1.3 Системний аналіз та системне проектування складних систем. Принципи і задачі проектування

Процес розробки полягає в тому, щоб для нових об'єктів, що створюються, знайти та описати конкретні тех­нічні рішення, які задовольнятимуть усі ви­сунуті вимоги технічного завдання (ТЗ) і були б найкращими відповідно до обраних критеріїв.

Методи створення об'єктів нової техніки (ОНТ), що застосовуються нині, ґрунтують­ся на інтелектуальній діяльності проектантів, реалізуються поки що за обмеженої участі комп'ютерних систем проектування поряд із формальними мето­дами використовуються прийоми інтуїції, емпірики, ремесла.

Автоматизація та оптимізація процесів створення ОНТ належать до області моде­лювання процесів мислення в сполученні з; розробкою строгих математичних методів розв'язання типових традиційно проектних задач. У разі застосування ЕОМ спочатку ав­томатизується низка окремих операцій процесу проектування, а потім — увесь процес. Мета проектування полягає в пошуку і фіксуванні необхідної інформації про об'єкті нової техніки, що забезпечує можливість! чіткого та однозначного його матеріального) відтворення.

Виробничий цикл завжди починається з вироблення концепції нового виробу, тобто з виникнення певної ідеї. Первинна концепція нового виробу опрацьовується, потім в деталях уточнюється, аналізується, удосконалюється і після конструкторської розробки утілюється в план випуску нового виробу. Цей план підкріплюється документацією у вигляді набору конструкторських креслень, що показують, як повинен виготовлятися виріб, і сукупності технічних описів, що відображають принципи функціонування виробу.

Проектування починається за наявності завдання на проектування, яке відображає потреби суспільства в отриманні деякого технічного виробу. Завдання представляється у вигляді певних документів і служить початковим (первинним) описом об'єкту. Результатом проектування є повний комплект документації, що містить достатні відомості для виготовлення об'єкту в заданих умовах. Ця документація є остаточним описом об'єкту.

Таким чином, проектування - це процес, що полягає в перетворенні початкового опису об'єкту в остаточне на основі комплексу робіт дослідницького, розрахункового і конструкторського характеру.

Проектуванням називається процес складання опису, необхідного для створення в заданих умовах ще не існуючого об'єкту, на основі первинного опису цього об'єкту і (або) алгоритму його функціонування або алгоритму процесу перетворенням первинного опису, оптимізацією заданих характеристик об'єкту і алгоритму його функціонування або процесу, усуненням некоректності первинного опису і послідовним представленням (при необхідності) описів на різних мовах [ГОСТ 22487-77].

Проектування технічного об'єкту пов'язане із створенням, перетворенням і уявленням в прийнятій формі образу цього об'єкту. Образ об'єкту або його складових частин може створюватися в уяві людини в результаті творчого процесу або генеруватися по деяких алгоритмах в процесі взаємодії людини і ЕОМ.

Як відомо, процес проектування (алгоритм) відбувається за такою схемою:

• вивчення та аналіз проектної задачі і проектного за­вдання, на основі якого така задача складена; при цьо­му уточнюються .вимоги, цілі й специфіка використан­ня об'єкта проектування;

• визчначення загальних контурів функціональної схеми мички варіантів за допомогою логічних побудов, фор­мальних методів та емпіричних прийомів на основі досвіду;

• аналіз (оцінка) накреслених і зафіксованих варіантів (альтернатив);

• можливі уточнення, доопрацювання варіантів.

Зауважимо, що проектування вважається закінченим, ні отримані і зафіксовані всі необхідні дані для відтворювання об'єкта.

Процес проектування поділяють на дві основні стадії:

• ідентифікацію або визначення функціональної схеми і її основних параметрів (власне проектування — ескізний та аванпроект);

• конструктивну розробку загального вигляду прийнятої схеми і подання документації (конструювання і доку­ментування).

Протягом першої стадії проектанти розробляють за­гальні контури деякого цілого, протягом другої — підбирають, уточнюють і конкретизують його окремі частини.

Щодо основних творчих процесів першої стадії, то вони складаються з множини підоперацій, що чергуються і призначення яких полягає в багаторазовому проведенні синтезу та аналізу можливих варіантів створюваного об'єкта й ухва­лення рішення стосовно вибору оптимального. Ці варіанти формуються на основі аналогій, інтуїції, уявлень, досвіду, а потім відібраний із них конкретизується за допомогою різноманітних прийомів інженерної обробки, основним із яких є ескізне пророблення.

Спроектувати — це знайти і підготувати необхідні дані, які в разі дотримання визначених умов забезпечать створення об'єкта, що виконує задані функції і слугує для досяг­нення поставлених цілей.

Отже, процес проектування складається з двох великих стадій:

• знаходження придатної (змістовної) ідеї;

• реалізація можливостей, які ця ідея надає.

Моделювання як метод у проектуванні грунтується на заміні об'єкта його моделлю, яка, звичайно, простіша і де­шевша за оригінал. Модель (макет) перебуває в об'єктивній відповідності з досліджуваним об'єктом; її вивчення (дослідження) дає інформацію про об'єкт, що моделюється. Під час моделювання процесів проектування для оптимізації та автоматизації проектних робіт використання окремих засобів моделювання і окремих аспектів буває не­достатньо, тому в подальшому виникає потреба в прове­денні комплексних досліджень.

Проектне (технічне) завдання — повний перелік усіх ви­мог і обмежень, яким має задовольняти створюваний об'єкт. Його призначення — слугувати вихідним матеріалом для постановки і наступного формулювання однієї або більше проектних задач, розв'язання яких приводить до створення об'єкта.

Термін «проектне завдання» завжди ширше за термін «проектна задача». Зазначимо, що розгляду проектних задач повинно передувати ознайомлення та аналіз усього проект­ного завдання.

Проектне завдання — це вихідна інформація для подаль­ших дій. Формування такої інформації відбувається на ос­нові вивчення та аналізу планово-економічних і науково-технічних світових показників.

Об'єкти, що підлягають проектуванню, можна поділити на прості і складні. Так, для складних об'єктів, виходячи із загального завдання, розробляють сукупність окремих про­ектних завдань.

Залежно від характеру проектної задачі (від даних, що містяться в її умові і вимогах до розв'язання) її постановка може здійснюватися по-різному. Найповніше це відбу­вається з використанням системного підходу, що дає змогу врахувати складність проектної задачі.

Процес проектування (з позиції математики) за зада­ними вимогами в умові проектної задачі являє собою, якщо ці вимоги сумісні:

• за наявності множини розв'язків — перевизначену задачу;

• за наявності одного розв'язку — визначену задачу; якщо ці вимоги несумісні:

• за наявності жодного розв'язку — невизначену задачу.

Розробка методології раціонального проектування склад­них технічних систем дістала назву системного проектуван­ня, або системотехніки.

Іноді системне проектування трактується як системний .Іналіз, а системний підхід називається комплексним.

Системний підхід до проектування — один із молодих напрямів науки; його виділено в самостійну дисципліну зі сноєю аксіоматикою, теоретичним апаратом і областями до­датків. Є системне проектування пристроїв і машин (у тому мислі обчислювальних), об'єктів будівництва, заводів різних Іалузей промисловості та ін.

Повніше за все системний підхід розвинутий стосовно проектування систем керування, які характеризуються складністю розв'язуваних задач і необхідністю розгляду проблеми в цілому.

Системне проектування — це методологія вирішення складних проблем, що ґрунтується на концепції системи. Система є те, що вирішує проблему. Визначаючи «вирішен­ня проблеми» як «цілеспрямовану систему», використання системного підходу тим самим дає змогу уявити процес нирішення проблеми як процес створення і використання системи відповідно до етапів її життєвого циклу. При цьому ефективність вирішення проблеми залежить, у першу чергу, під методів, які застосовуються при цьому. Пропускна здатність, точність та інші характеристики методів, що вхо­дять у певну цілеспрямовану систему, мають бути збалансо-нані між собою, а витрати на них повинні відповідати за­мовленню. Як приклад, наведемо схему (рис. 1.1) викорис­тання ресурсів (витрат, віднесених до трудовитрат) і вико­нання робіт відповідно до основних етапів життєвого циклу системи. За цією схемою можна якісно схарактеризувати складну технічну систему (рис. 1.2).

У будь-якій системі є два основні і різноманітні за роллю процеси:

• основний;

• зворотний зв'язок (а також вхід, вихід і обмеження).

Рисунок 1.1 – Схема розподілу ресурсів у процесі системного проектування

Рисунок 1.2 – Схема життєвого циклу складної технічної системи

Поняття «процес» є центральним поняттям системного підходу у вирішенні проблеми, що являє собою різницю між існуючою і бажаною ситуацією.

Основний зміст системного підходу полягає не стільки у формальному математичному апараті, що описує «системи», «вирішення проблеми» і не в спеціальних математичних ме­тодах, а в концептуальному, тобто понятійному, апараті, у його ідеях, підході та настановах.

Виходячи з концепції системного проектування, вирі­шення проблеми традиційно охоплює такі етапи:

• ідентифікація (виявлення) проблеми;

• оцінка актуальності проблеми;

• визначення мети (встановлення критеріїв та обме­жень);

• виявлення (розкриття) структури системи та її дефект­них елементів;

• визначення структури системи для побудови набору варіантів;

• знаходження, оцінка і вибір варіанта;

• підготовка рішення (визначення процесу реалізації);

• узгодження знайденого рішення (визнання рішення колективом виконавців і керівників);

• запуск процесу реалізації рішення (реалізація рішення);

• керування процесом реалізації рішення;

• оцінка реалізації та її наслідків (ефективності).

Загальну схему з використанням основних етапів наведе­но на рис. 1.3.

Етапи вирішення проблеми мають загальний характер, оскільки поняття «складна система» містить не тільки технічні системи, а й промислові підприємства, різно­манітні організації та установи як системи (біологічні систе­ми, системи знань та ін.).

Розглянемо основні концепції системного проектування стосовно складних технічних систем як керованих систем логіко-динамічного класу.

Під керованою системою розуміється система, що:

• містить підсистеми, кожна з яких має власну ціль функціонування, підпорядковану загальній цілі систе­ ми в цілому;

• має велику кількість зв'язків між підсистемами;

• має розгалужену інформаційну мережу тощо.

Р исунок 1.3 – Структурна схема системного підходу (знаходження, оцінка та вибір альтернатів

Отже, до проектування керованої системи слід підходити як до складної системи.

Процес системного проектування складної керованої си­стеми містить два основні етапи: етап зовнішнього (макро-проектування) і етап внутрішнього (мікропроектування) проектування.

Перший етап включає вибір функцій, структури системи та її складу, а також визначення системних харак­теристик і принципів функціонування підсистем. При цьо­му основними питаннями тут є:

• розробка системи критеріїв (якості функціонування та оцінки варіантів системи);

• побудова архітектури (складу) системи;

• дослідження реалізованих алгоритмів керування для прийнятої системи критеріїв;

• формалізація процесів функціонування системи;

• розробка математичної моделі системи та її підсистем;

• синтез і дослідження оптимальних режимів функціону­вання системи та ін.

Другий етап включає вибір і проектування компо­нентів системи, тобто її підсистем та агрегатів. Основна за­дача цього етапу полягає в розробці проектних рішень, пов'язаних із технічною реалізацією системи, оптимізацією характеристик, параметрів системи та її підсистем, на ос­нові прийнятої математичної моделі, що задовольняє кри­терії якості.

Системний аналіз дає зм'огу сформулювати основні стадії, які становлять основу системного підходу до проек­тування керованої системи:

• постановка задачі вирішення проблеми керування

• формування шляхів вирішення проблеми (формування варіантів системи, що вирішує проблему);

• розробка моделей системи;

• формування критеріїв оцінки системи та її функціону­вання;

• вибір компромісних варіантів системи.

• Таким чином, вирішення проблеми повинно містити принаймні три основні положення:

• чітке визначення цілей створення системи і сукупності розв'язуваних нею задач;

• перелік і характеристики діючих на систему чинників, які підлягають обов'язковому врахуванню під час роз­робки системи та її моделі;

• вибір показників ефективності процесів та якості ре­зультатів.

Для розробки методики розрахунку показників ефектив­ності, а також для дослідження різноманітних властивостей системи потрібна її математична модель. Відомості про сис­тему, отримані в результаті моделювання та експерименту, дають можливість обґрунтувати оптимальну структуру сис­теми, визначити оптимальні значення її параметрів і пере­конатися в тому, що вибраний варіант системи відповідає цілі її розробки і має достатню ефективність.

Як підсумок, наведемо визначення проектування з вико­ристанням системного підходу. Системне проектування — це процес побудови проектів складних об'єктів як ціле-орієнтованих систем в категоріях системних властивостей (побудови, функціонування, розвитку) (рис. 1.5), системних ресурсів (час, кошти, людино-витрати) та структури життєвих циклів (наукових досліджень, проектування, виго­товлення та використання) (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Блок-схема узагальненого алгоритму системного проектування

. Під час проектування складних систем часто здійсню­ється вибір одного з можливих варіантів системи. Кри­терієм для такого вибору слугує, у першу чергу, значення показника ефективності системи, причому перевагу з еквівалентних показників ефективності, одержує менш складний із них.

Рисунок 1.5 – Системні властивості великих технічних систем

Розглянемо таку властивість системи, як складність. Під час створення системи складність обчислюється відповідно до виразу функції С = f(n, t, n), де n – число елементів множини; t – число типів елементів; n - характер розподілу елементів за типами. Ця функція задовольняє такі умови: область її значень збігається з множиною невідємних чмскл; вона має бути монотонною щодо кількості елементів і кількості їх типів; вона повинна містити інформаційну міру різноманиття множини

Враховуючи якість складових деякої множини елементів, логічно виміряти складність такої множини кількістю її елементів, тобто С(А) = card А, де С(А) – складність множини А.

Різноманіття елементів можна оцінювати за допомогою формули ентропії в статистичній теорії інформації, вважаю­чи, що ймовірність появи /-го елемента р, =я_м/«, де л_м — число елементів ц-го типу, до якого належить /-й елемент.

Отже, кількісна міра складності множини

С(A) = n (1.1)

На стадії експлуатації як окремий випадок можна розглянути таке спрощення:

n

S = Σ Si Ki (1+ ν α) (1.2)

I=1

Тут Si — складність окремих елементів (i = 1, 2, ..., n); Ki — число елементів i-го типу, що входять у систему; ν — ко­ефіцієнт, що враховує складність зв'язків порівняно зі складністю елементів системи;

М' α = -------------- — відносне число реалізованих зв'язків,

N(N -1)

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

n

N = Σ Si Ki ",. — число елементів системи;

i=І

N (N — 1) — максимальне число зв'язків між еле­ментами.

Отже, функція складності може використовуватися для оцінки комплексів як складних систем керування. Зазначи­мо, що можливі й інші підходи до оцінки складності.

При системному проектуванні складних керованих сис­тем частина етапів проектування може бути відсутня. Так, ранні етапи можуть бути подані ТЗ на проектування кон­кретної системи.