Моделирование и проектирование сложных систем

Совокупность задач, возникающих в связи с исследованием и созданием сложных систем, можно разбить на два больших класса: анализ и синтез систем.

Задача анализа состоит в изучении свойств системы, если заданы:

- характеристики внешней среды, а также любых структурных и параметрических неопределенностей и возмущений в виде упорядоченного набора данных ;

- структура и параметры варианта системы ;

- оценочное отображение вида , где Uⁿ – множество значений оценочной функции, описывающей набор из п показателей качества или эффективности системы.

В ходе анализа изучение свойств системы сводится к расчету значений как функции , и задача анализа считается заданной, если известна тройка .

Задача синтеза заключается в выборе оптимальных, в известном смысле, структуры и/или параметров системы при заданных характеристиках внешней среды и налагаемых ограничениях. Ее постановка предполагает, что задаются:

- множество характеристик внешней среды Ω, описывающее любые возмущения внешнего и внутреннего характера;

- ресурсные (физические) ограничения, определяемые отображением и уровнем удовлетворения ( – множество, каждый элемент которого содержит набор из т внешних параметров системы);

- критериальные ограничения в виде отображения и отображения ;

- правило предпочтения R_n в виде бинарного отношения порядка («быть лучше») на Uⁿ, обладающее свойствами рефлексивности, транзитивности и антисимметричности.

Задача синтеза системы на множестве S определена заданием совокупности данных , включающих, в том числе и соответствующие уровни сатисфакции (удовлетворения) для внешних параметров и показателей эффективности системы.

В рамках системного подхода при решении задачи проектирования информационных и управляющих систем обычно руководствуются следующими принципами и приемами.

1. Сочетание декомпозиции, композиции и иерархичности.

2. Выделение нескольких этапов создания системы, позволяющих представить процесс ее синтеза как динамический, последовательно развивающийся во времени.

3. Всестороннее рассмотрение взаимодействия системы с внешней средой, включая взаимоотношения с обществом и природой, обмен полезной и мешающей информацией с другими системами, влияние внешних физических воздействий и условий функционирования.

4. Сочетание различных количественных и качественных методов и подходов СА и, прежде всего, математических, численных методов исследования систем, разнообразных методов и средств компьютерного моделирования с эвристическими, реализующими творческий подход и неформальные приемы.

5. Генетический анализ и учет предыстории развития данного класса систем, что позволяет вводить в действие решения, которые ранее в силу тех или иных причин были признаны непригодными, но на очередном витке развития науки и техники или при появлении элементной базы с принципиально новыми возможностями становятся перспективными и эффективными.

6. Учет возможности изменения исходных данных и даже содержания решаемой задачи в ходе многоэтапного процесса создания системы. Отсюда вытекает необходимость обеспечения по возможности большей универсальности системы, а также разрабатываемых в ее рамках подсистем и функционально законченных модулей при вариации исходных данных в широких пределах.

Перечисленные принципы и подходы составляют основу эволюционной технологической схемы процесса реального синтеза сложной системы.

При проектировании сложных технических и информационно-управляющих систем обычно выделяют следующие этапы.

1. Этап предпроектирования, в ходе которого определяются цели проектирования, формируются исходные данные и, в первом приближении, структурный облик системы. Этот этап реализуется, прежде всего, на страте концептуального синтеза. Этап завершается подготовкой технического задания на опытно-конструкторскую работу (ОКР).

2. Этап определения принципов построения системы как совокупности подсистем, исходных данных для синтеза подсистем и, в первом приближении, принципов их действия. Впервые реализуется на страте функционального синтеза и завершается подготовкой эскизного проекта создаваемой системы.

3. Этап аппаратурного синтеза, обеспечивающий аппаратурную реализацию выбранных на предыдущих этапах принципов построения системы и подсистем, выбор элементной базы, информационное и сигнальное согласование всех разрабатываемых устройств. Впервые осуществляется соответственно на страте технического синтеза и завершается составлением технического проекта.

4. Этап конструирования и технологии, иногда называемый этапом рабочего проектирования. Завершается подготовкой конструкторско-технологической документации, изготовлением и предъявлением опытного образца к испытаниям.

5. Этап проведения различного вида испытаний разработанной системы и ее отдельных составляющих. Завершается передачей изделия в серийное производство.

Таким образом, в ходе основных этапов, являющихся стандартными этапами системотехнического проектирования, осуществляется концептуальный, функциональный, технический и конструктивный синтез.

Классической является каскадная модель жизненного цикла разработки и эксплуатации сложной системы, которая предполагает переход на следующий этап только после завершения всех работ по предыдущему этапам. Более современный подход основан на реализации поэтапной модели жизненного цикла с обратной связью и спиральной модели жизненного цикла. В этих моделях весь жизненный цикл разработки и эксплуатации любой сложной системы носит итеративный характер.

Итак, важнейшими принципами проектирования сложной системы являются синтез и анализ.

1. Синтез любой сложной системы осуществляется через анализ и селекцию большого числа различных вариантов ее построения с отображением неких неопределенностей и возмущений, которые в общем случае носят статистический характер.

2. В процессе анализа вариантов разработчик оперирует не с реальными системами, а с некими их обобщенными описаниями, представлениями о них, т. е. моделями систем, имеющими различную степень абстракции и сложности.

Из всего этого следует, что универсальным и эффективным методом проектирования сложных систем, главным инструментом деятельности любого системного аналитика является моделирование и, в частности, компьютерное моделирование, сводящиеся к построению моделей на различных уровнях описания и к их исследованию во взаимодействии с внешней средой, отображение которого носит статистический характер.