Показатели (критерии) качества систем

На разных этапах проектирования (особенно часто на начальных этапах) перед разработчиком встает задача выбора наилучшего варианта из множества допустимых проектных решений, которые удовлетворяют предъявленным требованиям.

Неизбежной платой за попытку получить решение в условиях неполной информации об объекте проектирования является возможность ошибочных решений. Поэтому в такой ситуации Лицо, Принимающее Решение (ЛПР) должно вырабатывать такую стратегию в отношении принятия решений, которая хотя и не исключает возможность принятия неправильных решений, но сводит к минимуму связанные с этим нежелательные последствия. Для уменьшения неопределенности ЛПР может провести эксперимент, но это обычно дорого и требует больших затрат времени. Поэтому ЛПР должно принять решение о форме, времени, уровне эксперимента.

Само по себе принятие решения есть компромисс. Принимая решение, необходимо взвешивать суждения о ценности, что включает рассмотрение многих факторов, в том числе экономических, технических, научных, эргономических, социальных и т.д.

Принять "правильное" решение - означает выбор такой альтернативы из числа возможных, в которой с учетом всех разнообразных факторов будет оптимизирована общая ценность. Процесс принятия решения характеризуют следующие основные черты: наличие целей (показателей) оптимальности, альтернативных вариантов системы и учет существенных факторов при моделировании.

Понятие "оптимальное решение" при проектировании имеет вполне определенное толкование – лучшее в том или ином смысле проектное решение, допускаемое обстоятельствами. В подавляющем большинстве случаев одна и та же проектная задача может быть решена несколькими способами, приводящими не только к различным выходным характеристикам, но и классам систем.

Наибольший ущерб приносят ошибки при выборе совокупности показателей качества. Пропуск одного показателя может оказаться трагическим. Чтобы не делать таких ошибок, надо накапливать базу знаний всех совокупностей показателей, которые были использованы при проектировании конкретных систем. С другой стороны, использование традиционных совокупностей показателей не позволяет выходить на новые изделия. Выход из этого положения: определенную долю в процессе проектирования отводить под творческий поиск.

База знаний совокупностей показателей должна состоять как из общих, так и специальных (предметно-ориентированных) показателей. В настоящее время используют следующие классификации показателей:

1) показатели функционирования, характеризующие полезный эффект от использования программной системы по назначению, и область применения. (Например, библиотечная информационно-поисковая система характеризуется следующими показателями функционирования: максимальным объемом хранимых литературных источников; максимальным количеством одновременно работающих пользователей; списком обрабатываемых запросов; временем реакции на каждый запрос при максимальном количестве пользователей; временем ввода одной единицы хранения; возможным составом оборудования и др.);

2) показатели надежности, характеризующие свойства системы сохранять свою работоспособность во времени;

3) показатели технологичности, характеризующие эффективность конструкторско-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении;

4) эргономические показатели, характеризующие систему человек-изделие-среда и учитывающие комплекс гигиенических, антропологических, физиологических и психических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых условиях;

5) эстетические показатели, характеризующие внешние свойства системы: выразительность, оригинальность, гармоничность, целостность, соответствие среде и стилю;

6) показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень использования в системе стандартизированных изделий и уровень унификации его частей;

7) патентно-правовые показатели, определяющие число используемых патентов, степень патентной защиты, патентную чистоту;

8) экономические показатели, характеризующие затраты на разработку, изготовление, эксплуатацию системы, а также экономическую эффективность эксплуатации.

Среда проекта характеризуется возможностями капиталовложения, возможностями коллектива-производителя, научно-техническими достижениями, социальной и природной средой.

Чтобы произвести выбор оптимального варианта, надо иметь несколько вариантов реализации изделия. А для того чтобы их сравнивать, надо сформулировать ряд характеристик или ненормированных критериев. После нормирования характеристик в соответствии со шкалами, получаются нормированные критерии, которые удобны для анализа. Один из простейших способов получения нормированных значений критериев - это проставление экспертами оценок по пяти- или десяти - балльной шкале.

Когда фирма Borland Inc. создала свой компилятор, то она решила разработать демонстрационную программу, которая могла бы продемонстрировать наибольшее количество возможностей компилятора. В табл. 2.1. даются наименования критериев, варианты реализации программ и оценки по 5 балльной шкале. Всю эту таблицу составили обучаемые на одном из практических занятий. Ими же были выставлены оценки.

Таблица 2.1

Балльная оценка вариантов реализации программы по критериям

Варианты     Критерии	СУБД	ЭТ	ОС	Редактор текстов	Игра	Компилятор
Объем программы				2,5		-
Понятность						-
Новые знания						-
Интерес						-
Использование в собственных разработках						-

Поставка компилятора в исходных текстах может привести к его неквалифицированным массовым модификациям, что, вероятно, приведет к потере доверия к изделию и нанесет ущерб репутации фирмы. Данный вариант снят по надсистемным критериям, отсутствующим в таблице.

Система управления базами данных (СУБД) может быть большой или не очень программой. Главное в СУБД - мало понятные алгоритмы обработки данных. Интерес для пользователя представляет библиотека обработки данных, а не готовая программа.

Электронная таблица (ЭТ) предоставляет возможность демонстрации пользователю сборки программы из ряда программных файлов. Электронная таблица содержит функции редактора и интерпретатора арифметических выражений. Программа может служить примером реализации вычислительных алгоритмов. Сама программа и ее отдельные части могут вставляться в программы пользователей. Программа таблицы имеет средний размер.

Операционная система (ОС) может иметь любой объем. Понятность работы ОС невысокая.

Простой текстовый редактор представляет собой короткую программу, состоящую из нескольких подпрограмм. Сложный текстовый процессор получается из простого редактора экстенсивным дополнением большого количества сервисных функций с воспринимаемыми трудно алгоритмами.

Таким образом, именно для поставленных целей разработки побеждает вариант электронной таблицы. ЭТ включает в себя: клеточный редактор по идеологии функционирования близкий к текстовому редактору; алгоритмы работы с файлами сложной структуры; интерпретатор языка формул с исполнителем математических расчетов.

Фирма Borland Inc. с ранними разработками компилятора поставляла демонстрационную программу простейшей электронной таблицы MicroCalc (переименовав ее потом в TurboCalc). Поскольку и другие варианты реализации программ вызывают интерес у пользователей, фирма с поздними разработками компилятора начала поставлять и их. Так поставлялись: игра в шахматы с непонятными алгоритмами; текстовый редактор, как библиотечная программа; библиотека поддержки работы с базами данных. Сам компилятор в исходном коде фирмой Borland Inc. никогда не поставлялся.

Интегральный показатель. Наиболее разумным в мире признан экономический интегральный показатель:

Суммарный экономический эффект (прибыль) (руб.)

Q = max ----------------------------------------------------------------------

Суммарные экономические затраты (руб.)

Суммарные экономические затраты включают в себя затраты за весь жизненный цикл объекта: проектирование, изготовление, эксплуатация, амортизация. Либо числитель, либо знаменатель должны быть фиксированы (заданы).

Генеральный показатель. Если при проектировании удается выделить один показатель, которому отдается безусловное предпочтение, то он является генеральным показателем. Он принимается за целевую функцию. Показатели, которые не учитываются при проектировании - частные и оптимизация в этом случае - частная. Генеральный показатель, как правило, частный. При оптимизации генерального показателя другие показатели часто учитываются в ограничениях.

Свертки показателей в обобщенный показатель. Часто одним показателем невозможно учесть все свойства системы. Кроме того, показатели могут иметь разную размерность (например, при невозможности экономических оценок). То есть существует вектор показателей. Это задача векторной (многокритериальной) оптимизации.

Все известные методы векторной оптимизации непосредственно или косвенно сводят решаемые задачи к скалярной оптимизации. Иначе говоря, частные показатели каким-либо способом объединяются в обобщенный показатель. Если составной показатель получается в результате проникновения в физическую суть функционирования системы и обнаружения объективно существующей взаимозависимости между частными критериями и обобщенным показателем, то оптимальное решение является объективным. Из-за сложностей, а иногда из-за невозможности, обобщенный показатель зачастую на практике образуют путем формального объединения частных показателей, что вносит субъективизм ЛПР в решение.

В зависимости от того, каким образом объединяются частные показатели, различают следующие обобщенные показатели:

1) аддитивные;

2) мультипликативные;

3) минимаксные.

Если обобщенный показатель учитывает статистический разброс показателей, то имеется достоверный, по сравнению с детерминированным, статистический показатель.

Средневзвешенный арифметический (аддитивный) показатель вычисляется по формуле:

Q= Sc_iq_i

где

i=1,…,m

с_i - параметр весомости i-го частного показателя;

q_нi- нормированный или относительный i-й частный показатель (q_нi= q_i/q_io, где q_i - значение частного показателя; q_io- нормирующий делитель той же размерности, что и q_i).

Желательно, чтобы значение каждого q_нi принадлежало бы диапазону [0...1], i=1,m.

Если Sс_i=1, то параметры весомости называются коэффициентами весомости, а обобщенный показатель изменяется от 0 до 1 и называется средневзвешенным арифметическим показателем.

Мультипликативный средневзвешенный геометрический показатель вычисляется по формуле

Q = П(q_нi)^bi, i=1,…,m

где b_i - параметр весомости.

Геометрический показатель средневзвешен, если q_нi изменяется в области от 0 до 1, i=1,m и

S b_i=1, i=1,…,m.

Из рассмотренного выше видно, что арифметический и геометрический показатели обладают следующим свойством: одно и то же значение обобщенного показателя может быть достигнуто при разных значениях q_i^*, то есть оптимальное решение характеризуется не одним значением, а целым множеством, которое называется множеством Парето. Меняя значения с_i и b_i можно получать разные решения. Определение весовых коэффициентов сталкивается с серьезными трудностями и обычно сводится либо к использованию формальных процедур, либо экспертных оценок.

Минимаксный (максминный) показатель основан на принципе равномерного компромисса.

Принцип минимакса формулируется следующим образом: нужно выбрать такое X^* принадлежащее X_доп, при котором реализуется максимум из минимальных значений частных показателей, т.е.

Q(X^*)= max min c_iq_нi(X); i=1,m, X=(x₁,...,x_n).

Такой принцип выбора X^* иногда носит название "принципа гарантированного результата". Он заимствован из теории игр, где является основным принципом. _

Если частные критерии q_нi(X) следует максимизировать, то самым отстающим критерием является тот, который принимает максимальное значение.

Q(X^*) = min max c_iq_нi(X); i=1,m, X=(x₁,...,x_n).

Дата добавления: 2014-01-06