Принципы проектирования сложных объектов. Нисходящее и восходящее проектирование

В процессе проектирования сложной системы формируются определенные представления о системе, отражающие ее существенные свойства с той или иной степенью подробности. В этих представлениях можно выделить составные части - уровни проектирования. В один уровень, как правило, включаются представления, имеющие общую физическую основу и допускающие для своего описания использование одного и того же математического аппарата.

Уровни проектирования можно выделять по степени подробности, с какой отражаются свойства проектируемого объекта. Тогда их называют горизонтальными (иерархическими) уровнями проектирования.

Выделение горизонтальных уровней лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию.

Уровни проектирования можно выделять также по характеру учитываемых свойств объекта. В этом случае их называют вертикальными уровнями проектирования. При проектировании устройств автоматизации основными вертикальными уровнями являются функциональное (схемное), конструкторское и технологическое проектирования. При проектировании автоматизированных комплексов к этим уровням добавляется алгоритмическое (программное) проектирование.

Функциональное проектирование связано с разработкой структурных, функциональных и принципиальных схем. При функциональном проектировании определяются основные особенности структуры, принципы функционирования, важнейшие параметры и характеристики создаваемых объектов.

Алгоритмическое проектирование связано с разработкой алгоритмов функционирования ЭВМ и вычислительных систем (ВС), с созданием их общего системного и прикладного программного обеспечения.

Конструкторское проектирование включает в себя вопросы конструкторской реализации результатов функционального проектирования, т.е. вопросы выбора форм и материалов оригинальных деталей, выбора типоразмеров унифицированных деталей, пространственного расположения составных частей, обеспечивающего заданные взаимодействия между элементами конструкции.

Технологическое проектирование охватывает вопросы реализации результатов конструкторского проектирования, т.е. рассматриваются вопросы создания технологических процессов изготовления изделий.

В зависимости от порядка, в каком выполняются этапы проектирования, различают восходящее и нисходящее проектирование.

Восходящее проектирование (проектирование снизу вверх) характеризуется решением задач более низких иерархических уровней перед решением задач более высоких уровней. Противоположная последовательность приводит к нисходящему проектированию (проектированию сверху вниз).

Исследование и проектирование любых сложных систем возможны лишь с учетом парадоксов целостности и иерархичности. Считается, что система вопределенной степени может быть разделена на неделимые части (элементы) последовательным расчленением на подсистемы (более крупные, чем элементы, но более мелкие, чем система в целом). Возможность такого деления требует указания элементов, способных выполнять относительно независимые функции, направленные на достижение обшей цели системы. Для подсистемы, в свою очередь, должна быть сформулирована подцель, являющаяся ее системообразующим фактором (в соответствии сизвестным организмическим принципом цели подсистем не должны противоречить общей цели системы). Поведение системы (развернутая во времени последовательность реакций системы на внешнее воздействие) всегда определяется структурой системы (внутренним строением: элементами, связями и их атрибутами (направленность, сила, характер)). Фундаментальными свойствами сложных систем являются свойства существования (предшествует всем остальным свойствам; не обладая свойством существования, система не может иметь никаких других свойств), развития (системы не являются неподвижными формированиями и не могут существовать в застывшем виде), познаваемости (возможность теоретических и экспериментальных исследований, описания, моделирования сложных систем; вскрытие их внутренней сущности), слабой предсказуемости (никакое, сколь угодно подробное знание морфологии и функций элементов (подсистем) не позволяет определить функций системы, никакое, сколь угодно подробное знание поведения системы не позволяет точно предсказать ее поведение).

Принцип многомодельности. Описание с достаточной степенью адекватности различных аспектов сложной системы невозможно на основе единственной модели; возможны различные взаимосвязанные представления, отображающие отдельные аспекты поведения или структуры системы. Так как система — не множество подсистем, а целостный объект, допускающий различные членения на подсистемы (быть может, даже бесконечное число членений), она не тождественна никаким ее членениям; не существует оптимального способа описания и измерения сложных систем.

Принцип декомпозиции. Предполагаетсяопределенная возможность сведения одной задачи большой размерности (по числу уравнений в системе, по числу переменных и т. д.) к нескольким задачам меньшей размерности. Так декомпозиция проектируемого объекта приводит к иерархическому принципу проектирования по этапам.

Принцип иерархического строения модели сложных систем. Построение модели осуществляется на разных уровнях абстрагирования или детализации в рамках фиксированных представлений. В основе лежит иерархическая структура критериев качества и разработанная в соответствии с ней иерархическая структура собственно системы. Исходная модель сложной системы дает лишь наиболее общее представление (метод представления) и строится на начальном этапе проектирования; не содержит детали и аспекты моделируемой системы. Далее проводится когнитивное моделирование с построением орграфа. Осуществляется поуровневый спуск от общих моделей концептуального уровня к частным представлениям системы с последовательным дополнением все большим количеством деталей для более адекватного отражения различных аспектов при конкретной реализации сложной системы. Чем сложнее проектируемый объект, тем больше уровней иерархии.

Принцип минимизации размерности критериального пространства. Управление качеством системы в конечном итоге производится на основе совокупности экспериментально определенных основных характеристик. Требуемое число элементов этой совокупности должно устанавливаться исходя из дифференциального порога при выделении классов качества (с обеспечением необходимого уровня соотношения сигнал/шум). Естественно, лучше всего использовать независимые частные критерии качества. Однако, как правило, частные критерии являются противоречивыми. Оценка полноты множества критериев носит субъективный характер. Размерность задачи по оценке качества системы определяется числом частных критериев; чем оно меньше, тем лучше (при числе критериев меньше трех возможна удовлетворительная оценка качества даже с использованием графических методов (визуализации)). Пока поиск методов снижения размерности задач по оценке качества системы с одновременным определением совокупности независимых частных критериев не потерял свою актуальность.

Итерационный принцип проектирования. Выполнение заданных требований осуществляется на основе последовательного приближения по результатам моделирования и оптимизации на каждом этапе проектирования.

Принцип унификации. Для упрощения процесса проектирования используется компактное представление (минимально возможная номенклатура) элементов каждого уровня иерархии. Основная цель унификации — минимизация числа вновь разрабатываемых моделей.

Принцип контролируемости каждого этапа предполагает контроль правильности (верификация; подтверждение соответствия конечного продукта предопределённым эталонным требованиям) выполнения работ на различных этапах проектирования.

Исходя из приведенных принципов в общую схему проектирования системы, следует включить:

- структурный синтез на каждом этапе (уже начальный вариант структуры объекта проектирования оценивается с точки зрения удовлетворения требованиям технического задания);

- составление математической модели,

- анализ математической модели,

- оптимизация параметров математической модели,

- статистический анализ.