Формализованная схема непрерывного производственного процесса. 2 страница. Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней

Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.

У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены, и, следовательно, сведения о ее возможностях носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предположительный характер имеют требования к элементам.

Принятие оптимального решения обеспечивается последовательным приближением при чередующемся выполнении обоих видов проектирования, что обуславливает итерационный циклический характер процесса проектирования.

Часто этапы проектирования трудно четко разграничить: может проходить параллельное выполнение некоторых этапов и неоднократное повторение пройденных этапов итеративным путем. Например, на каждом этапе может потребоваться уточнение как общей постановки задачи, так и частных.

Любой процесс проектирования имеет свою стратегию проектирования, логическую схему построения проекта и технологию проектирования.

Стратегия проектирования предполагает поиск и определение типов последовательности действий, методов и алгоритмов для решения проектной задачи.

В общем случае стратегии проектирования могут быть линейными, циклическими, разветвленными, адаптивными, смешанными.

При линейной стратегии проектные операции выполняются последовательно. Циклическая стратегия предполагает возможность повторения предыдущей проектной операции в зависимости от результатов предыдущей. При разветвленной стратегии в зависимости от исхода предыдущей проектной операции можно подключать исполнителей для работы на параллельных операциях, при адаптивной стратегии выбор каждого последующего действия зависит от результатов, полученных на предыдущей операции.

Процесс проектирования можно представить как последовательный процесс принятия решений в условиях неопределенностей. Отдаленность этапа непосредственного применения, нечеткое задание стратегий применения приводят к неопределенности будущих условий применения и соответственно характеристик создаваемой системы. Принятые на каждом цикле решения уменьшают степень неопределенности на каждом последующем этапе, что в свою очередь приводит к необходимости последовательного уточнения и детализации проектных решений.

В процессе анализа исследуются:

- необходимость и достаточность всех функций для решения задач системы;

- порядок выполнения функций и согласование всех входов и выходов;

- работоспособность подсистем и системы в целом в различных условиях функционирования;

- сроки разработки проекта и предполагаемые затраты на разработку проекта и эксплуатацию системы.

В результате анализа уточняются математические модели подсистем опорного варианта системы, на основании которых строится упрощенная математическая модель системы в целом. С помощью новой математической модели вновь решаются задачи синтеза и уточняются варианты структурно-функциональных схем системы, для каждого из которых затем снова решаются задачи анализа, и так до тех пор, пока не будет найден приемлемый вариант системы (определен облик системы).

Модель может быть сосредоточена на функциях системы (функциональная модель) или на ее объектах (модели данных).

Функциональная модель выделяет события в системе, представляет с требуемой степенью детализации систему функций, которые в свою очередь отражают свои взаимоотношения через объекты системы.

Модели данных выделяют объекты системы, которые связывают функции между собой и с их окружением и представляют собой подробное описание объектов системы, связанных системными функциями.

Значительная неопределенность информации на предварительных этапах проектирования приводит к рассмотрению «грубых», обобщенных параметров и многовариантных проектных решений – параллельной разработке нескольких вариантов системы. Сужение области неопределенности по мере выполнения проекта позволяет перейти к более детальному рассмотрению характеристик и отказаться от разработки параллельных вариантов.

Специальная методология определяет проектные действия для конкретных типов систем на определенном этапе проектирования – основные типовые направления работ.

Методы специальной методологии – это множество методов решения проектных задач, возникающих при проектировании системы.

Специальная методология проектирования предполагает рациональное разделение процесса проектирования на неформализованные (поиск альтернатив, конструирование, принятие решений) и формализованные (проектные и поверочные расчеты) задачи, выделение эмпирических задач (физическое моделирование). Проектанту предоставляются различные средства и методы решения этих задач.

Системы создаются для решения той или иной проблемы, выполнения тех или иных потребностей – решения этих задач определяют цель функционирования системы.

Первая, начальная задача проектирования – формулировка проблемы, задачи которой призвана решать проектируемая система, и выявление функциональных свойств системы, которые позволят решить возникшую проблему.

Схема формулировки проблемы и функциональных свойств системы:

- выделение системы из внешней среды и рассмотрение ее как элемента системы более высокого уровня;

- анализ задач, решаемых существующими системами;

- анализ изменения условий функционирования системы (изменение целей, условий внешней среды);

- формирование новых задач и функций системы.

Схема формирования концептуального облика объекта (системы)

Концепция системы - укрупненная структура системы, основные функции системы и подсистем.

Цель системы – желаемый результат функционирования системы, ее назначение исходя из решения проблемы системы более высокого уровня, - что нужно сделать для снятия проблемы.

Эффективность – свойство системы выполнить поставленную цель.

Критерии эффективности – те конкретные свойства системы (признаки), по которым оценивается эффективность.

Показатели эффективности – характеристики свойств системы, количественно выражающие степень выполнения поставленной задачи - численные значения критериев эффективности.

Задачи системы – действия (функции) системы, обеспечивающие выполнение цели.

Основные проектные параметры - параметры системы, которые непосредственно обеспечивают эффективность системы.

Схема формирования концепции:

- определение потребностей в системе на основании анализа внешней среды и возможных условий применения системы;

- формулировка цели и требований к системе;

- формулировка основных функций системы, обеспечивающих выполнение поставленной цели;

- определение возможных путей создания системы (формирование функциональной структуры системы и основных ее подсистем).

В структуре системы учитываются только основные элементы, критичные при определении соответствия системы поставленным целям и при оценке эффективности системы.

Структура формируется на основании сравнительного анализа альтернативных вариантов системы, обеспечивающих решение проблемы с учетом внешней среды и неопределенностей будущего функционирования.

Исходя из сформулированных функций системы определяются основные требования к системе в результате выполнения следующих основных системных процедур: формирование понятия эффективности системы (цели, критерии, показатели эффективности), анализ внешней среды и условий функционирования системы, формирование требований к системе.

На основании выбранной концепции системы формируется ее технический облик –определяется перечень задач системы, ее структура и основные характеристики функциональных подсистем.

Типовые проектные процедуры формирования облика системы

Облик системы – структура и основные характеристики системы и основных функциональных подсистем, обеспечивающие выполнение цели, поставленной системой более высокого уровня.

I. Формулировка потребностей в системе.

1.1. Анализ целей и задач, решаемых существующими системами, анализ условий их применения, определение потребностей в модернизации существующей или в создании новой системы.

1.2. Выделение системы из внешней среды и рассмотрение ее как элемента системы более высокого уровня.

II Формирование модели цели (понятия эффективности) системы.

2.1. Определение основных целей, назначения и задач системы:

- формулировка цели системы (иерархии целей) исходя из решения проблемы (задач) системы более высокого уровня;

- определение основных функций системы, обеспечивающих выполнение поставленной задач;

- определение особых условий и ограничений (стоимость, сроки и т.д.).

2.2. Формирование основных требований к системе:

- функциональные требования (к результатам выполнения основных операций);

- эксплуатационные требования.

2.3. Формирование состава критериев и показателей эффективности.

III. Анализ внешней среды и условий функционирования системы, прогнозы на весь период жизненного цикла системы.

3.1. Построение модели внешней среды:

- выявление определяющих параметров внешней среды: объекты функционирования (обслуживания), на которые направлены действия системы, природное окружение, состояние технологий на различных стадиях создания системы, экономическая осуществимость системы;

- анализ политической и экономической обстановки, человеческого фактора, возможных военных аспектов;

- анализ неопределенностей внешней среды и оценка их достоверности, выделение стохастических и нестохастических составляющих.

3.2. Анализ условий функционирования системы:

- прогноз условий функционирования и формирование возможных сценариев применения системы в различных условиях внешней среды;

- анализ неопределенностей функционирования системы, оценка их достоверностей, определение путей уменьшения неопределенностей;

- формирование ограничений на применение системы.

3.3. Формирование основных функциональных и эксплуатационных требований к системе.

IV. Формирование облика системы

4.1. Формирование множества альтернативных вариантов системы, для каждого варианта:

- определение укрупненной структуры, основных функций системы и подсистем, определение состава основных параметров системы;

- разработка математических моделей системы и подсистем (установление зависимостей между основными проектными параметрами и показателями эффективности);

4.2. Выбор рациональных значений основных параметров системы в целом и ее подсистем для каждого альтернативного варианта системы; сравнительный анализ альтернативных вариантов системы.

4.3 Определение технических путей создания системы.

Оценка затрат на создание системы.

Определение путей развития системы.

4.4 Возможность адаптации системы к изменениям внешней среды в течение жизненного цикла системы.

V. Анализ инвестиционной привлекательности системы.

9.3 Эффективность системы

Понятие эффективности системы

Проектные параметры системы - изменяемые в процессе проектирования характеристики, описывающие облик системы.

Основные проектные параметры - те изменяемые параметры системы, которые непосредственно обеспечивают эффективность системы (формируются в процессе проектирования).

Эффективность – свойство системы выполнить поставленную задачу.

Критерии эффективности – те конкретные свойства системы (признаки), по которым оценивается эффективность (при сравнительной оценке вариантов, выборе наилучшего решения…).

Показатели эффективности – характеристики, количественно выражающие степень выполнения поставленной задачи и позволяющие судить об эффективности системы - численные значения критериев эффективности.

Иногда, когда отсутствуют естественные числовые характеристики, вводятся искусственные оценки типа баллов, которые проставляются экспертами.

Эффективность как свойство системы проявляется в системе более высокого уровня, которая для решения своих задач затрачивает определенные ресурсы (оборудование, материалы, энергию) на создание и эксплуатацию системы нижнего уровня. Эти затраты ресурсов системы более высокого уровня являются основанием для выбора наилучшей системы нижнего уровня.

Свойства системы, обеспечивающие выполнение цели, отражают эффективность системы (качество выполнения поставленной цели) и соответствующие этой цели затраты. Поэтому, применительно к задачам проектирования, критерий должен соотносить цель со свойствами системы, обеспечивающими ее выполнение.

Эффективность системы определяется для всего жизненного цикла системы с учетом ее развития (модернизации). Это влияет на выбор основных проектных параметров системы – система, параметры которой позволят провести модернизацию с наименьшими затратами является более эффективной.

Наиболее общий показатель для оценки затрат ресурсов – стоимость создания и эксплуатации системы.

Пример. Космическая система наблюдения Земли по отношению к отраслям хозяйства, социальным системам является системой нижнего уровня и ее эффективность оценивается по тому, как, какими затратами эта система обеспечивает выполнение поставленных перед ней целей системы более высокого уровня.

Между показателями и критериями эффективности нет четкого разделения (одни могут переходить в другие). Например - взаимосвязь эффективности по каким-то показателям и стоимости (бессмысленно требовать максимальную эффективность при минимальной стоимости).

Два эквивалентных варианта взаимосвязи эффективности и стоимости: затраченные ресурсы должны обеспечить наивысшую эффективность системы или требуемая эффективность должна быть обеспечена при минимальных затратах.

Экономическая эффективность системы – экономический результат (доход), приносимый системе верхнего уровня системой нижнего уровня, соотнесенный с суммарными затратами ресурсов системы верхнего уровня на создание, эксплуатацию и использование результатов функционирования системы нижнего уровня. Экономическая эффективность оценивается двумя показателями – доходом и затратами ресурсов.

Показателями эффективности могут быть:

- максимальный доход при заданном (в виде ограничения) ресурсе;

- минимальные затраты при заданном (в виде ограничения) доходе;

- максимальный доход на единицу затраченного ресурса.

Возможны показатели, использующие разность между доходом и затраченным ресурсом – максимальная прибыль, максимальная рентабельность (отношение прибыли к затратам).

Формирование модели цели системы

Выбор цели – первая, исключительно важная составляющая постановки задачи по выбору концепции системы. Цель, поставленная перед системой, непосредственно влияет на облик создаваемой системы, ее состав, структуру и характеристики.

Для терминов "цель, задача, эффективность, критерий, показатель эффективности" нет устоявшихся универсальных определений. Имеются только сложившиеся общие представления.

Цель системы – желаемый результат функционирования системы, ее назначение, определяемое заказчиком системы (основные решаемые задачи).

Цель определяется поставленной проблемой материального, экономического, социального, оборонного характера (повышение благосостояния, повышение эффективности производства, повышение обороноспособности …) – что надо сделать для снятия проблемы. Выбранная цель оценивается исходя из необходимых для ее достижения средств.

В общем случае цель указывает общее направление, в котором необходимо двигаться для достижения лучшего результата. При этом поставленная цель не должна быть противоречива. Цели «Сократить затраты и улучшить качество обслуживания» в общем случае могут быть противоречивы.

Модель цели – описание потребности в системе, назначения системы и требований к ней (на естественном языке).

Описание назначения состоит из трех составляющих:

- наименование действий системы, которые приводят к желаемому результату (например, наблюдение авиационными средствами, наблюдение Земли из космоса), характеристики действий (например, периодичность, время наблюдения);

- указание условий функционирования во внешней среде или объекта, на который воздействует система – объекта обслуживания (например, обнаружение пожаров, определение параметров атмосферы для решения какой-то задачи);

- указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие (поддержание структуры системы, срок эксплуатации, стоимость создания и эксплуатации).

Определение цели – сложный неформализуемый процесс, который требует проявления интуиции и творчества, выполнения качественного и количественного анализа возможных целей, корректировки, уточнения цели в процессе проектирования. Некоторые типовые работы, предшествующие определению целей: обзор проблемы, аналитические исследования подобных целей в других отраслях (например, при составлении какой либо программы развития региона, отрасли – проанализировать цели в подобных программах).

Описание цели формулируется в техническом задании (описание потребности в системе, назначения системы и требований к ней) в результате анализа политической и экономической обстановки, исследования целесообразных сфер и способов применения систем, возможностей реализации и затрат на создание системы, возможностей военного применения, стратегии и тактики применения.

Итеративный процесс формирования цели заканчивается одновременно с окончанием синтеза системы, и сущность его может быть охарактеризована термином «синтез цели системы».

Основные положения синтеза цели (неформализуемые, на интуитивном уровне).

Необходимо найти правильное соотношение между всеобъемлющей и узкой целью. Всеобъемлющая цель не даст возможности четко сформулировать задание на разработку, узкая цель не даст возможности четко определить характеристики системы.

Всеобъемлющая цель – создать систему наблюдения Земли, узкая цель – создать систему наблюдения Земли с какой-то одной выбранной характеристикой (например, оперативностью доставки данных - нет возможности определить остальные характеристики – аппаратуру, высоту орбиты…).

Всеобъемлющая цель – создать самолет, узкая цель – создать самолет с самой большой дальностью полета (нет возможности определить остальные характеристики – грузоподъемность…).

Цель нельзя заменять средствами выполнения цели.

Строительство больницы – не цель улучшения медицинского обслуживания населения района, а средство. Возможно, улучшение медицинского обслуживания можно достичь другими, более эффективными средствами, чем строительство больницы.

Смешение целей.

Операция прошла успешно, но пациент умер. Внешне красивое здание может быть непригодно для использования из-за внутренней планировки.

Смешение целей могут быть причинами экологических бедствий (Байкал, поворот рек).

Изменение цели со временем.

Изменение цели со временем может происходить не только по форме, в силу все большей конкретизации действительных целей, но и по содержанию – вследствие изменения объективных условий и/или субъективных установок, влияющих на выбор цели. Сроки старения целей различны и зависят от многих причин. Цели более высоких уровней долговечнее. В социальных системах сроки достижения целей высших уровней часто формулируются как интересы будущих поколений, сроки целей нижних уровней связаны с действиями ближайшего будущего.

Иерархия целей соответствует иерархической структуре системы. Благодаря согласованности и взаимной подчиненности своих целей, все подсистемы работают целенаправленно для достижения общей цели системы. Однако это не простое сложение целей – реализация каждой из подцелей приводит в целом к достижению качественно новой цели высшего уровня (интегративное свойство системы). Каждая цель характеризуется критерием эффективности.

Графическое представление целей – дерево целей. Нижний уровень – возможность представления цели в численном виде.

Цели нижнего уровня представляют собой неизбыточный набор, конкретизирующий исходную общую цель. Более мелкое деление может привести к потере набора целей свойства неизбыточности, поскольку влияние каждой мелкой цели на общую цель может оказаться пренебрежительно малым.

Схема формирования цели как составной части синтеза системы: составление сценариев функционирования системы, построение дерева целей, выявление взаимосвязей между целями и задачами одного уровня и разных уровней.

На основании целей системы формируются требования и ограничения к характеристикам системы.

Предварительные требования и ограничения к системе подвергаются детальному анализу: с учетом стоимости, с учетом скрытых факторов. Например, может предусматриваться использование компонентов системы, которые выпускаются или будут разработаны внутри страны, даже если в других странах такие компоненты дешевле. В этом случае приходится тратить больше средств вследствие политического ограничения (использование проекта для развития национальной экономики). Эти требования и ограничения уточняются и детализируются по мере расширения наших представлений о системе в ходе проектирования.

Среди требований выделяются основные, "ведущие требования", в наибольшей степени определяющие эффективность системы. Это функциональные и эксплуатационные требования, условия и ограничения.

Функциональные требования – это требования к результатам выполнения целевых операций, определяющих эффективность системы, и требования, обусловленные характеристиками объектов, на которые направлены действия системы (объектов обслуживания).

Эксплуатационные требования – это требования к операциям, обусловленные характеристиками объектов обслуживания, и требования к технической готовности системы (требования к операциям по поддержанию структуры системы – требования к безотказной работе компонентов системы, требования к восстановлению или замене отказавших компонентов системы).

Требования, обусловленные особыми условиями и ограничениями: требования к сроку службы системы, к стоимости создания и эксплуатации, ограничения по основным факторам внешней среды (в том числе политических, социальных).

Под сроком службы понимается календарное время эксплуатации до наступления предельного состояния системы, обусловленное моральным (моральное устаревание), техническим (невосстанавливаемость), экономическим (затраты на ремонт) факторами. Срок службы зависит от затрат на создание системы.

В структуре системы учитываются только основные элементы, критичные при определении соответствия системы поставленным целям и при оценке эффективности системы.

Задача выбора оптимального облика системы решается при декомпозиции ее на две задачи: структурную и параметрическую оптимизации (синтез и анализ системы).

Выбор критериев и показателей эффективности

Выполнение заданной цели неизбежно связано с затратами материальных, энергетических и других ресурсов, необходимых для создания и эксплуатации системы. Свойства системы, обеспечивающие выполнение цели, отражают эффективность системы (качество выполнения поставленной цели) и соответствующие этой цели затраты. Поэтому, применительно к задачам проектирования, критерий должен соотносить цель со свойствами системы, обеспечивающими ее выполнение.

Различают общий критерий эффективности – признак, по которому оценивают эффективность всей системы, и локальный критерий – признак, по которому оценивают выполнение конкретной задачи подсистемой. Чем подробнее иерархия целей, тем легче установить количественные значения критериев.

Основные принципы выбора критериев эффективности:

- критерий должен быть согласованным с моделью цели – необходимость строгого соответствия между целью, поставленной перед системой, и критерием эффективности (трудности выбора критериев чаще всего встречаются при нечетко поставленной задаче),

- неизбыточность - критерий должен соответствовать масштабу исследований,

- максимально полный учет всех факторов, определяющих эффективность системы.

- минимальная размерность набора критериев

- непротиворечивость частных критериев общему.

Критерии-заместители – критерии, которые косвенно характеризуют цель, но не являются средством непосредственного измерения для этой цели (комфортность пассажиров).

Например, цель службы скорой помощи – «доставка больного в больницу в наилучшем состоянии, возможном при данных обстоятельствах». Поскольку эта цель не имеет очевидного критерия, можно принять три критерия-заместителя: «время реагирования», "объем помощи на месте", «время доставки в больницу».

Многие критерии настолько широко и привычно используются, что уже не считаются критериями-заместителями. Например, «прибыль» – критерий-заместитель критерия «благосостояние» (но не все можно измерить деньгами, например, условия работы в коллективе). Или «доля участия в рынке» – заместитель критериев престиж, получение будущих прибылей.

Основные требования к показателям эффективности:

- должен быть простым и наглядным, иметь ясный физический смысл, позволяющий четко интерпретировать результаты исследований,

- обеспечивать вычисление оценки соответствующего требования к системе,

- быть чувствительным к проектным параметрам вариантов системы.

В структуре системы учитываются только основные элементы, критичные при определении соответствия системы поставленным целям и при оценке эффективности системы.

Задача выбора оптимального облика системы решается при декомпозиции ее на две задачи: структурную и параметрическую оптимизации (синтез и анализ системы).

Проблемы многокритериальности

При проектировании может оказаться необходимым анализировать несколько критериев: набор количественно измеримых целей на нижнем уровне иерархии целей системы не сводится к одной цели; каждая цель не обязательно характеризуется единственным критерием.

Если критерии, характеризующие систему, являются противоречивыми – возникает задача многокритериального выбора (в условиях, как определенности, так и неопределенности).

Например, необходимо найти рациональный вариант облика системы, качество которой оценивается по критериям: стоимость, надежность, время выполнения задачи.

Основные принципиальные трудности решения многокритериальных задач связаны с выбором принципа оптимальности (определяющего правила выбора рационального решения) и с выбором принципа учета приоритета, позволяющего отдавать предпочтение более важным критериям.

В общем случае задача многокритериальной оптимизации формулируется как задача одновременной оптимизации некоторой совокупности показателей. Строго математическая задача в такой постановке смысла не имеет, так оптимумы отдельных показателей достигаются при разных значениях критериев: необходимо применение математических методов принятия решений совместно с методами оптимизации. Как правило, критерии противоречивы: повысить значение одного удается только за счет некоторого снижения значения другого.

Здесь вступают в противоречие одни из основных свойств системы – универсальность и специализация. Эти свойства являются проявлением противоположных тенденций: с одной стороны – стремление сократить количество разнотипных систем с целью снижения затрат на их создание и эксплуатацию, с другой – повышение эффективности выполнения каждого отдельного задания. В процессе проектирования определяется рациональное сочетание этих свойств.

Наилучшая эффективность системы для одной из целей (одного показателя эффективности) приводит к уменьшению эффективности для других целей (показателей). Такое уменьшение эффективности характеризует уровень универсальности системы при выполнении отдельных целей и с расширением области целевого применения увеличивается, достигая недопустимо больших значений на границе этой области.

Естественным путем повышения целевой эффективности системы является использование системы не на всей возможной, а на некоторой более узкой области применения. Это характеризует другое важное свойство системы – специализацию. Предельный случай, "абсолютная специализация" – сужение до одного наиболее эффективно выполняемого задания.

Решение многокритериальных задач требует проведения модификаций понятия оптимальности, применение различных способов свертки критериев, многовариантной оптимизации в широком диапазоне изменений исходных требований и ограничений, оценки чувствительности полученных решений к их изменениям, выделение паретовских множеств с их последующим сужением за счет дополнительной информации, и т.д.

Основные принципиальные трудности решения многокритериальных задач связаны с выбором принципа оптимальности, определяющего правила выбора рационального решения, а также с выбором принципа учета приоритета, позволяющего отдавать предпочтение более важным критериям.

Основные классы многокритериальных задач принятия решений.

Задачи выбора решения на множестве целей. Имеется несколько целей, каждая из которых должна быть учтена при выборе рационального решения. Здесь качество решения необходимо оценивать с разумных точек зрения по различным составляющим качества, которые и образуют векторный критерий эффективности. Все частные критерии оптимальности противоречивы и имеют различные масштабы измерения.