Введение. Актуальность работы связана с повышением роли различных типов сложных систем (киберфизических систем (КФС) и других) в условиях нового технологического уклада. Интерфейсы и протоколы обмена данными могут рассматриваться как системообразующие элементы КФС и других видов систем (информационно-измерительных, информационно-торговых и другое).
Гипотезой статьи является предположение о том, что применение инновационных методов проектирования способно повысить эффективность интерфейсов и/или протоколов обмена данными, в составе сложных систем.
Целью работы является развитие инновационных подходов при проектировании и оценке эффективности интерфейсов и протоколов обмена в составе сложных систем.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
- описания функций и ролей интерфейсов и протоколов обмена данными, как элементов сложных систем;
- описания задачи оптимизации облика (структуры и ключевых характеристик) интерфейсов и протоколов обмена данными;
- описания инновационных методов проектирования интерфейсов и протоколов обмена данными;
-обсуждения влияния применения инновационных методов проектирования интерфейсов и/или протоколов на эффективность сложных систем.
Объектом работы являются интерфейсы и протоколы обмена данными.
Предметом работы выступают инновационные методы проектирования интерфейсов и протоколов обмена данными.
Анализ литературных источников по теме этой статьи показывает следующее. Известно, что Купер Алан начал свою работу над первым изданием его книги «Интерфейс. Основы проектирования взаимодействия» около 20 лет назад. В своей работе А. Купер убеждал программистов в том, что необходимо и пришла пора шагнуть навстречу пользователям. Для этого нужно писать программы, которые будут нравиться этим пользователям. В начале 2023 году реально сложилась совершенно иная ситуация: оцифровка всех видов информации вынуждает пользователей с головой окунуться в новые ИТ-технологии. В рассматриваемой работе развиваются методы проектирования взаимодействия. Под проектированием взаимодействия понимается метод проектирования интерактивных цифровых сред, систем, продуктов, сервисов ориентированный на человека. При этом большое внимание должно уделяться проектированию поведения: аспекту, которым традиционные дисциплины ИТ-проектирования нередко пренебрегают. При проектировании взаимодействия во главу угла ставится целенаправленный (целеориентированный) подход, при котором основное внимание проектировщиков сосредоточено на целях пользователей. В рамках этого подхода рекомендуется изучать: причины, по которым пользователь нуждаются в данном продукте; ожидания пользователей от использования продукта; мировоззрение и склонности пользователей. Именно по этим причинам метод «проектирования взаимодействия» позволяет создавать мощные решения, с которыми клиентам приятно работать [1, с. 2].
Ожидается, что в условиях нового технологического уклада будет наблюдаться интенсификация инноваций в области киберфизических систем (КФС) [2, с. 45-58]. Это может привести к росту системного влияния интерфейсов и протоколов обмена данными (далее просто- протоколов) в составе киберфизических и других типов сложных систем.
Эксперты отмечают, что все большее распространение и рост значимости архитектурного подхода при проектировании различных видов сложных систем (КФС и др.) и программного обеспечения таких систем [3-7].
Интерфейсы и протоколы обмена данными выступают как важные системообразующие элементы архитектуры, структуры, алгоритмов функционирования сложных систем [8, с. 51-53]. Одновременно с этим развивается и происходит «институализация» структурного анализа систем и, в частности, вепольного (вещество-поле) анализа, как инструмента решения изобретательских задач [9, с. 2]. Все большее распространение получает методика дизайн-мышления Тима Брауна [10, с. 2; 11]. Наблюдается дальнейшее развитие эргодизайна как метода проектирования и оптимизации процессов в составе сложных систем [12, с. 6-13; 13].
Изучая методы проектирования интерфейсов и протоколов нужно учитывать их значение и роль в иерархических сложных системах.
Теория иерархических сложных систем представлена в работе [14, с.2] .
Системная инженерия (общая теория сложных систем) в 2023 году рассматривается как комплекс разнородных научных методов, направленных на прогнозирование, проектирования, анализ функционирования и эффективности сложных иерархических систем (и их программного обеспечения) [15, с.115].
Для повышения уровня научной обоснованности проектирования взаимодействия при создании интерфейсов и протоколов обмена данными может быть полезным: дальнейшее развитие теории организационного поведения; более активное использование результатов теории организационного поведения при проектировании взаимодействия [16, с. 453-468].
Подводя краткий итог изучению научных публикаций по теме настоящей статьи есть все основания сказать следующее. Наблюдается рост значения задач проектирования интерфейсов и протоколов обмена данными (далее просто-«протоколов»). Значимость этих задач растет в связи с повышением уровня многообразия и практической значимости сложных систем (киберфизических систем; информационно-измерительных систем, информационно-торговых систем, др.). При этом необходимо дополнительно подчеркнуть, что проектирование интерфейсов и протоколов в начале 21 века по-прежнему ведется эвристическими методами. Это может снижать эффективность функционирования сложных систем в целом.
Поэтому очень актуально развивать инновационные, формализованные и методически обоснованные подходы к проектированию интерфейсов и протоколов обмена данными. Таким образом, актуальность настоящей статьи может считаться доказанной.
Метод. В 2023 году под сложными системами понимаются такие виды систем: киберфизические системы (КФС); информационно-измерительные системы; информационно-торговые системы и другие. Возможность изучать эти виды систем, абстрагируясь от их специфики, связана с такими их особенностями: все эти типы систем обладают общими типами элементов структуры (субъект и объект управления); во всех этих видах систем существует механическая и программная части; все эти виды систем направлены на удовлетворение (прямо или через товары) определенных индивидуальных и общественных потребностей; для всех этих видов систем могут быть сформулированы миссия, видение, цель создания; все они могут быть представлены стейкхолдерам в виды определенного набора показателей эффективности (целевая эффективность, затраты; риски функционирования; временные характеристики функционирования и другое.
Под КФС понимают широкий класс систем. В начале 21 века для КФС характерны следующие свойства: объединение разнородных элементов (корпус КФС, датчики КФС, исполнительные устройства КФС, микропроцессоры КФС и др.); распределенный характер процессов управления (поуровням и элементам системы); активное применение в рамках КФС интеллектуальных технологий; в КФС вычислительные средства (как правило микропроцессорного типа) распределены по всей структуре этой КФС; вычислительная и управляющая подсистема КФС имеет, как минимум два иерархических уровня; вычислительная подсистема КФС по своим характеристикам и алгоритмам функционирования прочно интегрирована с физическими элементами этой КФС; активное использование в структуре КФС баз данных, технологий цифровизации, технологий преобразования, хранения, обработки и анализа данных и другое [2, с. 45-58].
Технологии цифровизации выступают важным элементом (частью) КФС, это определяется тем, что технологии цифровизации в КФС должны обеспечить преобразование аналоговых сигналов физических элементов КФС в цифровой код, который должен быть пригоден для работы с ним в вычислительной части той самой КФС (или другой системы). Поэтому в процессе формирования КФС скоординировано применяются не только ИТ-технологии, но и другие типы технологий, в частности, нейротехнологии [2, с. 45-58].
По перечисленным выше причинам интерфейсы и протоколы нужно изучать как составные части структуры (а точней архитектуры) сложных систем. Как уже отмечалось, изучению содержания и значения архитектурного подхода при проектировании сложных систем посвящены, в том числе, работы [3-7]. В этих работах под архитектурой сложной системы и/или ее программного обеспечения понимается совокупность таких их элементов: принципиальная схема организация системы, воплощенная в её элементах; алгоритмы взаимодействия и взаимоотношения элементов системы (или ПО) друг с другом и с внешней средой; принципы проектирования таких систем; методы эволюцию систем [3]. Исследователи отмечают, что понятие «архитектура» применительно к сложным системам в значительной мере субъективно. При этом термин «архитектура» имеет большое число, в том числе, в известной мере противоречивых толкований.
Эксперты считают, что часто каждая команда разработчиков имеет свою точку зрения на понятие архитектуры и его влияние на процесс и результаты проектирования сложной системы [4, с.272]. В начале 21 века известно большое количество определений архитектуры сложной системы. Определенный набор трактовки архитектуры, в основном касающихся понимания, архитектуры программного обеспечения, представлен, в частности, на сайте Института программной инженерии (Университет Карнеги - Меллона) [5, с.272].
В 2023 году все сильней проявляется тенденция дифференцировать архитектурное и не архитектурное проектирование как принципиально различные подходы в проектировании, как следствие, различные виды проектной деятельности. При этом продолжаются попытки определить и описать различные архитектуры как отдельные практики. Вместе с тем нужно учитывать, что архитектурное и не архитектурное проектирование сложных систем (и их программного обеспечения) в значительной степени «переплетены». Рекомендуется учитывать, что архитектурные решения (в сравнении с обычными, не архитектурными проектными решениями) рассматриваются как обладающие такими свойствами: архитектурные решения более абстрактные; архитектурные решения имеют концептуальную основу; решения архитектурного типа более глобальные; архитектурный подход ориентирован на успех миссии сложной системы; архитектурный подход позволяет создавать наиболее высокоуровневые структуры систем [6, с.272].
При этом интерфейсы и протоколы обмена данными могут рассматриваться как архитектурообразующие элементы сложных систем. Это связано с тем, что интерфейсы и протоколы выступают как важные элементы организационной структуры, алгоритмов функционирования КФС и других видов сложных систем. На этом основании все требования к интерфейсам и протоколам обмена должны быть разделены на две части: объективные, определяемые характеристиками процессов функционирования сложных систем (КФС и др.), в состав которых они входят; субъективные, которые определяются целями и поведением потребителей (А. Купер). Такое разделение требований к сложным системам (КФС и другие) может считаться условным поскольку цели и поведение клиентов во-многом определяется и связаны именно с функциями и поведением сложных систем (КФС, другое).
При этом сущность любой категории, в том числе интерфейсов и протоколов обмена, объективно выражают их функции и роли в составе сложных систем. Проведенный экспресс-анализ позволяет сказать, что интерфейсы выполняют в составе сложных систем такие функции: адекватного представления одного элемента системы другим элементам сложной системы; физического соединения элементов структуры (и архитектуры) сложной системы; стандартизации типовых представлений элементов сложных систем (КФС, др.) друг другу и сложной системе в целом; технического обеспечения декомпозиции сложной системы в процессах производства, технического обслуживания, контроля и диагностики состояний элементов и всей сложной системы в целом; преобразования аналогового сигнала в цифровой; преобразования цифрового сигнала в аналоговый сигнал; обеспечения технической возможности оптимизации архитектуры сложных систем и другие.
Проведенный экспресс-анализ дает основания назвать такие функции протоколов обмена информацией в интерфейсах сложных систем: стандартизации процедур (алгоритмов) обмена информацией между элементами сложной системы; обеспечения реализации алгоритмов функционирования сложной системы; документирования результатов информационных обменов между подсистемами сложной системы (или элементами программного обеспечения) и др.
Ролями интерфейсов можно назвать: обеспечение системного единства элементов и их интеграция в единое целое -сложную систему; создания технической возможности оптимизация архитектуры сложной системы; обеспечение технологичности конструкции сложной системы (процессы подготовки производства, сборки, технического обслуживания, контроля, диагностики и др.); техническое обеспечение принципа модульности конструкции сложной системы и другое. Ролями протоколов обмена информацией в интерфейсах можно назвать: обеспечение технической возможности исполнения алгоритмов функционирования; документарного обеспечения процессов функционирования сложной системы; контроля правильности информационных обменов; диагностическая роль и другое.
Анализ показывает, что может быть поставлена и сформулирована задача оптимизации облика (структуры и основных характеристик) при проектировании интерфейсов и протоколов обмена данными в сложных системах. Основой для постановки такой оптимизационной задачи могут быть противоречащие друг другу требования, состоящие в том, что:
1)излишне многофункциональный и производительный интерфейс (или протокол обмена данными) будет иметь избыточные функциональные (и как следствие, весо-габаритные и стоимостные характеристики);
2)недостаточно многофункциональный и производительный интерфейс не позволит адекватно осуществлять процессы обмена данными в сложных системах?
Под производительностью интерфейса понимается его способность технически обеспечивать информационные обмены между подсистемами сложной системы определенной их интенсивности (объемов и скорости обмена данными). Это дает основание предположить, что может существовать оптимальный облик (структура и основных характеристики) как интерфейса, так и протокола обмена данными для определенного класса сложных систем?
В качестве инновационных методов проектирования оптимальных интрефейсов и /или протоколов обмена данными могу рассматриваться: метод «проектирования взаимодействия» А.Купера; вепольный (вещество-поле) анализ [9, с.2]; метод дизайн-мышления [10, с.2;11]; метод эргономического дизайна [12, с. 6-13; 13] и другие.
Рассмотрим и кратко охарактеризуем эти методы инновационного проектирования интерфейсов и протоколов обмена данными.
Вепо́льный анализ изначально предназначен для: представления исходной ИТ-системы (например, интерфейса или протокола) в виде определенной (структурной) модели; преобразования этой структурной модели для получения структурного решения, которое устраняет существующие недостатки. Структурный вещественно-полевой (вепо́льный) анализ рассматривается как раздел теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Вепольный анализ изучает проблемы реструктуризации сложной системы. При этом вепо́льный анализ позволяет представить исходную систему в виде определенной (структурной) модели. «Вепо́ль» рассматривается как модель минимально управляемой системы, которая включает два взаимодействующих объекта и описывающей их взаимодействие. В рамках этого подхода взаимодействующие объекты (системы) условно названы «веществами», они обозначены В1 и В2. «Веществом» называют любой объект, а в информационных системах это может быть элемент (подсистема, блок). Таким образом, при вепольном анализе В1 и В2 -это две подсистемы, которые соединяет интерфейс?
Само взаимодействие объектов («веществ») называется полем и обозначается П. «Поле» может описывать любое действие или взаимодействие. Например, в качестве «поля» может рассматриваться интерфейс (протокол), взаимодействующий с двумя подсистемами сложной системы. Следовательно, в информационных системах «полем» может выступать интерфейс, протокол обмена данными, алгоритм функционирования, программа функционирования сложной системы, процедура и т.п.
При этом подходе процесс проектирования интерфейсов (и/или протоколов) может рассматриваться как итерационный процесс решения «элементарных» изобретательских задач (ЭИЗ). На основе анализа и классификации работ, выполняемых при проектировании интерфейса (или протокола) может быть сформирован список таких ЭИЗ. Для формирования такого списка может быть рекомендовано ответить на такие вопросы: какой элемент (кто); при каких условиях (когда); где (с каким «веществом») и в каком поле (что) должен сделать для обеспечения эффективного функционирования интерфейса и протокола как элементов определенного класса сложных систем? В такой список ЭИЗ могут быть включены следующие элементарные задачи: описание требований к интерфейсу; определение облика (структуры и характеристик) интерфейса; описание алгоритма работы протокола; организации циклических вычислений; организации прерываний в программе; установление приоритетов действий и другое.
Применение метода дизайн-мышления при проектировании рациональных (позволяющих выполнять поставленные задачи) и оптимальных интерфейсов и/или протоколов заключается в следующем. На этапе эмпатии производится сбор информации и подвергаются анализу тактико-технические требования к интерфейсам и протоколам обмена данными. На этапе фокусировки; выполняется анализ тактико-технические требования к интерфейсам и протоколам обмена данными в интересах проектирования оптимальных интерфейсов и протоколов; изучается полученная на предыдущем (эмпатия) этапе информация с точки зрения взаимодействия элементов сложной системы. На этапе идеации выдвигаются идеи и гипотезы, ликвидирующие «разрыв», обеспечивающие выполнение требований к оптимальным обликам интерфейсов и протоколов. На этапе интеграции эти идеи системно объединяются (агрегируются) в граф-дерево идей проекта, что позволяет создать целостный облик проекта (определить структуру и ключевые характеристики). На этапе прототипирования эти идеи материализуются и объединяются в единое целое -прототип проекта (продукта проекта). На этапе тестирования этот созданный прототип подвергается испытаниям (мысленным, натурным, др.).
Эргономический дизайн тоже может выступать как инновационный метод проектирования интерфейсов и/или протоколов обмена данными.
Эргономический дизайн при проектировании интерфейсов и протоколов обмена может использоваться для решения таких задач: создание гармоничных сложных систем из набора элементов на основе их объединения с помощью интерфейсов и протоколов обмена; формирование с использованием интерфейсов и протоколов обмена для восприятия набора элементов сложной системы как единого целого; гармонизации функциональных отношений между элементами внутренней среди сложной системы; гармонизации отношений между системой и ее внешней средой; гармонизации взаимодействия между элементами сложной системы в процессе их совместного функционирования (в рамках согласованных протоколов поведения) и другое.
Эргономический дизайн на этапе синтеза облика (структуры и основных показателей) интерфейсов и/или протоколов может решать такие задачи: выявления факторов, формирующих облик интерфейса и/или протокола обмена данными; оптимизации облика интерфейса и/или протокола обмена данными; гармонизации структуры и/или показателей интерфейсов и /или протоколов обмена данными и другое.
Обсуждение. Материалы настоящей статьи доказывают, что интерфейсы и протоколы обмена данными должны рассматриваться как важные структурообразующие элементы в составе сложных систем. В связи с противоречивостью требований к интерфейсам и протоколам обмена данными, становится возможной постановка задачи оптимизации облика (структуры и характеристик) интерфейсов и протоколов обмена данными. В начале 21 века проектировании интерфейсов и протоколов обмена данными применяют эвристические методы. Это повышает риск нарушения системного единства в процессах функционирования сложных систем. В качестве инновационных методов проектирования интерфейсов и протоколов обмена данными могут выступать: метод проектирования взаимодействия А.Купера; вепольный (вещество-поле) анализ, относящийся к теории решения изобретательских задач (ТРИЗ); метод дизайн-мышления; эргономический дизайн и другие методы.
Под эффективностью интерфейсов или протоколов обмена данными условимся понимать их способность достигать поставленных перед ними целей при условии выполнения этими интерфейсом и или протоколом коммуникативных целей в составе системы при условии выполнения определенных ограничений. Это могут быть ограничения; на объемы потребляемых ресурсов; объемы передаваемых информационных сообщений; на время реализации процессов передачи данных.
Применение методологии эргономического дизайна при проектировании таких интерфейсов и/или протоколов обмена данными должно: повысить эффективность таких интерфейсов и/или протоколов; создать синергетический эффект в функционировании таких интерфейсов и/или протоколов за счет более эффективного взаимодействия элементов сложных систем.
Уровень эффективности интерфейсов и/или протоколов можно оценить с использованием критериев оценки эффективности функционирования таких элементов. Под критерием оценки эффективности интерфейсов и/или протоколов можно понимать правило выбора наилучшего варианта интерфейса и/или протокола из ряд возможных их вариантов.
Анализ показывает, что иерархический подход, классификация, типизация изобретательских задач и их решений на основе метода вепольного (вещество-поле) анализа в процессе проектирования интерфейсов и протоколов призваны повысить скорость и качество процессов проектирования сложных систем, элементов ИТ-инфраструктуры.
Метод дизайн-мышления позволяет проектировать рациональные и оптимальные интерфейсы и протоколы обмена данными. Характерной особенностью метода дизайн-мышления можно назвать объединение всех видов познания (донаучного, житейского, научного, художественного), что позволяет создавать продукты, в наибольшей степени отвечающие запросам потребителей, направленным на повышение эффективности сложных систем.
Использование метода эргономического дизайна при проектировании интерфейсов и протоколов обмена данными объясняется тем, что этот метод обеспечивает выполнение методологического, философского (философия науки) положения о том, что метод исследования должен быть адекватен объекту исследования. Анализ показывает, что интерфейсы и протоколы обмена и есть институциональные инструменты эргодизайна при проектировании сложных систем.
Заключение. В статье сформулирована задача оптимизации интерфейсов и протоколов обмена данными, развиваются инновационные методы проектирования интерфейсов и протоколов обмена данными между составляющими элементами сложных систем( киберфизических и других видов систем). В качестве инновационных методов проектирования интерфейсов и протоколов обмена данными могут рассматриваться: метод проектирования взаимодействия, предложенный А.Купером; вепольный анализ (часть теории решения изобретательских задач), предложенный Г.Альтшулером; метод дизайн-мышления Тима Брауна; эргономический анализ и другие.
Применение этих инновационных методов при проектировании интерфейсов и протоколов обмена данными может повысить эффективность сложных систем в целом. Это связано с тем, что интерфейсы и протоколы выступают составными частями таких сложных систем.
Для развития методологии и практики оптимизации интерфейсов, обеспечения «проектирования взаимодействия» при создании и анализе работы интерфейсов, протоколов обмена можно рекомендовать ввести в состав учебных дисциплин, изучаемых студентами ИТ-специальностей такие дисциплины как: теория иерархических систем; системный анализ в ИТ-сфере; теория решения изобретательских задач (ТРИЗ); теория организационного поведения; эргодизайн сложных систем и другие.
Библиографический список
- Купер Алан Интерфейс. Основы проектирования взаимодействия. 4-е изд. -СПб.: Питер, 2022,
- Glushchenko V. V. (2023) Formation of a Paradigm for Designing Cyber-Physical Systems: Educational Perspective//Indonesian Journal of Teaching in Science, 3(1)(2023),p. 45-58 https://ejournal.upi.edu/index.php/IJoTis/article/view/56039/22096
- ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288—2008. Системная инженерия — Процессы жизненного цикла систем. — 2008.
- Данилин А., Слюсаренко А. Архитектура и стратегия. «Инь» и «Янь» информационных технологий предприятия. — М.: Интернет-университет информационных технологий, 2005. — 504 с. — ISBN 5-9556-0045-0.
- Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. — 544 с. ISBN 5-8459-0579-6
- Pyster, A., D. Olwell, N. Hutchison, S. Enck, J. Anthony, D. Henry, and A. Squires (eds). Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge (SEBoK) version 1.0. — The Trustees of the Stevens Institute of Technology, 2012.
- Kossiakoff A., Sweet W. N., Seymour S. J., Biemer S. M. Systems Engineering Principles and Practice. — 2-е изд. — Hoboken, New Jersey: A John Wiley & Sons, 2011. — 599 с. — ISBN 978-0-470-40548-2.
- Глущенко В. В., Нефедов С. В. Интерфейсы и протоколы обмена данными как элементы структуры и процессов функционирования киберфизических систем[Текст]// Фундаментальные и прикладные исследования в науке и образовании: Сборник статей по итогам Международной научной конференции (Стерлитамак , 24 сентября 2023 г.). – Стерлитамак: АМИ, 2023. – с. 51-53. https://ami.im/sbornik/MNPK-525.pdf
- Петров В. Структурный анализ систем: Вепольный анализ. Учебник. ТРИЗ.: Издательские решения 2029, – 230 с. ISBN 978-5-4493-9970-0
- Браун Т. Дизайн-мышление: от разработки новых продуктов до проектирования бизнес-моделей / Тим Браун; пер. с англ. Владимира Хозинского. – М.: Манн, Иванов и Фербер, 2012.
- Глущенко В.В. Дизайн-мышления как новый способ инновационной деятельности в традиционных отраслях промышленности // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 12 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/12/99402 (дата обращения: 23.12.2022).
- Kharchenko V., Rubtsov A., Svirko V.Ergodesign factor in the development of unmanned aircraft systems//Proceedings of National Aviation University. 2019. Т. 4. № 81. С. 6-13.
- Глущенко В.В. Эргодизайн развития научного обеспечения разработки САПР//Современные научные исследования и инновации. 2022. № 11 (139).
- Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. -М.: Мир, 1973.-344 с
- Глущенко В.В. Теории технологических укладов, сложных систем, кризисологии и системного анализа процессов технологического развития. – г. Москва: Глущенко Валерий Владимирович, 2023. – 168 с.
- Glushchenko V.V. (2022) General theory of organizational behavior: educational perspective //Indonesian Journal of Multidisciplinary Research es; Vol. 2, No. 2 (2022): JEOMR: VOL. 2, ISSUE 2, 2022, pp. 453-468. DOI: https://doi.org/10.17509/ijomr.v2i2.50332 https://ejournal.upi.edu/index.php/IJOMR/article/view/50332
Количество просмотров публикации: Please wait