Принципы системного подхода

Системный подход к проектированию

Понятие инженерного проектирования

Проектированиетехнического объекта - создание, преобразование и пред­ставление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответ­ствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выра­женной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее, окончательное описание объекта. Более коротко, проек­тирование —процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд про­межуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и ис­пользуемых при обсуждении и принятии проектных решений для окончания или продолжения проектирования.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным, в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизирован­ного проектирования САПР (в англоязычном написании CAD System -Computer Aided Design System).

Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов. Превалирующим в настоящее время является автоматизированное проектирование.

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики проектирования сложных систем.

Принципы системного подхода

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются очевидными и естественными, однако их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определенными трудностями, обусловливаемыми особенностя­ми проектирования. Как и большинство взрослых образованных людей, правиль­но использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры применяют системный подход без обращения к пособиям по системному ана­лизу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным для решения все более усложняющихся задач инженерной деятельности.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подходвключает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды.

Системный подход рассматривают как направление научного познания и социальной политики. Он является базой для обобщающей дисциплины «Тео­рия систем» (другое используемое название - «Системный анализ»). Теория систем - дисциплина, в которой конкретизируются положения системного под­хода; она посвящена исследованию и проектированию сложных экономичес­ких, социальных, технических систем, чаще всего слабоструктурированных. Характерными примерами таких систем являются производственные систе­мы. При проектировании систем цели достигаются в многошаговых процессах принятия решений. Методы принятия решений часто выделяют в самостоя­тельную дисциплину, называемую «Теория принятия решений».

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические систе­мы, их проектирование и которая аналогична теории систем, чаще называют системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых, орга­низация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы и принципы их проектирования и исследования. В систе­мотехнике важно уметь сформулировать цели системы и организовать ее рассмотрение с позиций поставленных целей. Тогда можно отбросить лишние и малозначимые части при проектировании и моделировании, перейти к поста­новке оптимизационных задач.

Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проектиро­вание и сопровождение невозможны без системного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвящен­ные изучению современных автоматизированных систем и технологий их при­менения.

Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде известных подходов с другими названиями, которые также можно рассматривать как компоненты системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы.

При структурном подходе, как разновидности системного, требуется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

Блочно-иерархический подходк проектированию использует идеи деком­позиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (вос­ходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке инфор­мационных систем и прежде всего их программного обеспечения (ПО), выра­жен в объектно-ориентированном подходек проектированию. Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем управления сложностью и интеграции ПО:

1) вносит в модели приложений большую структурную опре­деленность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов;

2) сокращает объем спецификаций благодаря вве­дению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свой­ствами объектов разных уровней иерархии;

3) уменьшает вероятность иска­жения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах.

Описание в каждом классе объектов допустимых обращений к ним и принятых форматов сообщений об­легчает согласование и интеграцию ПО.

Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также следующие особенности.

1. Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

2. Итерационный характер проектирования.

3. Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

Основные понятия системотехники

В теории систем и системотехнике введен ряд терминов, среди них к базо­вым нужно отнести следующие понятия.

Система— множество элементов, находящихся в отношениях и связях меж­ду собой.

Элемент- такая часть системы, представление о которой нецелесообраз­но подвергать при проектировании дальнейшему членению.

Сложная система- система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов, свойствами целенаправленности, целостности, иерархичности, многоаспектности. Очевидно, что современные автоматизированные информацион­ные системы и, в частности, САПР являются сложными в силу наличия у них перечисленных свойств и признаков.

Подсистема—часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.

Надсистема- система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой.

Структура - отображение совокупности элементов системы и их взаимо­связей; понятие структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

Параметр— величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды. Обычно в моделях систем в качестве пара­метров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы. Параметры подразделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие свойства элементов системы, самой системы, внешней среды соответственно. Векторы внутренних, выходных и внешних параметров далее обозначены X = (х₁, х₂, ..., х_n), Y = (у₁, у₂, ..., y_m),(Q = (q₁, q₂, ..., q_k)соответственно.

Фазовая переменная — величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы.

Состояние— совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования.

Поведение (динамика) системы— изменение состояния системы в процессе функционирования.

Система без последействия — ее поведение при t > t₀определяется зада­нием состояния в момент t₀и вектором внешних воздействий Q(t). В системах с последействием, кроме того, нужно знать предысторию поведения, т.е. со­стояния системы в моменты, предшествующие t₀.

Вектор переменных V, характеризующих состояние (вектор переменных состояния), - неизбыточное множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы в дальнейшем (в автономных системах без последействия).

Пространство состояний — множество возможных значений вектора переменных состояния.

Фазовая траектория — представление процесса (зависимости V(t)) в виде последовательности точек в пространстве состояний.

К характеристикам сложных систем, как сказано выше, часто относят следующие понятия.

Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.

Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым повторением или суммой параметров элементов.

Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т. е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения це­лое — часть.

Составными частями системотехники являются следующие основные разделы:

· иерархическая структура систем, организация их проектирования;

· анализ и моделирование систем;

· синтез и оптимизация систем.

Моделированиеимеет две четко различимые задачи:

1 — создание моделей сложных систем (в англоязычном написании - modeling);

2 - анализ свойств систем на основе исследования их моделей (simulation).

Синтез также подразделяют на две задачи:

1 — синтез структуры проекти­руемых систем (структурный синтез);

2 — выбор численных значений пара­метров элементов систем (параметрический синтез). Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.

Моделирование и оптимизацию желательно выполнять с учетом статисти­ческой природы систем. Детерминированность - лишь частный случай. При проектировании характерны нехватка достоверных исходных данных, неопре­деленность условий принятия решений. Учет статистического характера данных при моделировании в значительной мере основан на методе статистических испытаний (методе Монте-Карло), а принятие решений - на использовании нечетких множеств, экспертных систем, эволюционных вычислений.

Примеры.

1. Компьютер является сложной системой в силу наличия у него большого числа элементов, разнообразных связей между элементами и подсистемами, свойств целенаправленности, целостности, иерархичности. К подсистемам компьютера относят­ся процессор (процессоры), оперативная память, кэш-память, шины, устройства ввода-вывода. В качестве надсистемы могут выступать вычислительная сеть, автоматизиро­ванная и (или) организационная система, к которым принадлежит компьютер. Внутренние параметры - времена выполнения арифметических операций, чтения (записи) в накопи­телях, пропускная способность шин и др. Выходные параметры - производительность компьютера, емкость оперативной и внешней памяти, себестоимость, время наработки на отказ и др. Внешние параметры — напряжение питания сети и его стабильность, тем­пература окружающей среды и др.

2. Для двигателя внутреннего сгорания подсистемами являются коленчатый вал, механизм газораспределения, поршневая группа, системы смазывания и охлаждения. Внутренние параметры - число цилиндров, объем камеры сгорания и др. Выходные параметры - мощность двигателя, КПД, расход топлива и др. Внешние параметры -характеристики топлива, температура воздуха, нагрузка на выходном валу.

3. Подсистемы электронного усилителя - усилительные каскады; внутренние параметры - сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметры транзисторов; выходные параметры - коэффициент усиления на средних частотах, полоса пропускания, входное сопротивление; внешние параметры - температура окружающей среды, напряжения источников питания, сопротивление нагрузки.

Стадии проектирования

Стадии проектирования — наиболее крупные части проектирования как процесса, развивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии науч­но-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструк­торских работ, технического, рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партий. Стадию НИР иногда называют предпроектными иссле­дованиями или стадией технического предложения. Очевидно, что по мере пе­рехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов. Близким к определению ста­дии, но менее четко оговоренным понятием является понятие этапа проектиро­вания.

Стадии (этапы) проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. Примерами проектных процедур могут служить подготовка деталировочных чертежей, анализ кинематики, моделирование переходного процесса, оптимизация параметров и другие проектные задачи. В свою очередь, проектные процедуры можно расчленить на более мелкие компоненты, называемые проектными операциями, например, при анализе прочности детали сеточными методами операциями могут быть построение сетки, выбор или расчет внешних воздействий, собственно моделирование полей напряжений и деформаций, представление результатов моделирования в графической и текстовой формах. Проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей проектных процедур - марш­рутов проектирования.

Иногда разработку ТЗ на проектирование называют внешнимпроекти­рованием, а реализацию ТЗ - внутреннимпроектированием.

Содержание технических заданий на проектирование

В ТЗ на проектирование объекта указывают, по крайней мере, следующие данные.

1. Назначение объекта.

2. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками (пред­ставленными в вербальной форме) имеются числовые параметры, называемые внешнимипараметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды, внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т. п.

3. Требования к выходнымпараметрам, т. е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде условий работоспособности

y_tRT,

где y_t - i-й выходной параметр; R Î { =,<,>,>,<} - вид отношения; Т - норма i-го выходного параметра. В случае R = (равно) нужно задать требуемую точность выполнения равенства.

Примеры условий работоспособности:

· расход топлива на 100 км пробега автомобиля < 8 л:

· коэффициент усиления усилителя на средних частотах > 300;

· быстродействие процессора > 40 Мфлопс.

Лекция 2