Для успешной реализации проекта автоматизированной системы должны быть построены полные и непротиворечивые, функциональные и информационные модели системы управления. Накопленный опыт проектирования указанных моделей показывает, что это логически сложная, трудоемкая и длительная по времени работа, требующая высокой квалификации участвующих в ней специалистов. Однако во многих случаях проектирование автоматизированной системы выполняется в основном на интуитивном уровне с применением неформальных методов, основанных на искусстве, практическом опыте и экспертных оценках. Кроме того, в процессе создания и функционирования АС информационные потребности пользователей могут изменяться или уточняться, что еще более усложняет разработку и сопровождение автоматизированных систем управления. От перечисленных недостатков в наибольшей степени свободны подходы, основанные на программно-технических средствах специального класса - CASE-средствах, реализующих CASE-технологии создания и сопровождения АС.
Под термином CASE (Computer Aided Software Engineering) понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения автоматизированной системы, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного программного обеспечения и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. CASE-средства вместе с системным программным обеспечением и техническими средствами образуют полную среду разработки автоматизированной системы.
Одним из базовых понятий методологии проектирования автоматизированной системы является понятие жизненного цикла ее программного обеспечения.
Жизненный цикл программного обеспечения - это непрерывный процесс, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания программного обеспечения автоматизированной системы и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации
Структура жизненного цикла программного обеспечения базируется на трех группах процессов: основные процессы жизненного цикла программного обеспечения (приобретение, поставка, разработка, эксплуатация, сопровождение); вспомогательные процессы, обеспечивающие выполнение основных процессов (документирование, управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, оценка, аудит, решение проблем); организационные процессы (управление проектами, создание инфраструктуры проекта, определение, оценка и улучшение самого жизненного цикла, обучение).
Разработка охватывает все работы по созданию ПО и его компонентов (анализ, проектирование и программирование) в соответствии с заданными требованиями, включая оформление проектной и эксплуатационной документации, подготовку материалов, необходимых для проверки работоспособности и качества программных проектов, материалов, необходимых для организации обучения персонала, и т.д.
Эксплуатация включает в себя работы по внедрению компонентов программного обеспечения (конфигурирование базы данных и рабочих мест пользователей, обеспечение эксплуатационной документацией, проведение обучения персонала и др.), локализацию проблем, возникающих при эксплуатации с устранением причин их возникновения, модификацию программного обеспечения в рамках установленного регламента, подготовку предложений по совершенствованию, развитию и модернизации системы. Каждый процесс характеризуется определенными задачами и методами их решения, исходными данными, полученными на предыдущем этапе, и результатами. Результатами анализа, в частности, являются функциональные модели, информационные модели и соответствующие им диаграммы.
Жизненный цикл программного обеспечения носит итерационный характер: результаты очередного этапа часто вызывают изменения в проектных решениях, выработанных на более ранних этапах.
Известно несколько моделей жизненного цикла программного обеспечения. Под моделью жизненного цикла программного обеспечения понимается структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов, действий и задач на протяжении всего цикла. Модель жизненного цикла зависит от специфики автоматизированной системы и специфики условий, в которых система создается и функционирует.
К настоящему времени наибольшее распространение получили следующие две основные модели жизненного цикла: каскадный способ и спиральная модель.
Каскадная модель применяется, как правило, для разработки однородных автоматизированных систем, представляющих собой единое целое. Ее основной характеристикой является разбиение всей разработки на этапы, причем переход с одного этапа на следующий происходит только после того, как будет полностью завершена работа на текущем (рис.1). Каждый этап завершается выпуском полного комплекта документации, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков. Преимущества применения каскадного способа заключаются в следующем: на каждом этапе формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованности; выполняемые в логичной последовательности этапы работ позволяют планировать сроки завершения всех работ и соответствующие затраты. Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при построении автоматизированных систем, для которых в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования, с тем чтобы предоставить разработчикам свободу реализовать их технически как можно лучше. В эту категорию попадают сложные расчетные системы, системы реального времени и др. В то же время этот подход обладает рядом недостатков, вызванных, прежде всего тем, что реальный процесс создания автоматизированной системы никогда полностью не укладывается в такую жесткую схему, постоянно возникает потребность в возврате к предыдущим этапами уточнении или пересмотре ранее принятых решений.
Такую трансформацию каскадной схемы разработки автоматизированной системы можно рассматривать как "моделирование с промежуточным контролем". Межэтапные корректировки обеспечивают большую надежность каскадной модели, хотя и увеличивают весь период разработки. Основным недостатком каскадного подхода является существенное запаздывание с получением результатов. Согласование результатов с пользователями производится только в точках, планируемых после завершения каждого этапа работ, требования к автоматизированной системе "заморожены" в виде технического задания на все время ее создания. Таким образом, пользователи могут вносить свои замечания только после того, как работа над системой будет полностью завершена. В случае неточного изложения требований или их изменения в течение длительного периода создания автоматизированной системы пользователи получают систему, не удовлетворяющую их потребностям. Модели (как функциональные, так и информационные) автоматизируемого объекта могут устареть одновременно с их утверждением. От перечисленных недостатков свободна спиральная модель разработки автоматизированной системы (рис.3), в которой делается упор на начальные этапы жизненного цикла: анализ и проектирование. На этих этапах реализуемость технических решений проверяется путем создания прототипов. Каждый виток спирали соответствует созданию фрагмента или версии программного обеспечения, на нем уточняются цели и характеристики проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка спирали. Таким образом, углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта и в результате выбирается обоснованный вариант, который доводится до реализации. Разработка итерациями отражает объективно существующий спиральный цикл создания автоматизированной системы. Неполное завершение работ на каждом этапе позволяет переходить на следующий этап, не дожидаясь полного завершения работы на текущем. При итеративном способе разработки недостающую работу можно будет выполнить на следующей итерации. Главная же задача - как можно быстрее показать пользователям автоматизированной системы работоспособный продукт, тем самым активизируя процесс уточнения и дополнения требований. Основная проблема спирального цикла - определение момента перехода на следующий этап. Для ее решения необходимо ввести временные ограничения на каждый из этапов жизненного цикла. Переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа закончена. План составляется на основе статистических данных, полученных в предыдущих проектах, и личного опыта разработчиков автоматизированных систем. В рамках спиральной модели жизненного цикла широкое распространение получил один из подходов к разработке программного обеспечения, известный как методология быстрой разработки приложений RAD (Rapid Application Development). Эта методология включает в себя три составляющие: небольшая команда программистов (от 2 до 10 человек); короткий, но тщательно проработанный производственный график (от 2 до 6 мес.); повторяющийся цикл, при котором разработчики по мере того, как приложение начинает обретать форму, запрашивают и реализуют в продукте требования, полученные через взаимодействие с заказчиком. Команда разработчиков должна представлять собой группу профессионалов, имеющих опыт в анализе, проектировании, генерации кода и тестировании программного обеспечения с использованием CASE-средств, способных хорошо взаимодействовать с конечными пользователями и трансформировать их предложения в рабочие прототипы.