9.1 Проектирование системы как процесс создания (синтеза) ее модели

Моделирование системы предвосхищает ее создание – прежде, чем что-либо создать, необходимо построить и исследовать модель будущей системы – проект системы.

Проектирование связано с понятием развития системы: в системе могут накапливаться противоречия, для разрешения которых необходима модернизация существующей или создание новой системы. В любом случае это требует разработки проекта системы.

В зависимости от конкретной задачи существуют различные определения понятия «проект».

В самом общем современном понимании: проект (англ. project) – это что-либо, что предполагается осуществить, - разработка новой техники или технологии, создание (сооружение) объекта, реконструкция или создание предприятия, программа работ (образовательных, исследовательских, социальных, культурных, развития региона) и т.п.

Принятое узкое понимание: проект (англ. design) – документально оформленная модель будущей системы, достаточная для создания системы с заданными свойствами.

В ряде крупных отраслей создаваемые объекты являются настолько сложными, что работа над ними осуществляется не в составе проектов, а в составе Программ, которые можно определить как совокупность проектов или проект особой сложности (программы развития авиационно-космической, машиностроительной, оборонной отраслей, топливно-энергетического комплекса, жилья, региона и др.).

Объектами проектирования могут быть системы или процессы (процессы управления, технологические процессы).

В соответствии с двумя видами задач системных исследований – анализом и синтезом – и с целевой предназначенностью моделей как средства отображения свойств объекта выделяют два вида модели – познавательную и предписывающую.

Различия между познавательной и предписывающей моделями: в познавательной модель подгоняется под реальность, в предписывающей – реальность подгоняется под модель.

Примеры предписывающей модели – правила дорожного движения, проекты систем.

Проект системы представляет собой предписывающую модель системы. При проектировании решается задача синтеза – преобразование исходного описания в модель с заданными свойствами. Проект всегда имеет цель – достижение определенных результатов при решении какой либо проблемы, удовлетворении возникших потребностей.

Проектирование – процесс создания формализованного описания (модели) системы.

Цель проектирования - создание системы, которая удовлетворяет:

- заданным функциональным свойствам с учетом существующего уровня знаний, развития технологий, ограничений по стоимости системы;

- требованиям по продолжительности и стоимости самого процесса проектирования.

Проектирование и создание сложных систем с учетом будущих условий функционирования системы в изменяемой внешней среде вызвало необходимость анализа больших объемов информации и принятия адекватных решений.

Схема построения познавательной модели

Познавательная модель создается для изучения свойств системы с известной структурой и функциями - осуществляется анализ системы, устанавливаются изменения параметров системы (зависимость выходных параметров от входных).

Познавательная модель является формой представления знаний и построение ее направлено на приближение модели к реальности, которую она отображает (построение модели адекватной реальности), – при обнаружении расхождения между моделью и реальностью модель изменяется так, чтобы приблизиться к реальности. С помощью полученной модели делается прогноз развития процесса функционирования системы.

Схема построения предписывающей модели

Предписывающая модель создается с целью построения новой системы (модернизации существующей) с заданными свойствами или для выполнения готовой системой заданных действий (решение задачи синтеза) - воспроизвести характеристики объекта, определяющие его поведение, реализующее цель создания новой системы.

Предписывающая модель является формой представления действий будущей системы, и построение ее направлено на приближение системы к модели – при обнаружении расхождения между реальностью и моделью, реальность (новая система с заданными свойствами) изменяется так, чтобы приблизиться к ее модели.

Схема построения предписывающей модели для создания системы:

- определяется цель создания новой системы и выделяются ее основные функции (интегративные свойства);

- строится последовательность функций компонентов, необходимая для проявления нового интегративного свойства;

- под функции подбираются (проектируются) компоненты, которые могут их осуществлять;

- оптимизируются параметры каждого компонента исходя из наилучшего выполнения заданной цели системы (процесс проектирования системы).

Адекватность системы и предписывающей модели исследуются с помощью познавательной модели, и возможные сценарии использования системы во внешней среде уточняется с помощью предписывающей модели

Проектирование рассматривается как творческий неформальный процесс выработки и принятия решений на всех стадиях, начиная от принятия решения о необходимости создания системы, выбора ее структуры и параметров.

Проектное решение - промежуточное описание объекта, позволяющее определить дальнейшие направления работ (или окончание проектирования).

Проектные решения принимаются на всех этапах проектирования на основе опыта, интуиции, знания, ответственности лица, принимающего решение, с учетом вновь получаемой в процессе проектирования новой информации. Основа получения необходимой информации – математическое моделирование.

Всем процессам принятия решений присущи две основные черты: решение принимается для вполне определенной цели, из множества вариантов выбирается один, вполне определенный, отвечающий выдвинутым требованиям.

Какие требования выдвинуть к системе, какие технические решения необходимо в нее заложить, чтобы при дальнейшей модернизации она оставалась эффективной? Что такое эффективная система?

При проектировании сложных систем и их подсистем возникают многочисленные задачи, требующие оценки количественных и качественных закономерностей процессов функционирования таких систем, проведения структурного алгоритмического и параметрического их синтеза.

Проектирование – процесс создания формализованного описания (модели) системы.

Цель проектирования - создание системы, которая удовлетворяет:

- заданным функциональным свойствам с учетом существующего уровня знаний, развития технологий, ограничений по стоимости системы;

- требованиям по продолжительности и стоимости самого процесса проектирования.

Различные виды моделирования используются на всех этапах создания сложных систем (проектирование, внедрение, эксплуатация и эволюция) дл учета следующих особенностей:

-  сложность структуры и стохастичность связей между элементами, неоднозначность алгоритмов поведения при различных условиях,

- большое количество параметров и переменных, неполноту и недетерминированность исходной информации;

- разнообразие и вероятностный характер воздействий внешней среды.

Ограниченность возможностей экспериментального исследования больших систем делает актуальной разработку методов их моделирования, которая позволила бы в соответствующей форме представить процессы функционирования систем, описание протекания этих процессов с помощью математических моделей, получение результатов экспериментов с моделями по оценке характеристики исследуемых объектов.

На разных этапах создания и использования систем для всего многообразия входящих в них подсистем применение моделирования преследует конкретные цели, а эффективность моделирования зависит от того, насколько грамотно разработчик использует возможности моделирования.

Выбор метода моделирования и необходимая детализация моделей существенно зависят от этапа разработки сложной системы. На этапах обследования объекта управления, например промышленного предприятия, и разработки технического задания на проектирование автоматизированной системы управления, модели в основном носят описательный характер и преследуют цель наиболее полно представить в компактной форме информацию об объекте, необходимую разработчику системы.

На этапах разработки технического и рабочего проектов систем, модели отдельных подсистем детализируются, и моделирование служит для решения конкретных задач проектирования, т. е. выбора оптимального по определенному критерию при заданных ограничениях варианта из множества допустимых. Поэтому в основном на этих этапах проектирования сложных систем используются модели для целей синтеза.

Целевое назначение моделирования на этапе внедрения и эксплуатация сложных систем — это проигрывание возможных ситуаций для принятия обоснованных и перспективных решений по управлению объектом.

Моделирование (имитацию) также широко применяют при обучении и тренировке персонала автоматизированных систем управления, вычислительных комплексов и сетей, информационных систем в различных сферах. В этом случае моделирование носит характер деловых игр. Модель, реализуемая обычно на ЭВМ, воспроизводит поведение управляемого объекта и внешней среды, а люди в определенные моменты времени принимают решения по управлению объектом.