Подход к формированию виртуальной метаструктуры цифрового проектного двойника корпоративной информационной системы машиностроительного предприятия

В настоящее время в литературе информационные модели, создаваемые методами системной инженерии, принято называть цифровыми двойниками (ЦД), которые реализованы с применением CALS технологий [1]. Очевидно, составляющими архитектуры информационной системы для их реализации является прежде всего реестр, определяющий множество предметно-ориентированных организационно-функциональных объектов, например, в соответствии с методологией ISO 15288 систем множество бизнес-процессов, а на следующем уровне специализированных инженерных систем типа ERP/PLM/CAD/CAM/CAE/MES/SCADA и др. [2–8].

Построенная при таком подходе комплексная системная атрибутивная модель платформы КИС (СМкис(а)) как композиция системной модели ЦД исследуемого объекта (СМцд,ио(b)) и информационной инженерной среды (СМис(с)) как расширение свойств их декартового произведения функционально связаны через 4-е измерение этапов жизненного цикла T. То есть комплексная системная модель КИС обратима до её цифрового двойника. На теоретико-множественном языке это соответствует структуре формальной функциональной модели вида:

КИС (СМкис(а)(Т)) = СМцд,ио(b)(Т) о СМис(с)(Т).

Следующим шагом метаструктурной композиции системных моделей типа (1) является интеграция их в бизнес-архитектуру предприятия (АП).

В настоящее время для формального описания АП находит широкое применение формализм, предложенный Дж. Захманом [9, 10]. Формализм представляет собой обобщённый словарь и структуры для описания современных сложных корпоративных систем в декартовом пространстве общепринятых классификаторов (спецификаций) в форме OLAP-кубов. Логическая концепция этой формализации преследует цель представить системное внутреннее описание объектов и их внешнее взаимодействие с выделенных точек зрения и соответствующих уровней аспектов (абстракции).

Классическая модель представляется в виде матрицы (рис. 1).

Объекты	Функции	Дислокация,	Люди	Время	Мотивация
ЧТО	КАК	сеть ГДЕ	КТО	КОГДА	ПОЧЕМУ

Планиров- §         щик у § Владелец, §     менеджер из Конструк тор, архитектор _ я    Проекти- g. S     ровщик |      Разработ- ^ о.        чик ” я	Список важных понятий и объектов	Список основных бизнес-про-цессов	Территориальное расположение	Ключевые организации	Важнейшие события	Бизнес-цели и стратегии	Сфера действия (контекст) Модель предприятия Модель системы Технологическая (физическая) модель Детали реализации Работающее предприятие
	Концептуальная модель данных	Модель бизнес-процессов	Схема логистики	Модель потока работ (workflow)	Мастер-план реализации	Бизнес-план
	Логические модели данных	Архитектура приложений	Модель распределенной архитектуры	Архитектура интерфейса пользователя	Структура процессов	Роли и модели бизнес-правил
	Физическая модель данных	Системный проект	Технологическая архитектура	Архитектура презентации	Структуры управления	Описания бизнес-правил
	Описание структуры данных	Программный код	Сетевая архитектура	Архитектура безопасности	Определение временных привязок	Реализация бизнес-логики
	Данные	Работающие программы	Сеть	Реальные люди, организации	Бизнес-собы-тия	Работающие бизнес-стра-тегии

Данные	Функции,	Сеть,	Люди,	Время,	Мотивация
	процессы	расположе	организации	расписания
		ние систем

Рис. 1. Модель Захмана

Fig. 1. The Zachman's model

Существуют специализированные продукты, такие как Popkin Software Architect [11], основанные на модели Захмана и позволяющие достаточно эффективно управлять созданием моделей и артефактов описания АП.

Соответствующее обобщение подхода Захмана было предложено в работах Е.Б. Зиндера [12]. Основная идея заключается в обеспечении возможностей отражения постоянного развития предприятия и его информационных систем как непрерывной последовательности трансформаций в жизненном цикле.

В ме с то тра д и ц и он н ой д вумерной таблицы было предложено ввести тре хмерн у ю с хе му , добав ив к п ло с к и м с хе м а м ос ь с тр а тегического времени. На этой оси располага ю тс я отр е зк и в ре м е н и осуще с тв ле н и я ра зли ч н ых п роектов и стадий развития информационных с и с те м и в с его п ред п ри яти я. На ри с . 2 п ри в е де н п ри ме р тре хм е рн ой сх е мы.

Точка зрения исполнителя

Точка зрения разработчика

Точка зрения сотрудника

Точка зрения начальника

Точка зрения менеджера

Бизнес-план

Схема логистики

□ □

Программа

Работающие программы

Данные

График

Стратегии

Важные понятия и объекты

Бизнес-цели и стратегии

Архитектура безопасности

Ключевые организации

Архитектура презентации

Спецификации бизнес-правил

Физическая модель данных

Модель распределенной архитектуры

Работающее предприятие

Концептуальная модель данных

Логическая модель данных

Архитектура приложений

Архитектура интерфейса пользователя

Определение временных привязок

Структура процессов

Бизнес-модель предприятия Владелец

Технологическая (физическая) модель Проектировщик

Модель системы Конструктор, архитектор

Системный проект

Мастер-план реализации

Технологическая архитектура

Описания бизнес-правил

Описание структуры данных

Модель бизнес -процессов

Сфера действия (контекст) Планировщик

Структура управления

Модель бизнес-ролей

Основные бизнес - процессы организации

Детали реализации Субподрядчик

Модель потока работ

Территориальное расположение

Сетевая архитектура ■

Важнейшие события

Функции/ Как

Данные /Что

Сеть / Где

Люди/Кто

Время /Когда

Мотивация / Почему

Рис. 2. Трехмерная схема архитектуры предприятия

Fig. 2. Three-dimensional diagram of the enterprise architecture

Так и м об ра зом, «об ъе мна я » с хе ма АП и ли мод е ль «4D-предприятие» строится в трёх изме р е н иях с учё том в ре ме н ного п рос тр а н с тв а .

Пример формирования виртуальной метаструктуры цифрового проектного двойникаКИС МП для образовательного процесса технического вуза

В оп рос ы в з аи м о д ействи я в у зов и производственных предприятий с ис п ол ьзов а н и е м ме х а н и зма б аз ов ы х к а ф е д р осв е щ е н ы в ра б ота х ряда ав торов [ 13–16]. Ориентация программ базовых ка ф е д р н а ис п ользов а н и е п е ре довых технологий конкретного предприятия п ри в од и т к а к ту а ль н ой з а да че п о орга н и за ци и и н н овационной обучающей площадки в виде ци фров ого д в ой н и ка (ЦД ) к орп ор а ти вн ой и н ф орма ц ионной системы (КИС) предприятия в универси те те.

К ИС п ре д п ри яти я ( с о с в оим вн е шн им и вн у тре н н и м с од ержан и ем) – это множество интегри р ованн ы х м еж д у с об ой си с те м различных классов, предназначенных для при ме н е н и я в ре а ли за ц и и ре ше н и й . В э т ом смы с ле К ИС воспринимается как инфраструктура арх и те к ту ры реш е ний. С п е ц и а л исты п о и н форм а ц ион ным технологиям постоянно имеют дело с ее ос н ов н ыми к омпо н ентам и : при л ож е н и я ми (A ppl ication), данными (Data), технологиями (Technolog y ) и д ру ги ми архи те к турн ы м и форм а м и ( б е зоп а с н о с ть ( Security), тестированием (Testing)) при разработке ин ф орм аци он ных си с т е м и обс лу жи в а н и я проек тов .

В 1990-е годы появилась отдельная предметная область – архитектура бизнеса. Принято считать, что ее значимыми аспектами являются процесс (Process) и информация (Information), организация (Organization) и производительность (Performance). Первые два классифицируют бизнес-процессы и опорные структуры, которые составляют бизнес-модель организации. Появление этой предметной области связано с желанием предприятий оптимизировать свои бизнес-процессы.

Институт разработки архитектуры предприятий (Institute for Enterprise Architecture Development, IFEAD) обобщает основные руководящие принципы дисциплины архитектуры предприятия [17]: «Нет стратегических прогнозов – нет архитектуры предприятия». Важный аспект этого утверждения заключается в том, что архитектура предприятия – это целостная дисциплина, которая объединяет элементы бизнеса и технологии, исходя из общего стратегического прогноза предприятия.

Если есть архитектура, то развитие ИТ на предприятии происходит не спонтанно (по мнению руководителей или по рекомендациям вендоров), а вся деятельность подчинена бизнесу и его стратегическим интересам. Драйвером проработки архитектуры могут служить такие решения, как радикальная модернизация, например, её перевод в «облако».

Когда приходит время выбрать методологию/инфраструктуру АП, большинство из доступных параметров принимают форму частично построенных «решений», которые могут быть адаптированы к потребностям конкретной организации.

В действительности большинство из них либо невозможно повторно использовать на практике, либо они требуют существенной адаптации. Кроме серьезной проблемы адаптации сложным является то, что мало количество имеющихся руководств, несмотря на высокий уровень понимания деталей, который требуется для их воплощения.

Большинство существующих инфраструктур либо расширяют другие архитектуры, либо повторяют их для конкретных задач. Например, инфраструктура EUP является расширением RUP, она имитирует его подход к описанию рабочих потоков процесса и деятельностей, тогда как FEAF и Спивак (Spewak EA Planning Methodology) наследуют инфраструктуру Захмана.

TOGAF – это инфраструктура АП, которая появилась в последние два десятилетия, происходит от ранних, специализированных технических инфраструктур архитектуры предприятия, таких как Technical Architecture Framework for Information Management (TAFIM), и создана в соответствии с рекомендациями ANSI для архитектуры предприятий (IEEE 1471-2000). Главной целью TOGAF было создать стандарт разработки архитектуры предприятия. Сформулированная членами консорциума Open Grouр TOGAF не всегда воплощает целостную концепцию архитектуры предприятия. Сначала TOGAF включала только технические аспекты архитектуры (версии с 1-й по 7-ю), однако недавно в эту инфраструктуру была добавлена предметная область архитектуры бизнеса (версия 8, Enterprise Edition), в результате TOGAF быстро переместилась на передний план современных вариантов инфраструктур архитектуры предприятий.

Сегодня TOGAF – это высокоуровневый подход к проектированию, методологии описания архитектуры предприятия, предполагающий разработку, планирование, внедрение IT-архитектуры.

Основные термины в стандарте TOGAF приведены в стандарте ISO 42010 «Программная инженерия – Описание архитектуры». TOGAF рассматривает организацию как систему, является руководящей основой (Framework) для разработки и поддержания архитектуры. Согласно TOGAF архитектуру предприятия можно представить в виде 4 основных доменов:

• 1)    бизнес-архитектура – определяет стратегию предприятия, структуру управления и ключевые бизнес-процессы;

• 2)    архитектура данных – описывает логическую и физическую структуру данных организации, а также структуру корпоративных ресурсов для управления данными;

• 3)    архитектура приложений – служит своеобразной картой всех корпоративных приложений и определяет, во-первых, участие каждого из приложений в бизнес-процессах компании и, во-вторых, взаимодействие приложений друг с другом и внешними сервисами;

• 4)    технологическая архитектура (инфраструктура) – определяет структуру и логику программного обеспечения и аппаратной среды, необходимых для работы бизнес-приложений и доступа к нужным данным. Этот уровень включает всю IT-инфраструктуру (сети, сервера и т. д.).

На рис. 3 представлена архитектура компании на примере предприятия машиностроительной отрасли.

Рис. 3. Архитектура компании (на примере предприятия машиностроительной отрасли)

Fig. 3. The company architecture (on the example of an enterprise in the machine-building industry)

Цифровой (информационный) двойник КИС как адекватное отображение объектов и их связей в исследуемой предметно-ориентированной области в соответствии с принципом двойственности параллельно отображается структурой внешней среды и структурой внутреннего содержания.

С точки зрения внутреннего содержания с использованием цифровых двойников КИС в университете могут отрабатываться новые подходы к архитектуре предприятий и организации биз-нес-процессов, которые затем будут внедрены. Цифровой двойник КИС становится «песочницей», содержащей конкретные технологии, в которой с привлечением научного потенциала появляются новые решения.

Создание архитектуры предприятия характеризуется цикличностью, итерации следует планировать в соответствии с крупными фазами в разработке бизнеса. Как известно [18], выделяют 4 категории процессов: основные, вспомогательные, управления, совершенствования. В этом смысле проявляется влияние внешней среды, формирующей требования к цифровому двойнику, порядок его создания и развития. Изначально построение ЦД КИС базируется на одном из основных бизнес-процессов.

Продемонстрируем влияни е внешней среды на примере создания цифр ового двойника КИС конструкторского бюро машин остроительной отрасли, где одним из основн ых процессов являе т ся разработка конструкторской документа ции. В этом случае на первой итерации при реализации цифрового двойника КИС до лжны быть реализованы приложения, техн ологические ресурсы, обеспечивающие данный бизнес -процесс (на рис. 4 область, выделенная пунктиром).

Рис. 4. Двойник отраслевой цифровой платформы

Fig. 4. The twin of an industry-specific digital platform

Дальнейшее масштабиров ание происходит в порядке проработки бизн ес -процессов, указанном в [18]. Как видно из рис. 4 , все стадии ЖЦ связаны PLM-системой. Расширение ее функциональных возможностей для пр оцесса разработки конструкторской докуме нтации подробно ра ссмотрено в [19, 20].

В рамках национального проекта «Наука» в России появилось 10 нау чно -образовательных центров (НОЦ) мирового уров ня. Их целью является рост науки, образова ния, технологий в социально- экономическое развит ие региона и страны, выраженное в увеличен ии вклада участников Центра в достижение национа льных целей развития РФ, определенных У казом Президента РФ № 474 от 21 июля 2020 г . В составе НОЦ объединяются усилия ве дущих университетов, науч ных организаций, компаний реального сектора экономики для решения актуальных научно технических задач.

Цифровая поддержка НОЦ может обеспечиваться взаимодействием ин формационных пла т форм, являющихся цифровыми двойниками КИС в IT-инфраструктуре университетов, информа ционных систем малых иннова ционных предприятий (ИС МИП), а также КИС научных орган и заций и организаций реального сектора экономики. Поскольку НОЦ органи зуются по регионал ь ному принципу, поддерживая, в первую очередь, «си льные предприятия» различных направле ний и отраслей, то в опорных вузах может существовать ряд базовых каф едр одного индустр и ального партнера или нескольк их (рис. 5), связанных со своим ЦД КИС каж дая.

Организация работы над проектами в кооперации нескольки х участников означает появление и накопление новых видов стр уктурированной или неструктурированной и нформации, распред е ленной по многочисленным у злам вычислительной сети, что приводит к появлению задачи большой размерности. Наличие баз данных и баз знаний, а также инициация запросов к ним с использованием интерфейса ук азывает на необходимость разработки модели управления знаниями.

Рис. 5. Схема взаимодействия участников НОЦ Fig. 5. The scheme of REC participants interaction

В качестве подхода в области управления и интеграции данных предлагается платформа поддержки пространств данных – DSSP (dataspace support platform) [21].

Использование систем поддержки информационных пространств позволяет обеспечить оперативный доступ к информации, находящейся в различных источниках с различными моделями данных и способами хранения.

Предложенная в работе [22, 23] модель аннотирования и идентификации может быть реализована с использованием информационно-поисковых систем. Поиск документов из коллекции, которые являются наиболее релевантными по отношению к произвольным информационным потребностям, сообщаемым системе при помощи однократных, инициированных пользователем запросов, продемонстрирован на примере кафедры университета.

Актуальность информационно-поисковой системы возрастает при коллективной работе в сложных структурах, одной из которых является НОЦ.

Выводы

• 1.    Рассмотрен прикладной аспект создания и развития цифровых двойников КИС предприятий с учетом требований к архитектуре решений, архитектуре бизнеса и архитектуре предприятий (TOGAF).

• 2.    Рассмотрены перспективы использования цифровых двойников КИС предприятий в составе университета для их эффективной интеграции в состав внешних структур.

• 3.    Использование информационно-поисковых систем позволяет в автоматизированном режиме производить идентификацию объектов информационного пространства, выполнять их поиск и навигацию.

• 4.    Предложена концептуальная модель для организации взаимодействия участников НОЦ, обеспечивающая формирование элементов новой системы организации науки, повышение уровня и статуса российской науки, ускорение технологического развития.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-37-90061.