вания к СППР при разработке ИС. Излагаются принципы построе‑
ния 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 по‑
мощь при разработке и отладке СППР семейства BPsim. За предостав‑
ленную экспериментальную базу благодарим ООО «НПП “Системы 
автоматизации поддержки бизнеса”».
Авторы также благодарят всех аспирантов и студентов Ураль‑
ского федерального университета имени первого Президента Рос‑
сии Б. Н. Ельцина, принявших участие в отладке метода и сбора дан‑
ных 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 информа‑
ционной системы — это сложность понимания сразу всей 
системы в целом. Для решения этой проблемы целесообраз‑
но применять системный анализ. Такой подход позволяет получить 
целостное представление об объекте автоматизации и разрабатыва‑
емой ИС. Проведение системного анализа объекта автоматизации 
при разработке информационных систем можно разделить на следу‑
ющие этапы:
ü определение и назначение объекта автоматизации;
ü определение целей разрабатываемой системы;
ü анализ состояния внутренней и внешней среды автоматизируе‑
мого объекта и прогноз их изменений;
ü построение и анализ моделей автоматизируемых процессов;
ü разработка новых моделей автоматизируемых процессов с уче‑
том проблем, диагностированных на предыдущем этапе;
ü разработка модели ИС;
ü разработка и внедрение полученной системы.
Разработка ИС идет в тесном сотрудничестве пользователей, анали‑
тиков и разработчиков. Первые являются специалистами в предмет‑
ной области. Вторые получают знания от первых и формулируют тре‑
бования 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 организа‑
ционно‑технические системы, которые представляют собой совокуп‑
ность организационной структуры и находящихся в ее распоряжении 
технических средств, т. е. совместно рассматривается человек и инфор‑
мационная система. Современные исследователи выделяют следую‑
щие особенности ОТС: многопараметричность, иерархичность, веро‑
ятностное 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 функ‑
циях ОТС, строят модель БП и при необходимости дорабатывают ее. 
Таким образом, знания пользователя, обработанные аналитиком, пре‑
образуются 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 при‑
нимаются по определенным сценариям, для описания которых целе‑
сообразно использовать базы знаний и технологии экспертных систем. 
При автоматизации деятельности лица, принимающего решение, воз‑
можно использование программных интеллектуальных агентов. Следо‑
вательно, для таких процессов ИС должна включать систему поддерж‑
ки принятия решений, которая поможет ЛПР на основе имеющейся 
информации правильно определить проблему и выбрать оптимальное 
решение. Следует отметить, что не все алгоритмы и сценарии поведе‑
ния поддаются полной формализации. В некоторых случаях требует‑
ся 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, каж‑
дый в отдельности, не закрывают всех вопросов, возникающих при 
этом. Следовательно, целесообразно совмещать эти методы при раз‑
работке информационных систем.

Сообщения

Принятие 
решений

Процессы 
согласования

Бизнес-
процессы

Экспертные системы/
интеллектуальные 
агенты

Машина логического 
вывода /модель 
поведения

Рабочая 
память
БЗ/БД

Операция1
Операция n

Общая база 
знаний

Мульти-
агентные 
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‑моде‑
ли называется в учебниках моделированием. Для одной и той же си‑
стемы можно построить несколько моделей, каждая из которых опре‑
деляет конкретный аспект системы. При этом используются разные 
наборы диаграмм и документов.
Успешное решение задачи разработки информационной системы 
невозможно без четкого представления бизнес‑процессов, протека‑
ющих на автоматизируемом предприятии. Поэтому, прежде всего, 
необходимо построить бизнес‑модель, отражающую автоматизируе‑
мые процессы и необходимые для них ресурсы.
В процессе анализа предметной области при разработке информа‑
ционной 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 представ‑
ления о новых процессах и технологиях работы предприятия.
Переход от модели «AS‑IS» к модели «AS‑TO‑BE» происходит бла‑
годаря 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 доку‑
ментировании проекта, поскольку принимаемые проектные решения 
становятся более наглядными. Состав моделей, используемых в каж‑
дом конкретном проекте, и степень их детализации зависят от следу‑
ющих 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 структур‑
ные 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 уров‑
ней [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