Стадии разработки автоматизированных систем

Информационная технология построения автоматизированных систем

Для инженера - системотехника информационная технология является не только объектом разработки, но и средством создания автоматизированных систем. Внедрение новой информационной технологии требует, прежде всего, определения ее возможностей и направлений использования при автоматизированном проектировании автоматизированных систем организации и управления. Переход к новой информационной технологии означает совмещение модели предметной области с формальной моделью решаемой задачи. Для новой информационной технологии характерно и изменение организации вычислительного процесса, режим обработки информации должен задаваться и контролироваться по состоянию данных. Отличительной особенностью ее является также наличие интеллектуального интерфейса между пользователем и ЭВМ, что значительно упрощает работу любого специалиста и устраняет в процессе решения задачи посредников.

Современный уровень развития вычислительных средств и средств связи таков, что без применения информационной технологии невозможно эффективное использование их возможностей как при построении, так и при функционировании сложных систем. Ускоренное развитие индустрии информатики, динамичное совершенствование вычислительной техники, расширение и углубление их использования в народном хозяйстве, создание комплексно-автоматизированных производств - таково магистральное направление развития. Поднять эффективность автоматизированных систем можно за счет резкого сокращения сроков их разработки. При создании новых, реконструкции и развитии существующих АСУ необходимо руководствоваться общеотраслевыми руководящими методическими материалами, в соответствии с которыми, установлены следующие стадии разработки АСУ: предпроектная, разработка проектов, ввод в эксплуатацию.

Содержание типовых стадий разработки АСУ.

Предпроектная стадия занимает особое место. АСУ является большой и сложной системой, ее создание осуществляется в условиях большой неопределенной исходной информации, поэтому одним из принципов разработки АСУ является возможность последующего ее развития как по горизонтали в части расширения решаемых функциональных задач, так и по вертикали в направлении увеличения числа уровней управления при соответствующем перераспределении управляющих функций.

Особое внимание следует обращать на использование перспективных программно-аппаратных средств реализации АСУ. Малые сроки морального старения технических средств и программного продукта резко снижают эффективность использования автоматизированной системы управления. Трудности создания АСУ заключаются также и в том, что практически отсутствует возможность использования физических моделей и натурного эксперимента при разработке системы. Поэтому особое значение приобретают математическое моделирование и вычислительный эксперимент на модели, что заставляет уже в настоящее время пересмотреть существующую практику создания АСУ. На стадии предпроектного анализа проводится обследование объекта управления и осуществляется технико-экономическое обоснование необходимости разработки автоматизированной системы. Технико-экономическое обоснование оформляется в виде документа, который определяет экономическую целесообразность создания АСУ. В этом документе должны быть обоснованы будущие решения по функциональным задачам АСУ и соответствующим им обеспечивающим подсистемам. На основании технико-экономического обоснования разрабатывается техническое задание на создание АСУ. Это наиболее ответственная стадия разработки системы, поскольку здесь определяются принципы построения автоматизированной системы, ее организационная и функциональная структуры, требования к обеспечивающим подсистемам. Стадия предпроектного анализа реализуется в условиях совершенствования организационной структуры предприятия, изменения методов и стиля руководства. На этой стадии особую роль играет интеллект разработчика системы и для усиления интеллектуальных возможностей должна быть использована информационная технология. Прежде всего, должны быть автоматизированы рутинные операции по обследованию существующего предприятия с точки зрения структуры управления, анализа имеющихся информационных потоков, функций, реализуемых отдельными подразделениями предприятия. Здесь особое значение приобретают математические методы моделирования, которые позволяют прогнозировать оптимальный перечень автоматизируемых функций управления, оптимизировать организационную структуру предприятия с учетом внедрения АСУ, реализовать информационную технологию принятия управленческого решения в процессе функционирования автоматизированной системы. Этап предпроектного анализа с учетом современных информационных технологий может быть разбит на ряд неформальных этапов, на которых остановимся далее.

Разработка проекта включает в себя выполнение технического и рабочего проектов. В основе общего технического проекта АСУ лежит созданное на предшествующем этапе техническое задание. Технический проект формально содержит ряд типовых разделов, а по существу в нем должны быть представлены экономико-математические модели управления и обработки информации и соответствующие им алгоритмы с учетом существующих либо специально разрабатываемых пакетов прикладных программ. В техническом проекте должны быть определены необходимые технические средства реализации АСУ. Особое внимание на стадии технического проекта следует уделить подготовке информационного обеспечения. Разработчик должен определить состав структуры информационной базы системы, пути оптимизации документооборота. При создании информационного обеспечения должны быть использованы знания, полученные на этапе предпроектного анализа предприятия. Созданный технический проект подлежит утверждению, на его основе разрабатывается рабочий проект, содержащий техническую документацию по всей системе. На стадии рабочего проектирования разрабатываются и сдаются заказчику обеспечивающие подсистемы АСУ. Обеспечивающие подсистемы снабжаются инструкциями по их эксплуатации. Для оригинальных систем наряду с техническим и рабочим проектом может существовать предварительная стадия эскизного проектирования. На этой стадии из возможных альтернативных вариантов структуры системы, алгоритмов управления, обработки информации выбирается наилучший вариант, который закладывается в дальнейшем в основу технического и рабочего проектирования. При наличии рабочего проекта осуществляется ввод автоматизированной системы в эксплуатацию.

Ввод системы в эксплуатацию можно разделить на опытную эксплуатацию и промышленную эксплуатацию системы. После завершения строительно-монтажных и пуско-наладочных работ автоматизированную систему сдают в опытную эксплуатацию, во время которой выявляются недостатки разработки АСУ, вводятся усовершенствования, осуществляется отладка программного обеспечения. Одновременно дорабатываются инструкции, выявляются слабые места в созданной системе и осуществляются сдаточные испытания системы заказчику, после чего разработанная система передается в промышленную эксплуатацию. В процессе промышленной эксплуатации наряду с совершенствованием системы возможно и дальнейшее ее развитие в части расширения спектра решаемых функциональных задач, увеличения числа оптимизационных задач и охвата автоматизацией новых функций управления. Отметим, что до настоящего времени при разработке АСУ отрицательное влияние оказывает слабое участие заказчика практически на всех стадиях разработки. Особенно это сказывается на начальном этапе предпроектного анализа, когда закладываются основные решения по будущей системе. Ошибки, возникшие на этом этапе, ведут к огромным экономическим потерям и временным задержкам внедрения АСУ.

До сих пор зачастую отсутствует экономическое обоснование принятых технических заданий на систему. Выбираемые технические средства не удовлетворяют требованиям перспективного развития системы. Социальные и психологические аспекты создания и внедрения АСУ зачастую не учитываются. Сокращение сроков разработки АСУ при одновременном повышении качества проектных решений возможно на основе использования новых информационных технологий. Информационная технология должна стать фундаментом автоматизированного проектирования АСУ. Глобальная информационная технология должна исходить из общей математической модели управления. Трудность формулировки такой модели состоит в том, что с увеличением степени ее универсальности наблюдается уход от конкретных особенностей объекта управления. Из рассмотрения исключается качественная сторона объекта, т.е. в процессе абстрагирования возникает опасность неадекватности отражения обобщенной моделью требуемых законов управления объектом. Для устранения этого необходимо руководствоваться общей методологией автоматизированного проектирования АСУ, в основу которой закладываются следующие принципы.

1. Наличие для каждого объекта управления общей математической модели управления, которая является исходной при проектировании. Эта модель должна включать обобщенную математическую модель производственного процесса в области допустимых значений управляемых параметров, целевую функцию и критерий управления, а также ограничения на технико-экономические показатели предприятия. Общая математическая модель формально выражает критерий управления, однако не учитывает специфику производства конкретного вида продукции. Возникает необходимость перехода к частным математическим моделям, описывающим управление реальными объектами.

2. Представление процесса проектирования в виде последовательного перехода от модели АСУ высокой степени обобщенности к более детальным моделям. Общее представление о структуре и функциях АСУ дает концептуальная модель. Она качественно отображает цель, задачи и функции управления или структуру вычислительной системы с определением состава и конфигурации технических и программных средств. Более детальной и формализованной является логическая модель, которая содержит описание задач и алгоритмов, реализуемых в АСУ. В логической модели определяются также время решения каждой задачи и степень агрегирования информации, необходимой для реализации алгоритмов. Пути реализации АСУ в терминах обеспечивающих подсистем задает физическая модель, которая определяет систему обработки данных, лежащую в основе функционирования АСУ.

3. Поддержание как в процессе проектирования, так и в процессе эксплуатации, связи с конечным пользователем в системе, что позволяет осуществить более обоснованный выбор проектных решений, а также модифицировать систему в условиях промышленной эксплуатации. Средства информатики в виде алгоритмических языков высокого уровня и генераторов прикладных программ позволяют эффективно реализовать такую связь.

4. Наличие средств генерации проектных решений, возможности их воспроизведения в интерактивном режиме с помощью ЭВМ. Это позволит создать гибкую систему управления, адаптируемую к требованиям заказчика, а также перестраиваемую в соответствии с необходимыми путями развития системы.

5. Инвариантность основных проектных процедур к применяемым при создании АСУ техническим и программным средствам. Этот принцип может быть реализован только при непрерывном совершенствовании самих процедур, которые должны учитывать возможности развивающихся перспективных программно-аппаратных средств информатики.

Нетрудно видеть, что в основе рассмотренной концепции автоматизированного проектирования АСУ лежит модельный подход, для которого характерной является предпосылка о наличии общей математической модели управления. Практика применения модельного подхода показала возможность существенного несоответствия модели и реальности, что не раз приводило к неэффективному, использованию создаваемых АСУ.

Особенности макро- и микропроектирования автоматизированных систем. В технической литературе уже описывался формальный подход к стадиям разработки АСУ с выделением логических этапов - внешнего, макропроектирования, и внутреннего, микропроектирования. На этапе макропроектирования определяют цель создания АСУ, на этапе микропроектирования - средства реализации системы. В соответствии с модельным подходом на этапе макропроектирования формируются концептуальная и логическая модели, а на этапе микропроектирования – физическая модель.

Последовательность разработки автоматизированной системы с выделением этапов внешнего и внутреннего проектирования представлена на рис.2.1.

Рис.2.1. Содержание этапов внешнего и внутреннего проектирования АСУ

Этап макропроектирования включает в себя подэтапы анализа и синтеза. Подэтап анализа предназначен для изучения объекта управления (ОУ) и окружающей среды (С), выявления ресурсов и ограничений (РО) при формировании глобальной цели управления (Ц) на основе выбранных критериев эффективности (К). Критерием управления обычно выступает максимум прибыли при ограничениях на номенклатуру выпускаемой продукции. Общая математическая модель управления (ОММУ) является исходной для подэтапа анализа. Она, включая в себя цель и критерий управления, обобщенно характеризует объект. Более детально его свойства раскрываются в модели объекта (МО). Подэтап синтеза предназначен для выбора стратегии управления (СУ) и формирования на ее основе модели автоматизированной системы, которая представляется совокупностью моделей. Этот подэтап реализуется на концептуальном и логическом уровнях. Концептуальный уровень означает создание модели предметной области (МПО), которая ориентирует разработчика в направлениях декомпозиции ОММУ на частные математические модели управления (ЧММУ). Знание этих моделей позволяет сформировать идеологию автоматизированного решения задач управления на базе организации данных и вычислительного процесса, что отображается в концептуальной модели (КМ). Логический уровень позволяет формализовать задачу синтеза АСУ, обеспечивая формирование алгоритмической модели (AM). Модель АСУ должна отображать на логическом уровне организационную, функциональную, алгоритмическую и техническую структуры АСУ. Организационная структура АСУ соответствует организационной структуре объекта, которая при создании АСУ должна совершенствоваться. Функциональная структура отображается перечнем функций, реализуемых системой с распределением их по уровням управления и подразделениям предприятия. Алгоритмическая структура определяется совокупностью взаимосвязанных алгоритмов по решению задач управления, отображаемых в виде вычислительных задач АСУ. Техническая структура задается архитектурой используемых технических средств. Этап макропроектирования в настоящее время является слабо формализуемым.

Этап микропроектирования соответствует физическому проектированию системы и включает создание организационного (ОО), информационного (ИО), математического (МО), алгоритмического (АО), программного (ПО), технического (ТО), лингвистического (ЛО), эргономического (ЭО) и правового (ПРО) обеспечений.

Организационное обеспечение (ОО) формируется на стадии предпроектного анализа и имеет целью обследование существующей системы управления, ее совершенствование, разработку организационных решений по составу, структуре, взаимосвязям подразделений. Оно задает организационную структуру предприятия в условиях АСУ и включает в себя методы, средства, техническую документацию и персонал. Методы базируются на общеотраслевых руководящих методических материалах по созданию АСУ, содержат методику предпроектного обследования, а также методические материалы по разработке и внедрению АСУ. К средствам можно отнести типовые структуры управления, унифицированные формы документов, направленные на формирование состава задач с возможностью их решения в рамках этих структур на базе имеющихся пакетов прикладных программ. Техническая документация отражает результаты предпроектного анализа, т.е. техническое задание и технико-экономическое обоснование, и включает себя материалы по разработке и внедрению АСУ. В качестве персонала, обслуживающего организационное обеспечение, выступают главные конструкторы АСУ, специалисты предприятия, формирующие функциональные задачи управления, а также инженеры - системотехники по постановке и решению этих задач.

Информационное обеспечение (ИО) определяет размещение и формы организации информации, используемой в автоматизированном управлении. Оно представляет собой совокупность методов и средств построения и реализации информационной базы. Внемашинное информационное обеспечение, базируясь на принципах автоматизации информационного процесса подготовки и представления информации, включает в себя систему кодирования и классификации, нормативно-справочные документы, оперативные документы, методические и инструктивные материалы. Информация здесь обычно отображается в виде документов, движение которых в процессе функционирования АСУ реализуется в соответствии с организационной структурой. Внутримашинное информационное обеспечение включает в себя информационные массивы, что составляет основу информационной базы системы. В условиях перехода к новой информационной технологии должны изменяться структура и форма представления данных в информационной базе. При этом возникает необходимость хранения знаний, интеллектуализации доступа пользователя, адаптации информационной базы к предметной области. Информационное обеспечение реализуется в виде банков данных и банков знаний, в основе их построения лежат модели накопления данных и представления знаний.

Математическое обеспечение (МО) представляет собой совокупность методов и средств, позволяющих строить экономико-математические модели решения функциональных задач управления. Оно включает в себя средства математического обеспечения, документацию, методы выбора или построения математического обеспечения и персонал. В состав средств входят модели и методы решения типовых функциональных задач управления, математические средства моделирования, методы оценки качества получаемых решений. В документации дается постановка задачи, ее описание и экономико-математическая модель решения. К методам выбора и построения математического обеспечения можно отнести методы определения типа функциональной задачи управления, методы построения математических моделей, методы оценки адекватности математической модели поставленной задачи. Персонал математического обеспечения составляют инженеры — поставщики задач, специалисты по математическим моделям и вычислительным методам. В процессе развития информационной технологии и ее средств состав математического обеспечения систем непрерывно расширяется. Наряду с традиционными математическими моделями решения хорошо формализуемых задач начинают использоваться в практике новые методы решения плохо формализуемых задач на базе моделей представления знаний. Существенной стороной совершенствования математического обеспечения становится доступность математических моделей для пользователя конкретной предметной области. С этой целью наряду с машинным и общесистемным получает развитие специальное математическое обеспечение, разработка которого в настоящее время является одной из наиболее существенных и трудоемких стадий физического проектирования. В значительной степени оно определяет как время, так и стоимость разработки системы. Типизация структуры и средств математического обеспечения позволяет подойти к проектированию алгоритмов управления.

Алгоритмическое обеспечение (АО) включает в себя средства построения алгоритмов и документацию. Задача, решаемая при автоматизированном управлении, реализуется совокупностью взаимосвязанных алгоритмов, что и обеспечивает автоматизацию некоторой функции управления. В содержание задачи обычно включают целевое назначение, экономико-математическую модель, функциональную и информационную связи с другими задачами, способы реализации на базе ЭВМ и приближенные оценки эффективности. На этапе физического проектирования исходным для разработки алгоритмического обеспечения является документ «Постановка задачи и алгоритм решения», в котором излагаются организационно-техническая сущность задачи, ее информационная база и алгоритмизация решения. Существующие в настоящее время методы построения алгоритмов в основном не содержат формальной основы для их автоматизированного синтеза, т.е. разработка алгоритмов представляет творческий процесс. Разработчику обычно предоставляется определенная методика по процессу алгоритмизации задачи, включающая в себя выделение предполагаемых операторов, запись содержания действий, установление порядка их выполнения.

При этом рекомендуется реализовать ряд типовых этапов по разработке алгоритма, к которым можно отнести следующие: описание общего замысла алгоритма, формализация задачи, разработка обобщенной схемы алгоритма, разработка структуры отдельных блоков, определение возможности применения стандартных блоков, стыковка блоков алгоритма, разработка блоков логического контроля, оптимизация схемы алгоритма, уточнение поля информации, оценка машинного ресурса для реализации алгоритма.

Учитывая, что для традиционных задач управления уже разработаны типовые алгоритмы решения, в первую очередь при построении алгоритмов необходимо учесть предшествующий опыт и использовать имеющийся задел. Документация алгоритмического обеспечения предназначена для того, чтобы достичь определенного уровня детализации алгоритма, при котором он может быть реализован программистом без дополнительных разъяснений. В соответствии с этим существует ряд форм представления алгоритмов, к которым можно отнести следующие: описание на естественном языке, задание в математической форме, графическая запись алгоритма, описание алгоритма с использованием информационных языков, представление алгоритмов с помощью алгоритмических языков. Обобщенное представление алгоритмического обеспечения дает вычислительный граф системы, построенный на основе модели процесса обработки. Весьма трудоемкой на этапе физического проектирования является работа по написанию программ.

Программное обеспечение (ПО) включает в себя операционную систему ЭВМ, пакет прикладных программ и проблемно-ориентированную систему программирования. Операционная система должна обеспечивать требуемый режим обработки данных, который с развитием средств вычислительной техники непрерывно совершенствовался в направлении приближения вычислительной среды к пользователю, в соответствии с чем, сформировался ряд этапов развития информационной технологии. Переход к новой технологии, предполагая персонализацию вычислений, позволяет организовать режим обработки, настроенный на задачи предметной области пользователя. В общем случае любая операционная система может быть разделена на управляющую и обрабатывающую части. Управляющая часть обеспечивает решение задачи в требуемом режиме, обрабатывающая транслирует содержание задачи, записанной на некотором языке программирования, во внутренний машинный язык представления. С помощью обрабатывающей части осуществляется также редактирование программных модулей и генерация необходимой конфигурации вычислительной системы в целом. Пакеты прикладных программ обычно состоят из программ общего и функционального назначений. Программы общего назначения реализуют типовые режимы работы вычислительной системы. Программы функционального назначения обеспечивают обработку данных. Проблемно-ориентированные системы предназначены для автоматизированного создания программного обеспечения. На их основе реализуются организация вычислительного процесса и ведение информационной базы.

Переход к новой информационной технологии означает решение проблемы автоматизированного синтеза программного обеспечения. Это возможно в том случае, если на логическом уровне алгоритмическое обеспечение представлено как последовательность действий над данными. Тогда содержательная постановка на решение вычислительной задачи должна быть переведена в формальную постановку на уровне спецификаций, в которых содержатся требования к создаваемой системе и в определенной степени отображается будущая ее реализация на ЭВМ. В условиях новой информационной технологии должны разрабатываться модели синтеза программного обеспечения, а также средства их реализации в виде программно-технологических комплексов, позволяющих от представления задачи на естественном языке на входе перейти к программам обработки на выходе. Огромное значение имеют точность и подробность составления спецификаций, что в значительной степени определяет уровень ошибок при последующей разработке программного обеспечения. Формализация спецификаций в настоящее время возможна на основе ряда известных методов, которым соответствуют отдельные методологии и разработанные системы.

Это эффективное средство совмещения понятий модели предметной области и формальной модели при соответствующей интеллектуализации интерфейса между пользователем-разработчиком и ЭВМ.

Техническое обеспечение (ТО) реализует автоматизацию информационных процессов, имеющих место при автоматизированном управлении. При этом средства информационной технологии как системы должны встраиваться в структуру автоматизированного управления. Физический уровень представления базовой информационной технологии позволил выделить подсистемы обмена, обработки, накопления данных и подсистему формализации знаний, которые становятся неотъемлемой частью структуры АСУ. Техническое обеспечение включает в себя технические средства, методические материалы и персонал. Средства обработки данных реализуются на базе различных типов ЭВМ, располагаемых на разных уровнях иерархии организационной структуры АСУ и объединяемых средствами обмена в виде информационно-вычислительных сетей. Средствами накопления являются автоматизированные банки данных, включающие в себя информационную базу и СУБД. Средствами формализации знаний являются базы знаний и интеллектуальный интерфейс, обеспечивающие доступ пользователя к знаниям по запросу, реализуемому в естественной для него форме. С развитием персональных ЭВМ наибольшее значение при реализации автоматизированного управления приобретают распределенная обработка данных и управление. В этих условиях наметился переход к распределенным банкам данных и знаний с объединением пользователей на основе коммуникационной системы для принятия коллективных решений.

Лингвистическое обеспечение (ЛО) представляет собой совокупность языковых средств, применяемых на различных этапах разработки автоматизированной системы. В его состав входят, прежде всего, языки высокого уровня, которые обеспечивают описание постановки задачи в терминах модели предметной области. Результаты обследования предприятия могут отображаться с помощью информационных языков в понятиях, соответствующих информационному обеспечению системы. При разработке и эксплуатации автоматизированных банков данных находят использование языки управления и манипулирования данными. При создании алгоритмического и программного обеспечении применяют алгоритмические языки и языки программирования разного уровня. Следует отметить, что традиционные языки программирования строились с ориентацией на процесс, поэтому в них слабое отражение находят данные, что не позволяет эффективно использовать эти языки для представления знаний. Более адекватными оказываются специализированные языки представления знаний, в которых реализуется требование обработки символов и выполнения над ними нетрадиционных операций. При организации решения вычислительных задач существенное место занимают языки управления вычислительным процессом. В условиях интеллектуализации ЭВМ роль лингвистического обеспечения возрастает. Внедрение новой информационной технологии требует совершенствования языков общения пользователя с ЭВМ, приближения их к предметной области.

Эргономическое обеспечение (ЭО) представляет собой совокупность методов и средств выбора проектных решений, обеспечивающих оптимальные условия для высокоэффективной и безошибочной деятельности человека-оператора в автоматизированной системе. В состав эргономического обеспечения входят методы, методики, нормативно-справочные документы и технические средства, обеспечивающие формулировку и реализацию требований к рабочим местам человека в системе, условиям деятельности обслуживающего персонала. Благодаря этому предусматриваются меры по созданию нормативных условий взаимодействия человека и технической системы, что позволяет резко снизить вероятность ошибочных действий. Эргономические требования определяются характером деятельности, т.е. ролью человека в системе, и закладываются в процессе ее проектирования. Информационная технология дает возможность строить формализованные модели деятельности человека в технической системе и на основе количественной оценки ее параметров сформулировать обоснованные требования к уровню подготовки, формированию системы отбора, повышению квалификации кадров, работающих в контуре автоматизированного управления.

Правовое обеспечение (ПРО) представляет собой совокупность нормативных актов, определяющих организацию, цели, задачи, структуру, функции, а также правовой статус автоматизированной системы и ее составляющих. Создаваемые в рамках правового обеспечения нормативные документы должны определять правовые стороны как разработки, так и функционирования АСУ. В состав правового обеспечения наряду с законами, входят также приказы, инструкции и методические материалы министерств, ведомств, организаций, предприятий и учреждений, в рамках которых разрабатываются АСУ. Развитие информационной технологии должно быть отражено и в правовом регулировании отношений разработчика и заказчика в процессе создания системы. Методическими материалами должны определяться этапы разработки и используемые при этом средства информационной технологии. Особое внимание должно быть обращено на возможности доступа к банкам данных и банкам знаний, условия использования программного продукта, а также правовое положение пользователей в условиях распределенной обработки информации. В целом новая информационная технология позволяет формализовать и тем самым автоматизировать процесс проектирования системы, эффективность которого будет во многом определяться развитием ее средств.

Дата добавления: 2014-01-11