Новая информационная технология разработки АСУ

На рис.4.1 представлена последовательность разработки АСУ на базе информационной технологии. При этом методологически выделены четыре этапа проектирования: предпроектный анализ (ПА), концептуальное (КП), логическое (ЛП) и физическое проектирование (ФП). Разработка АСУ осуществляется на основе общеотраслевых руководящих методических материалов (ОРММ). В идеологическом плане разработчик системы, рассматриваемый как пользователь П, содержательно формирует постановку задачи (ПЗ) по созданию АСУ. В соответствии с системным подходом он должен руководствоваться целью функционирования системы (Ц), критерием качества (К), ресурсами и ограничениями (РО), при которых допускается функционирование создаваемой системы. Информационная технология (ИТ) предоставляет пользователю интеллектуальный интерфейс (ИИ), на основе которого он получает доступ к моделям, методам и средствам информационной технологии. По своему характеру такая технология может быть названа базовой, так как она направлена на проектирование системы. В соответствии с постановкой задачи пользователем с помощью средств информационной технологии реализуется выбор общей математической модели управления (ВОММУ), которая имеет экономическое содержание и переход от нее к формальной модели может представлять значительные трудности.

Рис.4.1. Последовательность разработки автоматизированной системы

на базе информационной технологии

Предпроектный анализ. Этап предпроектного анализа (ПА) включает в себя технико-экономическое обоснование (ТЭО) создаваемой АСУ и разработку технического задания (ТЗ). С позиций информационной технологии существенной задачей этого этапа является формирование модели предметной области (МПО), которая раскрывается совокупностью частных математических моделей управления (ЧММУ), задающих последующий этап проектирования. Знания о предметной области структурируются в процессе предпроектного анализа на основе обследования предприятия (ОП). Информационные связи между подразделениями задают его организационную структуру (ОСП). Отношение между подразделениями поддерживаются в процессе документооборота, т.е. движения документов при функционировании предприятия. Каждый документ содержит набор показателей, разрабатываемых в одном подразделении и используемых в ряде других.

Результаты обследования предприятия находят отражение в форме различных информационных моделей, которые могут представляться как информационно-логические, включающие в себя информационные схемы и таблицы содержания входной и выходной: информации для каждой операции преобразования, либо как информационные матричные модели с раскрытием показателей документов, их характеристик, подразделений - поставщиков и потребителей документов. Существуют разновидности информационных моделей, позволяющие выявить избыточную информацию в документах, определять существенные связи предприятия с внешними организациями, наглядно представлять структуры подразделений. Анализ, проведенный с помощью информационных моделей, позволяет сделать ряд выводов по существующей структуре управления предприятием, установить перечень операций, автоматизируемых на основе технических средств АСУ, исключить ряд процедур по преобразованию информации, отображаемых замкнутыми циклами, при переходе к автоматизированному управлению. Важным является также получение количественных характеристик циркуляции информации на предприятии с оценкой доли информации, сохраняемой в виде документов. Таким способом на основе обследования предприятия может быть осуществлено совершенствование организационной структуры (СОС) с переходом к организационной структуре (ОС) АСУ.

В ходе предпроектного анализа осуществляется также выявление функций управления (ВФУ) с определением тех, которые подлежат автоматизации, и формированием функциональной структуры предприятия (ФСП). Реализация автоматизированного управления на базе информационной технологии требует формирования комплекса функциональных задач (ФКФЗ), на основе которого с учетом назначения системы разрабатывается функциональная структура (ФС) АСУ. Внедрение информационной технологии в проектирование системы позволяет более обоснованно подойти к построению структуры с использованием моделирования и прогнозирования (МП) автоматизируемых функций управления. В условиях новой информационной технологии моделирование становится более доступным методом, что особенно важно при проектировании, так как проведение эксперимента на реальной системе с целью ее доработки для АСУ оказывается невозможным. Именно благодаря моделированию в рамках разумных затрат удается оценить альтернативные пути построения системы и выбрать наилучший. При этом основополагающим является определение доли автоматизируемых функций управления с последующей оценкой экономической эффективности (ОЭЭ). Отметим, что существующая технология моделирования разделяет модель предметной области и математическую модель, закладываемых в основу процесса-аналога. Совмещение этих моделей позволит автоматизировать процесс моделирования и поднять его эффективность.

Большие возможности предоставляет информационная технология и в плане автоматизации рутинных операций (АРО), связанных с обследованием предприятия и формированием информационной модели. Внедрение автоматизации процессов сбора, обработки, представления информации позволяет поднять производительность разработчика АСУ на стадии предпроектного анализа. В итоге оценке экономической эффективности реализации задач на основе общей математической модели управления формируется комплекс функциональных задач (КФЗ), что является входной информацией для информационной технологии как системы, встраиваемой в структуру автоматизированного управления предприятием. Отметим, что обозначенная на рис.4.1 информационная технология (ИТ) есть технология проектирования. В рамках создаваемой АСУ формируется информационная технология, реализуемая на логическом уровне в виде формальной модели решения задач и модели организации информационных процессов. Информационная технология проектирования системы ИТ позволяет автоматизировать формирование модели предметной области (ФМПО) за счет интеллектуализации имеющейся в распоряжении пользователя ЭВМ. Создаваемая при нем база знаний дает возможность в автоматизированном режиме сформировать из отдельных фрагментов, соответствующих функциональным задачам, модель предметной области.

На стадии предпроектного анализа формируется и техническое задание (ТЗ) на систему, которое дает основу для концептуальной модели создаваемой системы. Наличие сформированного комплекса функциональных задач позволяет разбить их по уровням управленияи, используя ОММУ, построить стратегию управления (СУ), которая оптимально реализуется в модели автоматизированной системы (МАСУ). Такая модель задает состав системы и взаимосвязи между отдельными элементами, т.е. в совокупности - структуру (САСУ), которая отображается в организационном, функциональном, алгоритмическом и техническом аспектах. В условиях новой информационной технологии совмещение понятий модели предметной области и формальной модели позволяет автоматизировать процесс проектирования. Для этого результаты обследования предприятия должны представляться как исходные данные построения структуры.

Функциональная структура АСУ может также проектироваться в терминах формальной модели, если она концептуально известна из функциональной структуры предприятия и заданы операторы преобразования, связывающие входы и выходы каждого функционального элемента, что позволяет формализовать функциональные задачи, подлежащие автоматизации. При отсутствии явных выражений операторов возможна оценка функций каждого элемента по реакции выхода на изменение состояния входа. Тогда для формализации может быть использован матричный аппарат.

При известной структуре АСУ существенное влияние на эффективность оказывает очередность разработки функциональных задач (ОРФЗ). Несмотря на различные подходы к этому, обычно в первую очередь разрабатывают задачи, дающие наибольший экономический эффект. В итоге предпроектного анализа наряду с формированием модели предметной области осуществляется с использованием средств информационной технологии декомпозиция общей математической модели управления (ДОММУ) на частные модели, которые обеспечивают решение конкретных функциональных задач (ФЗ). Имея выделенные функциональные задачи, приступают к конструированию автоматизированной системы обработки данных, для которой входной информацией является полученный комплекс задач. Как ранее указывалось, реализация функциональных задач на основе информационной технологии означает переход к формальной постановке задачи, нахождение конкретной модели ее решения, для чего функциональная задача переводится в вычислительную.

Концептуальное проектирование. Целью концептуального проектирования является разработка идеологии решения задач (ИРЗ), организация вычислительного процесса (ОВП) и организация данных (ОД). Идеология автоматизированного решения задач определяет последовательность этапов решения, зависящую от возможностей формализации задачи. Способ решения задачи однозначно определяется принятой математической моделью, ей соответствует типовой метод решения. Таким образом, комплекс функциональных задач на основе концептуального проектирования преобразуется в последовательность вычислительных задач. На базе информационной технологии осуществляется формирование формальной модели, т.е. определяется модель решения задачи. Сформированная последовательность вычислительных задач задает исходные данные для организации вычислительного процесса.

С позиции новой информационной технологии вычислительный процесс рассматривается как обработка данных. По состоянию данных осуществляются контроль и управление вычислительным процессом. Организация данных базируется на концепции базы данных. Известные типовые модели баз данных предоставляют широкие возможности для организации информационных массивов и связей между данными, позволяют проводить оптимизацию на логическом уровне структур данных независимо от способов представления их в памяти ЭВМ.

Структурирование данных в виде совокупностей для реализации отдельных вычислительных процедур привело к формированию в базах декларативных знаний, описывающих предметную область пользователя. Особенно важным это оказывается при решении плохо формализуемых задач. Центральное место в вычислительной системе начинает занимать база знаний, содержащиеся в ней декларативные знания оказываются независимыми от вычислительных процедур и реализующих их программ. В базе знаний постепенно осуществляется совмещение понятий предметной области и понятий модели решения задач. Среди функциональных задач автоматизированного управления заметное место занимают именно плохо формализуемые задачи, для которых непригодны строгие аналитические модели решения. Пользователь для этих задач применяет эвристические соображения, базируясь на опыте и интуиции. В таких задачах существенную помощь может оказать новая информационная технология, автоматизирующая в значительной степени процедуры их решения на ЭВМ. Для этого в структуру интеллектуального интерфейса вводят решатель задач, который строится на основании следующих подходов.

1. Дедуктивный подход. Он базируется на логическом программировании. Этой модели соответствует наглядное отображение в виде графов редукции и пространства состояний. Плохо формализуемая задача в рамках данной модели на основе определенных аксиом описывается в дизъюнктивной форме логики предикатов первого порядка, решение задачи означает сведение ее путем логических преобразований к элементарным задачам, для которых существуют типовые решения.

2. Индуктивный подход. Он предполагает формирование индуктивных обобщений на основе правдоподобных выводов из имеющихся достаточно частных утверждений. Механизм правдоподобного вывода может иметь детерминированный и вероятностный характер. Исходные утверждения как элементарные высказывания, составляют базу данных, отличительной особенностью которых являются неполнота информации по имеющимся фактам, формируемым как результаты экспериментальных исследований. Для заданной предметной области должно существовать множество аксиом, которые закладываются в базу знаний и позволяют для простых случаев решения задачи устранить неполноту информации. База знаний пополняется на основе существующих правил правдоподобного вывода путем анализа имеющейся исходной информации.

3. Метод программируемых доказательств. Он предполагает поиск решения задачи в некотором пространстве в виде пути. В процессе решения пространство поиска должно быть сведено к некоторой незначительной его части, содержащей решение. Это соответствует идеологии системы с программируемой стратегией поиска решения. Решение представляется в виде совокупности продукций, позволяющих идти от исходной постановки задачи через промежуточные подзадачи с выходом на окончательное решение. Подзадачи можно рассматривать как некоторые промежуточные подцели, движение к которым возможно с использованием различных стратегий, а поэтому должна задаваться последовательность используемых стратегий в виде совокупности команд специального языка управления решением. Реализация метода программируемых доказательств возможна на основе алгоритмической модели представления знаний. Этот метод обычно реализуется в результате активного диалога между пользователем и ЭВМ.

4. Интегральный подход. Этот подход предполагает совместное использование новой информационной технологии и существующих стандартных пакетов прикладных программ, предназначенных для решения элементарных задач. Одновременно здесь широко используются возможности диалогового режима отладки программ и коррекции получаемых решений. Метод базируется на логической модели представления знаний, реализуемой в виде средств программируемых доказательств, на модели представления знаний в виде семантических сетей, а также на существующих пакетах прикладных программ. Взаимодействие различных средств решения задач проявляется в структуре интеллектуального интерфейса в виде логического, концептуального и базового решателей. В зависимости от сложности поставленной задачи возможности этих уровней используются по-разному. Пользователем формулируются условия решения задач, с помощью концептуального и логического решателей формируется план решения, при этом пространство поиска решений разбивается на отдельные части, которые соответствуют классам, подклассам, типам задач. Структуризация пространства поиска осуществляется на основе функциональных зависимостей, отображаемых функциональными сетями (частным вариантом семантических сетей). При наличии плана решения задачи базовый решатель формирует программу решения с использованием набора прикладных программных модулей, которые существуют в традиционной технологии решения вычислительных задач. Таким образом, в рамках новой информационной технологии получают развитие методы решения и плохо формализуемых задач. При известной идеологии решения организация вычислительного процесса и организация данных тесно взаимосвязаны.

Требования к характеристикам вычислительного процесса вытекают из характера функциональных задач управления, решение любой задачи требует определенного ресурса, при этом общий ресурс органичен. Автоматизированное управление любым объектом предполагает определенную последовательность реализации функциональных задач, что позволяет спланировать вычислительный процесс. Вычислительный процесс может рассматриваться как:

технологический, предметом труда которого выступает вычислительная задача, продуктом труда - данные, отражающие результаты решения задачи, а орудием труда - вычислительная система. В ходе этого процесса существуют оптимальные моменты времени запуска и выпуска вычислительных задач, при которых достигается наибольшая эффективность функционирования автоматизированной системы. Это накладывает существенные ограничения на планирование вычислительного процесса. Реализация конкретных вычислительных процедур осуществляется в соответствии с возможностями вычислительной системы и тем планом, который формируется в ходе диспетчирования задач. Оптимизация процесса осуществляется путем разбиения каждой вычислительной задачи на отдельные информационно-вычислительные работы и формирования целесообразной их совокупности с учетом ресурса системы. Так как любая информационно-вычислительная работа декомпозируется далее на действия с данными, то от выбора структур данных в значительной степени зависит качество вычислительного процесса. При организации данных необходимо опираться на стабильные структуры данных с изменением их значений в процессе функционирования системы. Таким образом, в итоге концептуального проектирования формируется концептуальная модель, которая определяет организацию вычислительного процесса в соответствии с требуемым графиком запуска - выпуска задач, что является исходной информацией для следующего этапа.

Логическое проектирование. Целью логического проектирования (ЛП) является переход к алгоритмической модели (AM), представляющей собой совокупность алгоритмов (А) по решению вычислительных задач. Алгоритмы формируются на основе выбранных моделей решения задач, полученных с помощью средств информационной технологии. При известной формальной схеме решения задачи возможно применение ряда альтернативных алгоритмов. Выбор наилучшего из них осуществляется пользователем в автоматизированном режиме с учетом соответствующих критериев качества. Алгоритм задает перечень информационно-вычислительных работ, входящих в процедуру решения задачи. В соответствии с моделью обработки данных (МОД) эти работы на стадии планирования компонуются в оптимальные совокупности и рассматриваются далее как заявки на обслуживание. На этапе логического проектирования создаются модели планирования и организации вычислений. На основе теории массового обслуживания нетрудно оценить вероятностно-временные характеристики вычислительного процесса. Конструктивным результатом реализации модели обработки данных является формирование вычислительного графа системы, отображающего взаимодействия вычислительных модулей при решении задач. На этапе логического проектирования он должен быть тесно увязан с информационным графом системы, который формируется при разработке модели накопления данных (МНД).

На логическом уровне информационно-вычислительные работы раскрываются как действия над данными. При наличии вычислительного графа для известной частоты активизации действий на основе модели накопления данных решается задача выделения и локализации сильно связанных данных, что позволяет объединить их в записи, а далее в информационные массивы. Последующая проработка модели накопления данных позволяет каноническую схему информационной базы, как основу для физического проектирования информационного обеспечения АСУ.

Совершенствование автоматизированного управления в части решения большего числа оптимизационных, а также трудно формализуемых задач должно осуществляться в направлении интеллектуализации системы. Этому соответствует разработка на этапе логического проектирования модели представления знаний (МПЗ). В зависимости от характера задач, принятых методов решения и возможностей современных программных средств получили применение различные модели представления знаний. В значительной степени применение той или иной модели зависит от характера знаний. Достаточно универсальными являются логические модели, которые эффективны для представления декларативных знаний. С их помощью на основе утверждений исходная задача сводится к элементарным задачам, для которых существует решение. Логические модели получили применение в таких предметных областях, где знания достаточно просты по структуре и невелики по объему. Определенное распространение получили модели представления знаний, основанные на аппарате семантических сетей. В этих моделях знания представляются как совокупность объектов и связей между ними. Семантическая сеть как ориентированный граф, включает в себя вершины, т. е. объекты (сущности) и дуги, т.е. связи (отношения между ними). В семантической сети могут быть выделены простые и сложные подграфы, которые отображают соответствующие факты реальной постановки задачи. Семантической сетью могут представляться объекты разной степени агрегирования, в соответствии с чем, выделяют конкретный, обобщенный и агрегатный объекты. При этом должны быть определены и типы связей. Существенным оказывается выявление фундаментальных отношений между объектами. Математически связи могут быть отображены с помощью функций отношений, тогда к сети приложим набор эквивалентных преобразований, допускающих дополнение сети новыми связями. С помощью семантических сетей весьма наглядно могут представляться как сами объекты, так и отношения между ними. Одна из разновидностей семантических сетей привела к фреймовой модели представления знаний. Фрейм можно рассматривать как фрагмент семантической сети. В нем концентрируется то, что существенно для объекта и его отношений в соответствии с решаемой задачей. С фреймом связываются и отдельные процедуры, позволяющие осуществлять вычисления по запросу, а поэтому фрейм может не содержать конкретных значений объекта. Использование семантических сетей и фрейма аппарата в настоящее время поддержано и определенным программным обеспечением.

Переход от информатизации производства к его интеллектуализации требует интегрированного использования различных моделей представления знаний, основой для этого может служить объектно-ориентированное программирование, в котором выделяются достаточно самостоятельные активные объекты (комплексы), включающие структуры данных и процедуры, которые между собой обмениваются сообщениями. Модели представления знаний являются логической основой конструирования баз знаний и экспертных систем на их основе, что позволяет перейти к следующему уровню автоматизированных систем - интеллектуальным АСУ. Внедрение персональных ЭВМ в автоматизированные системы приближает пользователя к вычислительному средству, вместе с тем процедура коммуникации как средство коллективного принятия решения требует объединения как пользователей, так и вычислительных средств на основе единой информационно-вычислительной сети. Методологической базой для организации такой сети является семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем и реализуемый на ее основе процесс обмена информацией. Поэтому на стадии логического проектирования при создании распределенных автоматизированных систем возникает задача разработки модели обмена (МО), которая может рассматриваться на нескольких уровнях. На физическом и канальном уровнях эта модель превращается в модель процесса передачи с соответствующей реализацией системы передачи данных. С помощью этой модели разрешается проблема оптимального использования канала связи в условиях заданного уровня действующих помех и известных физических характеристик канала. На сетевом уровне в структуру модели обмена входит математическое описание процесса коммутации, маршрутизации и ограничения нагрузки. Семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем позволяет конструировать процесс обмена данными, лежащий в основе распределенного автоматизированного управления. В итоге логического проектирования формируется алгоритмическая модель, являющаяся основой для перехода к следующему этапу проектирования.

Физическое проектирование. Целью физического проектирования (ФП) является разработка обеспечивающих подсистем на базе организационной и функциональной структур, моделей решения задач, организации информационных процессов и алгоритмической модели системы. Физическое проектирование должно осуществляться на типовых программно-аппаратных средствах, а поэтому создаваемая автоматизированная система по уровню своего развития (в части реализации) во многом определяется состоянием средств вычислительной техники и техники связи. Весьма важным требованием, которое необходимо соблюдать на этом этапе, является максимальная типизация всех обеспечивающих подсистем. Содержание организационного (ОО), информационного (ИО), алгоритмического (АО), математического (МО), программного (ПО), технического (ТО), эргономического (ЭО), правового (ПРО) обеспечении рассмотрено ранее. Физическое проектирование на современном этапе развития АСОИУ базируется на средствах информационной технологии, выпускаемых промышленностью. Таким образом, информационная технология позволяет не только по-новому рассматривать последовательность и содержание этапов проектирования АСОИУ, но и предоставляет дополнительные возможности по их реализации.

Дата добавления: 2014-01-13