Проектные критерии системного проектирования

Проектный критерий - это условие достижения численной характеристикой желательного значения, которое дает возможность оценить степень соответствия принятого решения целИ, для достижения которой проводится сравнение и выбор разных линий поведения (планов, команд, графиков, параметров и т.п.).

Выбор критерия качества - один из самых ответственных этапов в построении математических моделей процессов управления, проектирования, принятия решений и др. Как правило, к системе управления предъявляются разнообразные, иногда противоречивые, требования. В общем случае невозможно получить решение, которое одновременно было бы лучшим соответственно каждому требованию.

В проектных задачах интуитивное представление о качестве системы управления дает возможность отдать предпочтение одной системе управления перед другой. Тем не менее в сложных задачах, где нужно учитывать большое количество факторов, иногда противоречивых, использование интуиции и опыта не всегда гарантирует рациональное решение, если они не подкреплены соответствующим анализом. Поэтому важно оценить, которые из этих факторов следует отнести к ограничениям выбора решение или как одно из них или несколько могут служить критериями качества результата и эффективност процессов.

Часто, как ограничение, используются характеристики системы управления, от которых в определенных условиях достаточно ожидать, чтобы их числовые значения не выходили из некоторого уже заданного диапазона. Одна из важнейших в таких условиях характеристика принимается как критериальная. Сравнению подлежат те характеристики, которые удовлетворяют принятым ограничениям (характеристики, которые находятся в заданной области). Лучшим есть решение, за которое достигается максимум или минимум (в зависимости от постановки задачи) целевой (критериальной) функции.

Выбор критерия качества сложной системы может учитывать ее характерные составляющие (построение, функционирование, усовершенствование).

Сложные системы можно классифицировать как регулярные (системы многократного, а также однократного функционирования) или нерегулярные.

Относительно регулярных систем укажем, что в них цели функционирования сохраняются и за пределами анализируемого промежутка времени (энергетическая система, промышленное предприятие и т.п.).

Проблема управления в большой регулярной системе содержит:

· выбор структуры управление подсистемами;

· определение целей функционирования системы в целом и любой из ее подсистем;

· определение методов оптимизации режимов работы.

В сложных системах задача выбору критериев качества функционирования, а также задача управления имеют характер проблемы и содержат:

· выбор частичных критериев функционирования подсистем;

· построение критерия эффективности большой системы как функция-предикат взвешенных частичных критериев;

· организацию иерархической системы критериев (при необходимости).

В общем случае критерий эффективности сложной системы выступает в функции нескольких частичных критериев, и вес любого из них может изменяться в зависимости от условий работы системы. Частичные критерии при некоторых условиях могут играть роль ограничивающих факторов.

Необходимость оптимизации сложной системы по сложным критериям с расхождением сменных взвешенных частичных критериев, а также необходимость учета разнообразных технических и экономических ограничений усложняют построение ее математической модели.

Исследование больших систем осуществляется с помощью функциональных характеристик - показателей соответствующих свойств - в такой последовательности:

· выбор в зависимости от назначения и характера большой системы функциональных характеристик – показателей соответствующих свойств - с дальнейшим выбором основного показателя;

· вычисление размера показателя качества и анализа характера большой системы (эффективности системы) во время ее моделирования, определение изменения показателя в случае изменения любого параметра системы;

· выбор показателей, которые характеризуют основные свойства системы, - функционалов (зависят от размеров изменения параметров и соответствующих увеличений показателей эффективности).

В теории больших систем критерии эффективности системы (подсистемы) не могут рассматриваться как заданные. Они существенным образом зависят от критериев эффективности системы более высокого уровня, в которую эта система входит как подсистема. Практически во время рассмотрения конкретных задач влияние довольно высоких уровней можно заменить поправками, которые основываются на приблизительных оценках. С учетом всех обстоятельств определение критериев эффективности может основываться не только на оценке мгновенного состояния анализируемой системы, а и на прогнозе ее поведения, исходя из разумной уступки между размерами эффекта и сроками его получение. Цели функционирования каждой системы более высокого уровня формулируются в более общих терминах, чем цели подчиненных им систем. Чем высший уровень системы, теми более комплексными и обобщенными показателями оценивается ее состояние. Этим определяется возможность обработки информации для выбора целесообразных управляющих влияний на высших уровнях иерархии функционирование.

Задача системного проектирования сложных систем предусматривает прежде всего определение:

· модели функционирования системы;

· модели оценки эффективности ее функционирования;

· структурных характеристик системы, которая существенным образом влияют на качество функционирования (оценка чувствительности);

· эффективных значений структурных характеристик системы соответственно заданной системы критериев качества и рядом других критериев.

Рассмотрим некоторые определения, характерные для теории систем.

Под функцией F системы, которую обозначим через θ, будем понимать ее действие (функционирование), обусловленную законченным количеством правил (алгоритмом), на основании которых может быть осуществленная физическая реализация этой системы, способная делать такое действие.

Совокупность функций Fj (j = 1, 2,..., N), присущих системе θ_д.о, определяет ее целевое назначение.

Целью функционирования системы θ_д.о есть некоторая композиция функций K_k{Fj}, сформированная, как правило, в виде внешнего дополнения за пределами системы. Система способна осуществлять действие (комплекс действий), если на множестве F(совокупности функций Fj.) осуществима композиция K_k{Fj}.

Сложность как свойство системы возникает во время ее проектирования, чаще - в результате нового методологического подхода, а потом уже из материальной природы объекта. Один и тот же объект (самолет, корабль, станок, ЭВМ или ускоритель частиц) рассматривается обычно во время проектирования как механическая, электрическая или элементарная система. Рассмотрев взаимодействие человека с объектом (то есть определив хотя бы первичную форму такого взаимодействия в виде композиции функций системы Kk{Fj} и расчленив объект на подсистемы, которые выполняют разнообразные функции Fps можно перейти к системному анализу объекта. Его функции подают как многокачественную (системную) модель. Системная модель в случае анализа функций объекта является первичной формальной конструкцией, которая начинает изучение взаимодействия подсистем с точки зрения единого критерия.

Решение задач распознавания образов представляет собой реализацию закона, который задается отображением

Fr;.<Са, Се, Cp> → Rr,

где Са - архитектурный базис (множество); Се - структура на Са; Ср - стратегия обращения образа; Rr - результат распознавания.

На сегодня отображение Fr поддерживается значительным количеством программных систем, которые обрабатывают звуковые и зрительные образы и реализуют целевое множество

E₁ при D₁,

...............

Е = E_i при D_i,

...............

E_n при D_n,

где Dі - область признаков, и = 1,..., n.

Как уже отмечалось, системным проектированием называется процесс получения проекта целенаправленной системы в базисе системных свойств, системных ресурсов и структур жизненных циклов, реализацию которого можно описать отображением

Fp: <Sν, Sr, Sc> → Кp,

де Sν — системные свойства; Sr — системные ресурсы; Sc — структура жизненного цикла системы; К_р — итоговый проект.

С позиции системного подхода Fр определяют как многоуровневые и многомерные преобразования исходных данных, итоговыми категориями которых являются аспекты построения, архитектурные и структурные характеристики, оптимальные параметры.

Сопоставляя оба процесса (распознавание образов и системного проектирования), имеем, что базисом их изучения могла бы служить системная модель, которая строится соответственно такой формуле: < цели > → < задачи > → < методы > → < алгоритмы > →

→ < программно-технические информационно-методические средства >.

Любую цель E_i,j можно представить так:

E_i,j = E_i+1,k¹ _j ^ˆ │ _ˇ E_i+1,k² _j ^ˆ │ _{ˇ ……} ^ˆ │ _ˇ E_i+1,k^l _j (1.3)

где k^m _j — номера целей (i + 1)-уровня, на которые декомпозируетсяся цель E_i,j,

m = 1,..., l..

Задачу можно представить в виде Z = <Az, Rz>, где Az - совокупность исходных данных; Rz - результат решения задачи Z. Данные задачи Z могут быть заданы как ее характеристики:

Wz = <Tz (Мz, Cz), Kz >,

где Мz — модель задачи; Сz — ограничения; Тz — метод решения; Kz — оценка результата.

Как следствие рассмотрения, результат есть отображением Rz = Tz(M_z, С_z)θA_z, где θ — знак композиции.

Алгоритм формализовано можно подать в таком виде:Е_а = <Q, Y, В, Н, Еz >,

где Q = < E_q, K_q, T_q, (М_q, С_q) > — ячейка схемы метода решения; Y - структура алгоритма; B - пространство данных; H - целевое множество; E_z є H.

Система Ес, реализующая уровень средств, представляет собой пятерку элементов Ес = < М, О, І, Р, Т> с такими обеспечениями: М - методическое, О - организационное, І - информационное, Р - программное, Т' - техническое.

Анализируя системную модель, следует учитывать, что ее структура одинаковая как для задачи распознавания образов, так и для задачи системного проектирования. Главное отличие между ними состоит в том, что глобальную цель в задачи распознавания разбивают на систему подцелей (декомпозиция): E → { E¹₁, E²₁, …, E¹₂, …, E ^m_n },

а для задачи проектирования систему подцелей, наоборот, сводят к единой цели (композиция):

m

∩ (E¹₁ U E²₂ U … U E^P_n) → E

p=1

Вышеприведенное, а также то, что решение задачи системного проектирования происходит в результате пересечения подпространств свойств, подчеркивают дуальность такой задачи с задачей распознавания образов.

1.5 Стратегии проектирования сложных систем

Проектирование как трехступенчатый процесс

Одно из простейших и наиболее распространенных наблюдений относительно проектирования, на котором сходятся многие авторы, состоит в том, что проектирование включает в себя три основные стадии: анализ, синтез и оценку. Простыми словами эти три стадии можно определить соответственно как "расчленение задачи на части", "соединение частей по-новому" и "изучение последствий от практического внедрения нового устройства".

Эти три ступени можно назвать дивергенцией, трансформацией и конвергенцией, причем названия эти в большей мере соответствуют новым задачам, связанным с проектированием систем, чем традиционным методам архитектурного проектирования и технического конструирования.

Дивергенция

Этот термин обозначает расширение границ проектной ситуации с целью обеспечения достаточно обширного — и достаточно плодотворного - пространства для поиска решения Дивергентный поиск характеризуется следующими основными чертами:

а) Цели неустойчивы и условны.

б) Границы задачи неустойчивы и неопределенны.

в) Оценка откладывается на будущее: все, что может иметь отношение к решении задачи, принимается во внимание, как бы сильно одно положение ни противоречило другому

г) Техническое задание, полученное от заказчика, принимается за отправную точку исследований, но при этом считается, что это задание может подвергатьcя изменениям и развитию в ходе дивергентного поиска, а может быть и на более поздних ступенях (однако не без согласия заказчика)

д) Задача проектировщика заключается в сознательном увеличении своей неуверенности, в освобождении от заранее заданных решений, в изменении стратегии мыслительной деятельности на основе массива данных, которые могут иметь отношение к решению задачи

е) Одна из целей исследований на этой стадии заключается в том, чтобы изучить реакцию заказчиков, потребителей, рынка, производства и т.п. на смещение целей и границ задачи в разных направлениях и в различном объеме. Направление исследований реакции во многом зависит от того, какие именно неувязки и противоречия обнаруживаются в сложившееся ситуации

Дивергентный поиск можно рассматривать как проверку на устойчивость всего, что имеет отношение к решению задачи, как попытку определить, что в иерархии социальных ценностей, систем, изделий и деталей (а также и умах тех, кто будет принимать ответственные решения) подвержено изменению, а что можно считать неподвижными точками отсчета. Стабильные и нестабильные точки одинаково часто могут встречаться как на низших уровнях, соответствующих изделиям и их составным частям, так и на высших уровнях коллективных целей и индивидуальных оценочных суждений; на этой ступени нельзя ожидать появления упорядоченной картины. Проектировщик должен по возможности воздерживаться от попыток втиснуть свои выводы в незрелую схему. Принятие решений нужно отложить до следующей стадии, когда проектировщик будет достаточно много знать обо всем, что связано со стоящей перед ним задачей, и на основе этих знаний сумеет предсказать вероятные последствия различных способов организации данных.

Необходимо отметить, что работа на этой стадии включает в себя как логические, так и интуитивные действия и требует "больше беготни, чем размышлений в кресле". Новички в области методологии проектирования обычно впадают в одну и ту же ошибку на этой стадий они слишком много занимаются спекулятивными размышлениями и не осознают необходимости сбора фактов прежде, чем можно будет принимать важные решения, и прежде, чем им самим станет ясно, чего они хотят. Навыками работы на этой предпроектной стадии гораздо легче овладевают лица имеющие опыт в таких областях, как журналистика, научно-исследовательская работа, статистический анализ данных, чем люди, получившие специальную подготовку по проектным специальностям, инженеры, архитекторы, художники - конструкторы, градостроители и пр. Проектировщикам часто приходится многому разучиваться, чтобы приобрести свободу, гибкость и широту взглядов, которые нужны до того, как будут приняты проектные решения, и до того, как станет целесообразно приниматься за что-либо похожее на окончательную проработку конструкции.

Вкратце можно сказать, что цель дивергентного поиска заключается в том. чтобы; перестроить или разрушить первоначальный вариант технического задания, выявив при этом те аспекты ситуации проектирования, которые позволяют получить ценные и осуществимые изменения. Проводить дивергентный поиск — это значит также с минимальными затратами и в кратчайшие сроки приобретать новый опыт, достаточный для того, чтобы противодействовать всем ошибочным установкам, из которых вначале исходили бригада проектировщиков и ее заказчики.

Трансформация

Это стадия создания принципов и концепций, пора высокого творчества, вдохновенных догадок и озарении всего, что составляет радость творческого труда при проектировании. Это же и самая ответственная стадия, когда совершаются крупные ошибки, когда могут восторжествовать необузданный оптимизм или узость мышления, когда необходимы большой опыт и здравомыслие чтобы не огорчить мир дорогостоящими и бесполезными или даже вредными результатами больших, но неверно направленных затрат человеческого труда. Это стадия, когда суждения о ценностях и о технических возможностях объединяются в решения, которые должны отражать реальные политические, экономические и эксплуатационные аспекты ситуации проектирования. Из всего этого возникает общая концептуальная схема проектируемого объекта, которая кажется удачной, хотя это и нельзя доказать. Как указывая Мангейм, оптимального решения достичь невозможно - можно лишь провести оптимальный поиск Невозможно обрести полную уверенность в том, что то, что делается, в конечном итоге окажется "наилучшим".

Для трансформации (которая может произойти неожиданно в любой момент, но которую нужно применять только после того, как дивергенция в значительной мере уже завершена характерны следующие основные черты:

а) Основная цель заключается в том, чтобы на результаты дивергентного поиска наложить некоторую концептуальную схему, (достаточно точную для конвергенции к единому проекту, а затем утвердить этот проект и закрепить его во всех деталях. Избранная схема должна отражать все реалии конкретной ситуации. Создание концептуальной схемы в данном случае представляет собой творческий акт преобразования сложной задачи в простую путем изменения ее формы и принятия решения о тем, что необходимо подчеркнуть, а чем можно пренебречь

б) На этой ступени фиксируются цели, технические задания и границы задачи,

выявляются важнейшие переменные, распознаются ограничения; здесь используются предоставляющиеся возможности и выносятся оценочные суждения

в) На этой же ступени задача расчленяется на подзадачи, причем считается, что

все подзадачи можно решать параллельно или последовательно и в значительной мере независимо друг от друга.

Инструментом на этой важнейшей стадии служат специальные слова и символы, придуманные для обозначения частей задачи. Из них составляется язык задачи, который кладется в основу дальнейшей работы

г) Важнейшими условиями успешной трансформации являются, во-первых,

свобода изменения моделей, позволяющая избежать серьезных потерь качества,

и, во-вторых, быстрота оценки возможностей и последствий реализации любой конкретной последовательности подцелей. Это второе условие почти невыполнимо, так как изменение подцелей означает переход к принципиально иному проекту. Такое изменение может вызвать фатальные задержки обратной связи от практического опыта, обеспечивающей поступление информации, необходимой для обоснованного выбора подцелей. На традиционном уровне проектирования изделий быстрая обратная связь обычно обеспечивается в значительной мере за счет опыта главного конструктора, а также за счет скорости и надежности, с которой он умеет оценить "на обороте старого конверта" различные альтернативные варианты конструкции. На уровне систем изменение подцелей требует испытаний альтернативных изделий и альтернативных деталей, поэтому здесь осуществимость проекта уже не удается прогнозировать исходя из имеющегося опыта или на основании эскиза. В этом случае основные надежды возлагаются на научную оценку. Как мы видели в гл. 4, одно хорошо проведенное испытание или один "акт прогнозирования" уже может дать информацию о возможностях осуществления целого ряда альтернативных инструкций изделия, в это расширяет "пространство маневрирования" проектировщика при трансформации всей системы.

д) На этой стадии ярче всего проявляется личность проектировщика Вообще говоря, чем более контрастна сложившаяся у индивидуума мысленная картина мира - существующего или потенциального, — тем большую нетерпимость он будет проявлять ко всем трансформациям, кроме той, которая представляется ему правильной. Вот здесь-то и может дать сбой "коллегиальное проектирование" Ставить на голосование можно только ту иди иную трансформацию целиком, без "перемешивания" соперничающих вариантов. Обычно можно предложить несколько трансформаций, каждая из которых обеспечивает достижение приемлемого (хотя и каждый раз иного) результата.

При трансформации структуры системных задач можно пользоваться как языковыми, так и математическими методами.

Конвергенция

Последняя из трех стадий охватывает то, что при традиционном подходе занимало почти все время проектирования, но что по мере автоматизации проектирования постепенно стали игнорировать. Эта стадия наступает тогда, когда задача определена, переменные найдены, а цели установлены. Теперь проектировщику необходимо шаг за шагом разрешать второстепенные противоречия до тех пор, пока из многих возможных альтернативных конструкций не останется одна - окончательное решение, которое и получит "путевку в жизнь".

Основные характеристики конвергенции таковы:

а) Настойчивость, жесткость мышления и методики здесь являются достоинством; с лабильностью и неопределимостью надо бороться. Основная цель на этом этапе — как можно быстрее уменьшить неопределенность, поэтому большую помощь здесь оказывает все, что способствует исключению альтернатив, не заслуживающих рассмотрения Главным же врагом является быстрый рост затрат при все более детальном анализе задачи по мере приближения к точке конвергенции. Самое главное решение, которое здесь необходимо принять, это установить порядок принятия решений, уменьшающих разнообразие. Насколько возможно, порядок этот должен быть обратным порядку их логической зависимости, что приводит к линейной стратегии без цикличности.

б) Подводным камнем при конвергенции является, несомненно, тот факт, что некоторые подзадачи неожиданно приобретают особую важность, так как они не могут быть разрешены без изменения ранее принятых решений, что приводит к цикличности. Цель "магической" стадии трансформации заключается в том, чтобы тем или иным способом придать задаче форму, при которой подзадачи предвосхищались бы или исключались действиями на более общем уровне

в) Модели, используемые для представления поля оставшихся альтернатив, в ходе конвергенции должны становиться менее абстрактными и более детализированными. При проектировании систем ни масштабным чертеж, ни прототип в натуральную величину не обеспечивают достаточной общности ни для одного этапа конвергенции, кроме самого последнего. На более ранних этапах конвергенции пригодны математические модели и абстрактные аналогии, в которых отражается сумма имеющихся знаний в области прикладных наук.

г) Для осуществления конвергенции возможны две диаметрально противоположные стратегии. Одна из них направлена от внешнего к внутреннему. Этой стратегией пользуется, например, архитектор, когда он, исходя из внешнего вида здания, определяет планировку помещений в нем. Вторая стратегия направлена от внутреннего к внешнему, и ею тоже может воспользоваться архитектор, если он исходит из функций или планировки отдельных помещений и лишь на этой основе приходит к решению о внешнем виде здания. По-видимому, опытный проектировщик чаще всего будет одновременно идти с обоих концов, ставя перед собой вопросы в точках встречи этих двух направлений, где часто возникают неувязки.

Подводя итог, можно сказать, что цель конвергенции - сократить поле возможных вариантов до единственного избранного проекта с минимальными затратами времени и средств и без необходимости совершать непредвиденные отступления. Это единственный аспект проектирования, который, видимо до конца поддается логическому анализу и который - по крайней мере в некоторых случаях — может быть целиком выполнен вычислительной машиной. Правда, здесь остаются некоторые сомнения. Вкратце они сводятся к тому, что логическое описание путей, которые в прошлом привели к нужной цели, может оказаться несостоятельным при следующем заходе.

Стратегии проектирования

Термин "стратегия проектирования" применяется здесь в значении определенной последовательности действий, выбираемой проектировщиком или группой планирования с целью преобразования исходного технического задания в готовый проект, т.е. как совокупность традиционных приемов технического и архитектурного конструирования. Решение о том, какие действия должны быть включены в стратегию проектирования, может быть принято с самого начала, или же можно менять стратегии в зависимости от результатов, полученных после выполнения предыдущих действий. Содержание каждого "действия проектировщика" определяется самим проектировщиком; некоторые действия могут быть основаны на новых методах типа описанных в этой книге; другие могут базироваться на традиционных приемах, таких как изготовление эскизов и масштабных чертежей; наконец третьи будут представлять собой новые процедуры, самостоятельно изобретенные проектировщиком. Лучше всего понимать стратегию проектирования просто как намеченную последовательность методов.

Целесобразно классифицировать стратегии проектирования по двум показателям:

а) степень заданности;

б) схема поиска

Заранее заданные, или готовые. стратегии жестко зафиксированы заранее, подобно программам ЭВМ. Они больше подходят для проектирования в знакомых ситуациях, чем для новаторской деятельности, т.е. для объединения или модернизации существующих конструкций, а не для изобретения новых изделий. Что бы ни говорили проектировщики практики, значительная доля работы пo проектированию совершался по предсказуемой схеме и, следовательно, может быть выполнена на ЭВМ. Правильный выбор стратегии проектирования чрезвычайно важен (особенно в САПР). Это определяет эффективность САПР. Ниже приведены некоторые стратегии проектирования технологических процессов (рис.5.4 – 5.7).

В идеале необходимо стремиться к выбору или разработке линейной стратегии проектирования, т.е. состоять из цепочки последовательных действий, в которой каждое действие зависит от исхода предыдущего, но не зависит от результатов последующих действий.

Она является идеальной особенно при проектировании с использованием ЭВМ. Эта стратегия имеет минимальную трудоемкость, максимальную надежность.

Циклическая стратегия (схема с петлями) характерна для многих программ ЭВМ и носит название итерационного процесса. Другими словами это процесс последовательного приближения к цели путем улучшения разрабатываемых вариантов.

Наличие параллельных этапов в разветвленной стратегии очень выгодно. Это позволяет сократить сроки проектирования.

В адаптивных стратегиях проектирования с самого начала определяется только первое действие. В дальнейшем выбор каждого последующего действия зависит от результатов предыдущего. В принципе это самая разумная стратегия, т.к. схема поиска определяется на основе наиболее полной информации. Эта стратегия используется при создании систем искусственного интеллекта.

Стратегия случайного поиска отличается абсолютным отсутствием плана. Она используется в новаторском проектировании, например, при разработке новых технологических процессов.

Необходимо добиваться максимальной линеаризации процесса проектирования с включением параллельных этапов, а цикличность стараться исключать, особенно на верхних уровнях проектирования. К сожалению, из-за недостаточной информации часто не удается задать линейную стратегию, которая особенно целесообразна в САПР.

Стратегия проектирования может детализироваться от одного уровня проектирования к другому. На определенных этапах проектирования приходится вводить методы управления стратегией (рис.5.8).

Целесообразно процесс проектирования разбивать на частные задачи. Результат выполнения каждой задачи оформляется в виде технического задания, которое дает информацию о последующем плане (стратегии) ее детализации (дальнейшего решения).

Дата добавления: 2014-01-05