Системный подход к автоматизированному проектированию. Составу системного подхода

Системный подход к проектированию.

Системный анализ и системное проектирование сложных систем. Принципы и задачи проектирования

Виды представлений системы.

Обеспечение целостности описания сложной системы.

Понятие целостного описания системы является центральным в системотехнической деятельности.

На его базе строится понятийный аппарат. Целостное описание системы должно давать представление о система как едином целом состоящем из взаимодействующих в интересах достижения поставленной цели частей.

Причинами затрудняющими получение целостного описания является многоаспектность и полидекомпозируемость систем.

Для обеспечения целостного описания системы необходимо решить следующие задачи:

- сформулировать совокупность представлений системы и проанализировать их взаимосвязи;

- выделить формы представления сложной системы;

- провести классификацию моделей, как форм представления сложной системы.

Существуют три основные формы представления систем:

- Ф – представление (функциональное);

- П – представление (процессное);

- М – представление (морфологическое).

На их базе могут быть построены более сложные представления систем, использующих и конкретизирующие атрибуты основных представлений.

Для однозначного поведения системы достаточно задать начальное состояние и уравнение движения, связывающее переменные состояний.

Системы функционируют в бесконечном пространстве состояний.

Иногда говорят, что существует равновесное состояние системы – состояние покоя. Равновесное состояние системы является необходимым элементом для определения более широкого свойства системы, охватываемое понятием устойчивости. Для состояния равновесия системы характерно отсутствие внешних воздействий или их взаимная нейтрализация.

Общее для всех систем:

- информация о задачах и целях управления;

- информация о процессе;

- информация, характеризующая управляющие воздействия;

- измерительные элементы;

- решающие элементы;

- объект управления.

Любую систему можно охарактеризовать совокупностью некоторых величин.

Набор значений этих величин в определенный момент времени называется состоянием системы.

Последовательность состояний системы во времени является движением системы, которое может быть задано различными способами.

Процесс разработки состоит в том, чтобы для новых создающихся объектов, найти и описать конкретные технические решения, которые будут удовлетворять всем выдвинутым требованиям технической задачи (ТЗ) и были бы наилучшими соответственно избранным критериям.

Методы создания объектов новой техники (ОНТ), которые применяются ныне, основанные на интеллектуальной деятельности проектантов, реализуются пока что с ограниченным участием компьютерных систем проектирования и рядом с формальными методами используются приемы интуиции, эмпирики, ремесла.

Автоматизация и оптимизация процессов создания ОНТ приналежат к области моделирования процессов мышления в соединении с разработкой строгих математических методов решения типичных традиционно проектных задач. В случае применения ЭВМ сначала автоматизируется ряд отдельных операций процесса проектирования, а потом - весь процесс. Цель проектирования состоит в поиске и фиксировании необходимой информации об объекте новой техники, которая обеспечивает возможность четкого и однозначного его материального воспроизведение.

Как известно, процесс проектирования (алгоритм) происходит по такой схеме:

· изучение и анализ проектной задачи и проектного задания, на основе которого такая задача составлена; при этом уточняются требования, цели и специфика использования объекта проектирования;

· определение общих контуров функциональной схемы набора вариантов с помощью логических построений, формальных методов и эмпирических приемов на основе опыта;

· анализ (оценка) начерченных и зафиксированных вариантов (альтернатив);

· возможные уточнения, доработка вариантов.

Заметим, что проектирование считается законченным, когда получены и зафиксированы все необходимые данные для создания объекта.

Процесс проектирования разделяют на две основных стадии:

· идентификацию или определение функциональной схемы и ее основных параметров (собственно проектирование - эскизный и аванпроект);

· конструктивную разработку общего вида принятой схемы и представления документации (конструирование и документирование).

На протяжении первой стадии проектанты разрабатывают общие контуры некоторого целого, на протяжении второй - подбирают, уточняют и конкретизируют его отдельные части.

Относительно основных творческих процессов первой стадии, то они состоят из множества чередующихся подопераций, назначение которых состоит в многоразовом проведении синтеза и анализа возможных вариантов создаваемого объекта и принятие решения относительно выбора оптимального. Эти варианты формируются на основе аналогий, интуиции, представлений, опыта, а потом отобранный из них конкретизируется с помощью разнообразных приемов инженерной обработки, основным из которых является эскизная проработка.

Спроектировать - это найти и подготовить необходимые данные, которые в случае соблюдения определенных условий обеспечат создание объекта, который выполняет заданные функции и служит для достижения поставленных целей.

Итак, процесс проектирования состоит из двух больших стадий:

· нахождение пригодной (содержательной) идеи;

· реализация возможностей, которые эта идея предоставляет.

Моделирование как метод в проектировании основывается на замене объекта его моделью, которая, конечно, более простая и более дешевая чем оригинал. Модель (макет) находится в объективном соответствии с исследуемым объектом; его изучение (исследование) дает информацию об оделируемом объекте. Во время моделирования процессов проектирования для оптимизации и автоматизации проектных работ использования отдельных средств моделирования и отдельных аспектов бывает недостаточно, поэтому в дальнейшем возникает потребность в проведении комплексных исследований.

Проектное (техническое) задача - полный перечень всех требований и ограничений, которым должен удовлетворять создаваемый объект. Его назначение - служить исходным материалом для постановки и следующего формулирования одной или больше проектных задач, решение которых приводит к созданию объекта.

Термин "проектная задача" всегда более широкое чем термин "проектная задача". Укажем, что рассмотрения проектных задач должно предшествовать ознакомления и анализ всей проектной задачи.

Проектная задача - это исходная информация для дальнейших действий. Формирование такой информации происходит на основе изучения и анализа планово-экономических и научно-технических мировых показателей.

Объекты, подлежащие проектированию, можно поделить на простые и сложные. Так, для сложных объектов, исходя из общей задачи, разрабатывают совокупность отдельных проектных задач.

В зависимости от характера проектной задачи (от данных, которые приведены в ее условии и требованиях к решению) ее постановка может осуществляться по-разному. Наиполнее это происходит с использованием системного подхода, который дает возможность учесть сложность проектной задачи.

Процесс проектирования (с позиции математики) с заданными требованиями в условии проектной задачи представляет собой, если эти требования совместимы:

· при наличии множества решений - переопределенную задачу;

· при наличии одного решения - определенную задачу; если эти требования несовместимые:

· при наличии ни одного решения - неопределенную задачу.

Разработка методологии рационального проектирования сложных технических систем получила название системного проектирования, или системотехники.

Иногда системное проектирование трактуется как системный анализ, а системный подход называется комплексным.

Системный подход к проектированию - одно из молодых направлений науки; его выделели в самостоятельную дисциплину с своей аксиоматикой, теоретическим аппаратом и областями приложений. Есть системное проектирование устройств и машин (в том числе вычислительных), объектов строительства, заводов разных отраслей промышленности и др.

Полнее всего системный подход развит относительно проектирования систем управления, которые характеризуются сложностью решаемых задач и необходимостью рассмотрения проблемы в целом.

Системное проектирование - это методология решения сложных проблем, которая основывается на концепции системы. Система есть то, что решает проблему. Определяя "решение проблемы" как "целенаправленную систему", использование системного подхода ту самим дает возможность представить процесс решения проблемы как процесс создания и использования системы соответственно этапам ее жизненного цикла. При этом эффективность решения проблемы зависит, в первую очередь, от методов, которые применяются при этом. Пропускная способность, точность и прочие характеристики методов, которые входят в определенную целенаправленную систему, должны быть сбалансироввны между собою, а затраты на них должны отвечать заказу. В качестве примера, приведем схему (рис. 1) использование ресурсов (затрат, отнесенных к трудозатрат) и выполнение работ соответственно основным этапам жизненного цикла системы. По этой схеме можно качественно охарактеризовать сложную техническую систему (рис. 2).

Рисунок 1.1 – Схема распределения ресурсов в процессе системного проектирования

Рисунок 1.2 – Схема жизненного цикла сложной технической системы

В любой системе есть два основные и разные по роли процессы:

· основной;

· обратная связь (а также вход, выход и ограничение).

Понятие "процесс" является центральным понятием системного подхода в решении проблемы, которая представляет собой разность между существующей и желательной ситуацией.

Основное содержание системного подхода состоит не столько в формальном математическом аппарате, который описывает "системы", "решение проблемы" и не в специальных математических методах, а в концептуальном, т.е понятийном аппарате, в его идеях, подходе и установках.

Исходя из концепции системного проектирования, решение проблемы традиционно охватывает такие этапы:

· идентификация (выявление) проблемы;

· оценка актуальности проблемы;

· определение цели (установление критериев и ограничений);

· выявление (раскрытие) структуры системы и ее дефектных элементов;

· определение структуры системы для построения набора вариантов;

· нахождение, оценка и выбор варианта;

· подготовка решения (определение процесса реализации);

· согласование найденного решения (признание решение коллективом исполнителей и руководителей);

· запуск процесса реализации решения (реализация решение);

· управление процессом реализации решения;

· оценка реализации и ее следствий (эффективность).

Общая схема с использованием основных этапов приведена на рис. 3.

Этапы решения проблемы имеют общий характер, поскольку понятие "сложная система" содержит не только технические системы, а и промышленные предприятия, разнообразные организации и учреждения как системы (биологические системы, системы знаний и др.).

Рисунок 1.3 – Структурная схема системного подхода (нахождение, оценка и выбор альтернатов

Рассмотрим основные концепции системного проектирования относительно сложных технических систем как управляемых систем логико-динамического класса.

Под управляемой системой понимается система, которая:

· содержит подсистемы, любая из которых имеет собственную цель функционирования, подчиненную общей целые системы в целом;

· имеет большое количество связей между подсистемами;

· имеет разветвленную информационную сеть и т.п..

Итак, к проектированию управляемой системы следует подходить как к сложной системе.

Процесс системного проектирования сложной управляемой системы содержит два основных этапа: этап внешнего (макро-проектирования) и этап внутреннего (микропроектирования) проектирования.

Первый этап включает выбор функций, структуры системы и ее состава, а также определение системных характеристик и принципов функционирования подсистем. При этом основными вопросами здесь являются:

· разработка системы критериев (качества функционирование и оценки вариантов системы);

· построение архитектуры (состава) системы;

· исследование реализованных алгоритмов управления для принятой системы критериев;

· формализация процессов функционирования системы;

· разработка математической модели системы и ее подсистем;

· синтез и исследование оптимальных режимов функционирования системы и др.

Второй этап включает выбор и проектирование компонентов системы, то есть ее подсистем и агрегатов. Основная задача этого этапа состоит в разработке проектных решений, связанных с технической реализацией системы, оптимизацией характеристик, параметров системы и ее подсистем, на основе принятой математической модели, которая удовлетворяет критерии качества.

Системный анализ дает возможность сформулировать основные стадии, которые составляют основу системного подхода к проектированию управляемой системы:

· постановка задачи решение проблемы управления

· формирование путей решения проблемы (формирование вариантов системы, решающей проблему);

· разработка моделей системы;

· формирование критериев оценки системы и ее функционирование;

· выбор компромиссных вариантов системы.

Таким образом, решение проблемы должно содержать по крайней мере трех основные положения:

· четкое определение целей создания системы и совокупности решаемых ею задач;

· перечень и характеристики действующих на систему факторов, которые подлежат обязательному учету во время разработки системы и ее модели;

· выбор показателей эффективности процессов и качества результатов.

Для разработки методики расчета показателей эффективности, а также для исследования разнообразных свойств системы нужна ее математическая модель. Сведения о системе, полученные в результате моделирования и эксперимента, дают возможность обосновать оптимальную структуру системы, определить оптимальные значения ее параметров и убедиться в том, что выбранный вариант системы отвечает цели ее разработки и имеет достаточную эффективность.

Как итог, приведем определение проектирования с использованием системного подхода. Системное проектирование - это процесс построения проектов сложных объектов как целеориентированных систем в категориях системных свойств (построения, функционирование, развития) (рис. 4), системных ресурсов (время, средство, человеко-затраты) и структуры жизненных циклов (научных исследований, проектирование, изготовление и использование) (рис. 5).

Рисунок 1.4 - Блок-схема обобщенного алгоритма системного проектирования

Во время проектирования сложных систем часто осуществляется выбор одного из возможных вариантов системы. Критерием для такого выбора служит, в первую очередь, значение показателя эффективности системы, причем преимущество из эквивалентных показателей эффективности, получает менее сложный из них.

Рассмотрим такое свойство системы, как сложность. Во время создания системы сложность вычисляется соответственно выражению функции С = f(n, t, s_n), где n - число элементов множества; t - число типов элементов; s_n - характер распределения элементов по типам. Эта функция удовлетворяет таким условиям: область ее значений совпадает с множеством действительных чисел; она должна быть монотонной относительно количества элементов и количества их типов; она должна содержать информационную меру разнообразия множества.

Учитывая качество составляющих некоторого множества элементов, логически измерять сложность такого множества количеством его элементов, то есть С(А) = card А, где С(А) - сложность множества А.

Рисунок 1.5 – Системные свойства больших технических систем

Многообразие элементов можно оценивать с помощью формулы энтропии в статистической теории информации, считая, что вероятность появления i-го элемента р_i, =n_m/n, где n_m - число элементов m-го типа, к которого належит i-и элемент.

Итак, количественная мера сложности множества

С(A) = n (1.1)

На стадии эксплуатации как частный случай можно рассмотреть такое упрощение:

n

S = Σ Si Ki (1+ ν α) (1.2)

I=1

Тут Si — сложность отдельных элементов (i = 1, 2,..., n); Ki — число элементов і-го типа, которые входят в систему; ν — коэффициент, который учитывает сложность связей сравнительно с сложностью элементов системы;

М'
α = -------------- — относительное число реализованных связей,

N(N -1)

де М' — фактичне число pв'язків, реалізованих у системі;

n

N = Σ Ki,. — число элементов системы;

i=І

N (N — 1) — максимальное число связей между элементами.

Итак, функция сложности может использоваться для оценки комплексов, как сложных систем управлениz. Укажем, что возможны и другие подходы к оценке сложности.

При системном проектировании сложных управляемых систем часть этапов проектирования может отсутствовать. Так, ранние этапы могут быть представлены ТЗ на проектирование конкретной системы.

Дата добавления: 2014-01-05