Выбор основных проектных параметров системы

Формирование технического облика системы предполагает выбор рациональных значений основных проектных параметров системы, исходя из ее максимальной эффективности в принятых условиях применения.

Из основных проектных параметров системы {P} выделяются структурные параметры {S} (определяют структурную схему системы) и проектные параметры {p} (параметры системы заданной структуры). Все структурные параметры - дискретного изменения. Проектные параметры системы выбираются для каждого варианта структуры системы (набора структурных параметров) и представляют собой совокупность технических характеристик, исчерпывающе и однозначно описывающих систему заданной структуры.

Неопределенность условий применения не позволяет однозначно выбрать оптимальный вариант параметров системы: речь может идти о выборе рационального варианта, который, не будучи строго оптимальным ни для одних условий применения, обладает приемлемой эффективностью в заданном диапазоне.

Для заданных условий функционирования системы определяются ее основные проектные параметры, обеспечивающие выполнение поставленных задач с максимальной эффективностью.

Схема выбора основных проектных параметров системы:

- формирование критериев и показателей эффективности системы;

- формирование состава основных проектных параметров системы, определяющих ее эффективность;

- установление взаимосвязей между критериями эффективности и основными проектными параметрами системы (разработка математической модели системы);

- формирование рациональных значений основных проектных параметров системы, обеспечивающих ее максимальную эффективность.

Модель на системном уровне обеспечивает взаимосвязь критериев эффективности и основных параметров системы с учетом внешней среды. В состав модели системы в целом входят те структурные компоненты, параметры которых признаны определяющими для эффективности системы. Устанавливается физическая и функциональная зависимости (структура и поведение системы), определяются соотношения между параметрами системы, внешней среды и параметрами каждого компонента системы, которые влияют на критерии эффективности системы, составляется иерархия моделей. Модель должна позволять исследовать влияние параметров системы и среды на эффективность (анализ чувствительности).

Совокупность связей показателя эффективности с основными проектными параметрами (отражается в математической модели) имеет множество решений относительно исходных данных (характеристик цели), каждому из них соответствует конкретная система. Из множества допустимых вариантов системы, удовлетворяющих связям математической модели, вытекает основная задача исследования эффективности системы – определить те параметры, которые обеспечивают максимальную эффективность системы.

Для построения опорного варианта на начальном этапе проектирования или для детального проектирования подсистем на более поздних этапах главным является описание компонентов системы, исследуются связи и функции каждого из них. Степень детализации модели, форма представления определяются задачами каждой проектной процедуры.

Система может быть представлена множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань условий ее физического и функционального существования. Это дает возможность исследовать и выявить свойства системы, используя ряд узкоориентированных моделей. Основная специфика построения таких моделей – их согласование, обеспечивающее координацию принимаемых проектных решений. В процессе оценки эффективности формируется множество вариантов системы.

При формировании технического облика системы применяется два вида процедур синтеза - структурный и параметрический синтез. Такое разделение позволяет обеспечить координируемость проектных решений: глобальное оптимальное решение достигается в результате сопоставительного анализа параметрически оптимальных вариантов систем во всем возможном разнообразии их структур.

Определить это многообразие и выбрать наилучшее решение полным перебором возможных вариантов структур практически невозможно. Требуется такая стратегия направленного формирования построения облика системы, которая бы позволила совместить процедуры структурной и параметрической оптимизации.

Допустимые варианты такой структурно-параметрической организации системы определяются возможными комбинациями ее конструктивного изменения (дискретное изменение параметров). При этом для каждого сочетания дискретно меняющихся параметров определяется оптимальное значение непрерывно меняющихся параметров. Сопоставление возможных вариантов осуществляется по интегральному критерию эффективности. Принятие проектных решений на уровне подзадач осуществляется по частным критериям, согласованным между собой и с интегральным критерием. При этом одной из основных проблем является разработка итерационных процедур взаимосвязанного решения частных задач.

Типовая схема оптимизации параметров

Формирование параметров и условий применени я

Сформированный облик системы должен быть проанализирован с точки зрения его осуществимости: требования к системе могут быть хорошо и точно определены, но соответствующий им технический уровень может выходить за пределы существующих технологий.

Формирование множества вариантов системы

Генерирование множества вариантов (альтернатив) – идей о возможных способах достижения цели является творческим процессом. Здесь методология одна – выявляют и формируют эвристические, неформальные правила, которые во многих случаях приводят к успеху: прогнозные оценки развития общества и техники, анализ специальной литературы, привлечение экспертов.

Методы: мозговой штурм, деловые игры, имитационное моделирование, комбинирование имеющихся альтернатив, вплоть до полного перебора.

При проведении структурного и параметрического анализа варианты системы формируются на основе детально проработанных опорных вариантов для различных структур и условий применения системы.

Для формирования исходного множества вариантов необходимо:

- установить границы областей допустимых решений;

- на основе параметрического анализа сформировать варианты в области допустимых решений;

- детально разработать необходимое число математических моделей опорных вариантов.

Основой построения исходного множества вариантов заданной структуры является параметрический анализ опорного варианта: задание множества вариантов изменения проектных параметров с последующим сопоставлением каждому вектору параметров {р} системы соответствующих векторов параметров подсистем {p} и, наоборот.

Для построения вариантов на базе опорного требуются параметрически трансформируемые блочные математические модели подсистем и элементов. Такие модели позволяют генерировать дополнительное множество вариантов в окрестностях опорного для выбора из них рационального варианта.

Из множества допустимых вариантов системы, удовлетворяющих связям математической модели, вытекает основная задача формирования облика системы – определить те параметры, которые обеспечивают максимальную эффективность системы.

Особенности методологии выбора рациональных параметров системы обусловлены большим количеством оптимизируемых параметров, сочетанием дискретной и непрерывной природы их изменения, неопределенностью условий применения системы. Это делает необходимым проведение раздельной оптимизации параметров дискретной и непрерывной природы, что предъявляет свои требования к декомпозиции общей задачи и проведения параметрических исследований.

Выбор рационального варианта предусматривает определение такого из исследуемых вариантов, который обеспечивает максимальную эффективность системы с учетом диапазона неопределенностей внешней среды.

Обобщенная схема выбора рационального варианта системы

1. Формирование множества вариантов структур системы и оптимизация проектных параметров для каждого варианта структуры.

Для каждого варианта структурных (дискретных) параметров {S} анализируются параметры непрерывного изменения - проектные параметры {р}, выделяются параметры, оказывающие влияние на выбор структуры системы (проводятся параметрические исследования и анализ влияния проектных параметров {р} на различные варианты структуры), определяются оптимальные значения проектных параметров {р }* для заданной структуры.

2. Сравнительная оценка эффективности вариантов структур и выбор рациональных значений структурных и основных проектных параметров системы.

Проводятся параметрические исследования в области оптимальной точки с целью определения тенденций изменения параметров при отклонении исходных данных и условий применения от заданных, чувствительности критерия эффективности к изменению параметров.

Различают локальный и глобальный уровни исследований.

Локальный уровень – исследования параметров подсистемы проводится независимо от системы более высокого уровня.

Глобальный уровень – исследования параметров подсистемы проводятся в широкой области изменения параметров и условий применения системы в целом с корректировкой задач, критериев, ограничений. При этом устанавливается взаимосвязь основных проектных параметров системы и параметров подсистем, функционирующих в составе системы в различных условиях применения.

Методы сравнения вариантов

Метод косвенного сравнения вариантов: по параметрам сравниваемых вариантов, по обобщенным показателям, по потенциальным возможностям – без вычислений абсолютных значений показателя эффективности – используются для предварительного отбора вариантов для оценки непосредственными методами.

Методы непосредственного сравнения вариантов базируются на оценке эффективности каждого варианта для различных структур и условий применения.

Результирующая матрица может быть получена в виде:

	U1	U2	…	Uj	…	Un
{a}1	W11	W12		W1j		W1n
{a}2	W21	W22		W2j		W2n
…	…	…	…	…	…	…
{a}i	Wi1	Wi2		Wij		Win
…	…	…	…	…	…	…
{a}m	Wm1	Wm2		Wmj		Wmn

где {a}i, i = 1,m – сравниваемые варианты проектируемого элемента

U j, j = 1,n – варианты условий применения.

Использование полученной матрицы для выбора рационального варианта встречает затруднения: сравнение вариантов возможно только для одного варианта условий применения исходя из max Wij, для диапазона условий применения { U₁, U₂, …, U_n } однозначного преимущества какого либо варианта, как правило, не бывает.

Задача сравнения вариантов в этом случае может рассматриваться как задача принятия решений в условиях неопределенности. Недостатки метода – большой объем расчетов и сложность учета широкого диапазона условий применения.

10 ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИНТЕЗА СИСТЕМЫ

10.1 Основные задачи и типы информационных систем

Общие свойства информационных систем

Можно выделить, по крайней мере, два свойства, которые являются общими для всех информационных систем и которые и определяют систему как информационную.

Во-первых, любая информационная система предназначена для сбора, хранения и обработки информации. Поэтому в основе любой информационной системы лежит среда хранения и доступа к данным, которая должна обеспечивать уровень надежности хранения и эффективность доступа.

Во-вторых, информационные системы ориентируются на конечного пользователя (чаще всего непрофессионального в компьютерном отношении), что требует простого, удобного, легко осваиваемого развитого интерфейса, который должен предоставить конечному пользователю все необходимые для его работы функции (для вычислительных программ такой интерфейс необязателен).

Информационные системы в зависимости от конкретной области применения могут очень сильно различаться по своим функциям, архитектуре, реализации.

Общие требования к любым информационным системам:

- надежность и продолжительность хранения информации, в том числе, хранение данных, обладающих разными структурами;

- открытость системы и требование ее развития (могут появиться новые функции, для выполнения которых требуются дополнительные данные с новой структурой, при этом вся накопленная ранее информация должна остаться сохранной).

Решение этих задач определяется конкретными требованиями к информационной системе.

Проектирование информационных систем как сложных систем должно подчиняться тем же принципам системного подхода с учетом специфических особенностей процесса проектирования таких систем.

Особенности проектирования информационных систем определяются сложностью взаимодействия между создателями информационной системы – специалистами в программировании, но не в конкретной предметной области, для которой создается информационная система, и заказчиками – специалистами в предметной области, но не в программировании.

Опыт создания больших информационных систем позволили к настоящему времени обобщенно сформулировать основные особенности, задачи информационных систем и требования к системам.

Прежде всего, это сложность взаимодействия между создателями информационной системы – специалистами в программировании, но не в той предметной области, для которой ними создается информационная система, и заказчиками – специалистами в предметной области, но отнюдь не в программировании.

Информационная система может быть создана только в результате взаимопонимания между разработчиками и заказчиками, в результате чего определяются и наполняются содержанием основные понятия информационной системы как сложной системы: определяются функции системы в целом и ее подсистем, ее границы, формируются требования к системе.

Примеры больших информационных систем

Обеспечение управления бизнес-процессами.

Задачи: оценить состояние дел, проанализировать положительные и отрицательные тенденции, определить перспективы развития бизнеса.

Функции:

- контроль продажи продукции (большая номенклатура продукции и значительное количество потребителей);

- подготовка информации для формирования бизнес-планов;

- обеспечение информационных потребностей отраслей, малых и средних предприятий (законодательные базы, анализ игроков на рынке и т.п.).

Геоинформационные системы.

Задачи: обеспечение достоверной информацией, координация работ, формирование планов развития.

Функции:

Обеспечение управлением городским хозяйством: объектно-ориентированная электронная карта города, состояние объектов недвижимости, градостроительство, инженерные коммуникации (водное хозяйство, канализация, автодороги), состояние экологии.

Обеспечение управлением коммуникациями региона (железные дороги, автодороги, линии электропередачи и др.): предоставление оперативных данных по объектам инфрастуктуры, управление эксплуатацией, выполнение инженерных и проектных расчетных работ, проектирование развития и реконструкции.

Наблюдения Земли из космоса – совокупность функционально взаимосвязанных космических аппаратов и наземных средств, предназначенных для решения целевых задач. Назначение системы (например, при мониторинге пожаров): предоставление оперативных данных по объектам наблюдения, контроль состояния объектов.

Требования к системе: предоставление общей и детальной оперативной информации, обеспечение оперативного анализа данных для аналитических исследований, обеспечение моделирования процессов.

Конкретные задачи информационной системы зависят от ее прикладной области: банковское дело, страхование, медицина, транспорт, образование, управление и т.д., которые и определяют облик системы. Но можно выделить некоторое количество задач, не зависящих от специфики прикладной области – задачи, связанные с общими чертами информационных систем.

Основные задачи, общие для больших информационных систем - обеспечение изучения больших объемов взаимосвязанных данных при помощи быстрого интерактивного отображения информации на разных уровнях детализации с различных точек зрения в соответствии с представлениями пользователя.

Стимулом к развитию информационных систем явилась необходимость обеспечения крупного и среднего бизнеса эффективной системой поддержки принятия решений (СППР), которая информационно обеспечивает решение трех основных традиционных управленческих задач: где мы находимся?, куда мы хотим придти?, как этого достичь?

Современные информационные технологии при поиске ответов на эти вопросы позволяют формулировать и решать следующие классы задач (функций).

Аналитические – вычисление заданных показателей и статистических характеристик деятельности на основе информации из базы данных.

Визуализация данных – наглядное графическое и табличное представление информации.

Получение новых знаний – определение взаимосвязей и взаимозависимостей процессов на основе существующей информации в базе данных, выявление закономерностей и тенденций развития.

Имитационные – проведение на ЭВМ экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение сложных систем в течение заданного интервала времени (применяются для анализа возможных последствий принятия решения).

Синтез управления – для определения допустимых управляющих воздействий, обеспечивающих достижение заданной цели (применяются для оценки достижимости заданных целей, определения множества управляющих воздействий, приводящих к заданной цели).

Оптимизационные – интеграция имитационных, управленческих методов моделирования и прогнозирования для выбора на множестве возможных управлений тех из них, которые обеспечивают наиболее эффективное (для заданного критерия) достижение цели.

Обобщение основных задач информационной системы и требований к системе позволяют понятие информационной системы сформулировать в следующем виде.

Информационная система – комплекс методологических, логических, программных, технических информационных, организационных средств, поддерживающих процессы функционирования информатизируемого объекта.

Процесс проектирования информационной системы организовывается в обеспечение основной функции системы - обеспечения ввода, хранения, обновления и удаления данных. При этом должно выполняться основное требование – обеспечение соответствия хранимой информации состоянию предметной области.

Поддержка этих функций существенно повышает уровень требований к СУБД, особенно для групповых и корпоративных систем (автоматическая согласованность действий при обеспечении возможности работы с нескольких рабочих мест различных групп пользователей с различными функциями) - все результаты, получаемые от информационной системы должны соответствовать согласованному состоянию базы данных, т.е. быть достоверными и непротиворечивыми.

Функции и задачи информационной системы определяют ее архитектурные решения.

Проектирование и разработка информационной системы может базироваться на разных архитектурных решениях.

Возможные архитектуры информационных систем: традиционное использование выделенных файл-серверов или клиент-серверов, корпоративные информационные системы, базирующиеся на технологии Internet (Intranet-приложения), информационные системы, основанные на концепции "хранилища данных" - интегрированной информационной среды, включающей разнородные информационные ресурсы.

Как и любая классификация, эта классификация архитектур информационных систем не является абсолютно жесткой – в любой конкретной информационной системе можно найти влияния нескольких общих архитектурных решений.