§ 3.2. Этапы разработки и проектирования аис

В настоящее время работающие на промышленных предприятиях АИС охватывают разный уровень управления, различные технологические процессы, участки производства, огранизационно-хозяйственные службы предприятия. АИС реализуются на вычислительной технике третьего поколения, но в большинстве своем автоматизируют часть функций управления, в соответст­вии с чем достигается экономический эффект от внедрения и функционирования системы. Эффективность АИС во многом оп­ределяется теми техническими решениями, которые были зало­жены при ее проектировании. Решение проблемы разработки АИС во многом определяется характером объекта, совершенст­вом организационной схемы существующего управления, источ­никами экономической эффективности при автоматизации, ис­пользуемыми методами и средствами проектирования. Только снижение сроков разработки и создания АИС при ограниченном сроке морального старения технических средств позволяет эф­фективно использовать систему, а поэтому процесс создания и проектирования АИС требует системного подхода с учетом слож­ности объекта управления, окружающей среды, углубляющихся взаимосвязей между объектом управления и средой.

Технология создания АИС должна преследовать также ис­пользование современных методов проектирования: средств ав­томатизации, типовых проектных решений, совершенных эконо­мико-математических моделей, рациональных средств декомпо­зиции моделей и выбор оптимальных уровней агрегирования информации. При построении системы необходимо руководство­ваться основными принципами системного подхода, которые за­ключается в следующем: 1) пропорционально-последовательном продвижении по этапам создания системы; 2) согласовании ин­формационных, надежностных, ресурсных и других характери­стик; 3) правильном соотношении отдельных уровней иерархии в системе; 4) целостности отдельных обособленных стадий по­строения АИС. При этом должен реализовываться главный принцип—обеспечение максимальной эффективности построен­ной системы.

Так как АИС является информационной системой, то эффек­тивность зависит от количества управляющей информации, ко­торая используется в системе для принятия решения. Внешняя управляющая информация в АИС служит для упорядочения со­стояния управляемой системы и уменьшения ее неопределенно­сти, которая оценивается энтропией. Если в неупорядоченной системе имело место по состояний и состояния были равноверо­ятны, то до внесения управляющей информации энтропия систе­мы может быть определена как H₀=log₂n₀=kln(n₀), где k — ко­эффициент перехода от двоичного алгоритма к натуральному. При внесении управляющей информации энтропия Но уменьша­ется до значения И, что соответствует уменьшению неопределен­ности состояний системы. Тогда число состояний уменьшается до л, т. е. многие из состояний становятся недопустимыми после введения управляющей информации. Количество управляющей информации численно равно уменьшению энтропии, т. е.I=H₀-H=kln(n₀/n). Отсюда число состояний после введения управляющей информации определится как

Для оценки эффективности системы примем некоторый закон, определяющий зависимость эффективности системы Э от неупо­рядоченности. Запишем эффективность в виде Э=Эmах[1-(n)], где Эmах—максимальное значение эффективности для некоторой идеальной системы, т. е. системы, обладающей фор­мальной структурой; (n) —некоторая функция, которая зави­сит от модели, связывающей эффективность с числом состояний. Если (n) =n/n₀, то

Н а рис. 3.2 построена зависимость Э от количества управ­ляющей информации I. Видно, что при бесконечном увеличении количества управляющей информации эффективность не может превысить максимального значения (Э_max). Это значение опре­делено конструктивными решениями, заложенными при проекти­ровании системы» а поэтому для созданной системы нецелесооб­разно ввиду ее удорожания увеличивать количество управ­ляющей информации выше не­которого предела. Экономиче­ского эффекта это не даст, а затраты на создание системы резко увеличатся. Действи­тельно если ввести некоторый коэффициент эффективности по затратам =dЭ/dI, то не­трудно увидеть, что по мере усложнения системы этот ко­эффициент уменьшается, а поэтому целесообразно переходить к новым конструктивным решениям, изменять функциональную структуру. Тогда получается новый уровень (Э_max1). Этот эффект (исходя из системного подхода) является эффектом развития системы, когда, выявив недостатки созданной системы, перехо­дят к системе, обладающей новыми качествами с повышенным уровнем Эmах₁,. Проектирование АИС можно разделить на два этапа: макропроектирование и микропроектирование. Этап мак­ропроектирования отвечает на вопрос: с какой целью создается АИС? Этап микропроектирования отвечает на вопрос: на каких средствах реализуется система? В модельном представлении этап макропроектирования отражает уровень концептуального и логического проектирования, этап микропроектирования—уро­вень физического проектирования. Последовательность разра­ботки АИС на этих этапах представлена на рис. 3.3.

Этап макропроектирования состоит из подэтапов анализа и синтеза. На подэтапе анализа формулируется цель управления (Ц) исходя из особенностей изучения объекта уп­равления (ОУ), окружающей среды (С). Для формулировки це­ли управления необходимо выбрать и соответствующие критерии (К), поскольку может быть множество целей» которые на осно­ве дерева целей могут быть сведены к глобальной цели (Ц). Из-за сложности объекта управления и трудности выделения этого объекта из окружающей среды представляем объект в виде не-

которой модели (МО). Создание модели возможно, если извес­тен (либо выбран) критерий эффективности функционирования АИС. Данные об объекте выбираются непосредственно из само­го производства. Исходными данными для разработки АИС слу­жит описание объекта управления, куда входят элементы струк­туры объекта и их количественные отношения, характеристики стабильности объекта, взаимосвязь объекта с окружающей сре­дой, ресурсы и ограничения (РО).

В условиях социалистического хозяйствования критерием уп­равления предприятием может служить максимум прибыли при ограничении на номенклатуру выпускаемой продукции. При этом возникает проблема разработки частных математических моделей управления для отдельных задач. На основе такой мо­дели могут быть выбраны функции, подлежащие управлению, определена необходимая степень агрегирования информации, оценены затраты при разработке различных вариантов органи­зации вычислений по данным функциональным задачам. Чтобы система была эффективной, она должна удовлетворять двум ос­новным условиям: прибыльности и возможности сопровождения, заключающейся в создании документации по эксплуатации си­стемы и возможности внесения в эту документацию соответст­вующих изменений, отражающих производство и совершенство­вание системы управления им. Таким образом, на концептуаль­ном уровне на основе общей математической модели управления происходит переход к частным математическим моделям. При логическом проектировании, как следующем этапе разработки АИС, определяется множество моделей управления, которые реализуют все функции управления, подлежащие автоматиза­ции, устанавливается множество задач, решаемых АИС, с учетом частоты решения каждой задачи и качества алгоритмов, реали­зующих эти решения.

После завершения подэтапа анализа весьма существенным оказывается подэтап синтеза. Здесь предусматривается со­здание модели АИС (МАСУ) и выбор некоторой стратегии уп­равления (СУ). Подэтап синтеза реализуется также на двух уровнях: на концептуальном и логическом. На логическом уров­не можно формализовать задачу синтеза АИС и необходимо уде­лить основное внимание синтезу модели АИС. В основе синтеза модели АИС лежит синтез ее структуры, а поэтому необходимо формальными методами синтезировать организационную, функ­циональную, алгоритмическую и техническую структуры. Здесь должны быть использованы знания инженера-системотехника в области математических методов моделирования, на основе чего удается получить рациональное решение по структуре системы как основе дальнейшего построения ее обеспечении.

Основным этапом в работе выпускника специальности инже­нера-системотехника является этап макропроектирования. Имен­но при макропроектировании закладываются основные свойст­ва системы.

Этап микропроектирования оказывается не менее важным. От того, как реализуется физический уровень системы, зависят количественные характеристики ее свойств. При микро­проектировании осуществляется разработка организационного (00), информационного (ИО), математического (МО), про­граммного (ПО)» алгоритмического (АО), технического (ТО), правового (ПРО) и эргономического (ЭО) обеспечении. В этой работе участвуют инженеры различных специальностей, здесь реализуется физический уровень АИС, для которого характерны необходимость оценки параметров создаваемой системы, выбор критериев качества функционирования, обеспечение значений этих критериев в пределах, определенных техническим задани­ем. На этапе микропроектирования важным оказывается математическое обеспечение как совокупность экономико-математи­ческих моделей управления производством и техническое обе­спечение, на котором реализуется система. Достаточно тради­ционным стала централизованная структура технических средств АИС с мощными ЭВМ и иерархической структурой уровней уп­равления.

На средних и крупных предприятиях различных отраслей уже в настоящее время можно выделить три основных иерархи­ческих уровня, автоматизация каждого из которых требует при­менения ЭВМ различной производительности. Верхний уро­вень связан с планированием и организационным управлени­ем предприятием и его основными отделами. Здесь может быть использована одна или несколько ЭВМ средней мощности. Средний уровень предназначен для учета работы произ­водства, календарного планирования, оперативного управления, здесь с успехом нашли использование мини-ЭВМ, которые рас­пределяются по цехам предприятия. Нижний уровень предназначен для контроля и управления технологическими про­цессами, он реализуется на локальной сети микропроцессоров,

Микропроцессоры имеют специализированный характер при­менения: одни используются для контроля, другие для автома­тического регулирования технологических процессов, третьи для автоматизации пуска и останова установок, агрегатов и т. д. Для верхнего и более высоких уровней управления характерно использование машин в мультитерминальном режиме, что поз­воляет по запросу различным пользователям отдельных служб предприятия получать в диалоговом режиме необходимую ин­формацию для управления.

Чтобы пользоваться централизованным банком данных, целе­сообразно иметь сеть, связывающую ряд ЭВМ. Сеть ЭВМ явля­ется отличительной особенностью современного этапа развития АИС, этапа перехода к интегрированным системам управления. Поэтому на уровне микропроектирования возникает задача со­здания локальных сетей, объединяющих ЭВМ разных типов, разработки программной реализации таких сетей при решении задач АИС в реальном масштабе времени. Поэтому необходимо усилить работу по микропроектированию в области создания ап­паратных и программных интерфейсов, программ управления совместной работой совокупности ЭВМ, методов распределен­ной обработки информации с использованием различных типов банков данных. Проблемы создания информационного, техниче­ского и программного обеспечений являются исключительно ак­туальными, от их решения зависит эффективность создания и внедрения АИС.

Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию АИС (ОРММ) устанавливают следующие этапы: предпроектный анализ (обследование предприятия и разработка технического задания на проектирование), разработка проекта (технический и рабочий проекты) и ввод АИС в эксплуатацию, При проектировании АИС встречается целый ряд принципиаль­ных отличий предприятия как объекта управления. Проектиро­вание АИС обычно ведется для конкретного предприятия, в то время как другие технические системы являются более универ­сальными. Кроме того» обычно оказывается невозможным про­ведение натурных испытаний, позволяющих оценить использова­ние того или иного метода управления, а поэтому значительно повышается роль математических методов, в том числе анали­тического и имитационного моделирования на этапе макропро­ектирования.

Так как система является дорогостоящей, то необходимо за­ложить возможность ее последующего развития как по горизон­тали (наращиванием решаемых функциональных задач), так и по вертикали (увеличением числа иерархических уровней уп­равления при перераспределении управляющих функций). При создании АИС нужно ориентироваться на современную техниче­скую базу, учитывать возможность ее быстрого развития, по­этому необходимо использовать перспективные технические средства.

На стадии предпроектного анализа проводится об­следование и готовится технико-экономическое обоснование раз­работки АИС. Разработка АИС осуществляется обычно по пла­нам министерства либо в соответствии с решениями других орга­нов. Возможны различные варианты создания системы. Для уже действующего предприятия, где создана и функционирует ручная система управления, определена номенклатура выпускаемой про­дукции и функции управления отдельных подразделений, АИС может создаваться в условиях реконструкции предприятия, рас­ширения производства и номенклатуры выпускаемой продукции. Но наиболее благоприятны случаи, когда АИС создается для вновь строящегося предприятия.

Разработка технического задания, в котором должны быть определены принципы построения, организационная и функцио­нальная структуры АИС, основные требования к подсистемам, намечены пути совершенствования организационной схемы уп­равления, осуществляется на предпроектном этапе. Для повы­шения качества проектных решений на предпроектном этапе не­обходимо широко использовать формализованные методы ана­лиза объекта, стандартные формы документации для отображе­ния результатов обследования.

Разработка проекта проводится в два этапа: выпол­няются технический и рабочий проекты. На основании техниче­ского задания составляется общий технический проект на всю АИС, а потом подробный технический проект по очередям ее за­пуска. При их разработке необходимо учесть взаимодействие АИС с подсистемами других уровней, а именно: с отраслевой АИС, с АИС технологическими процессами. Состав общего технического проекта имеет ряд типовых разделов, связанных с обо­снованием проектных решений, набором задач, определением ор­ганизационной и функциональной структур АИС и т. д. При ра­бочем проектировании выполняются в основном работы, связан­ные с микропроектированием системы. Создаются обеспечиваю­щие подсистемы, пишутся инструкции персоналу АИС. Рабочий проект фактически отражает все особенности созданной систе­мы и формально представляет будущую.

Кроме технического и рабочего проектов при создании слож­ных и оригинальных систем возможно наличие предварительной стадии — эскизного проектирования. Эскизный проект описыва­ет предлагаемую систему управления путем рассмотрения воз­можных вариантов структурных схем, способов организации ин­формационного обеспечения, выбора вариантов алгоритмов об­работки информации. Из альтернативных вариантов выбирают­ся наилучшие и предлагаются на рассмотрение заказчику. Если создан рабочий проект системы, то осуществляется ввод си­стемы в эксплуатацию. На этом этапе завершаются строительно-монтажные и пусконаладочные работы, начинается опытная эксплуатация, и проводятся сдаточные испытания си­стемы.

В период опытной эксплуатации выявляются недостатки и упущения предыдущих этапов, вводятся дополнительные усовер­шенствования, отрабатываются программы ЭВМ. Дополняются инструкции обслуживающему персоналу, производится отладка всех видов обеспечения АИС и проводится оценка работы АИС в реальном масштабе времени. Путем сдаточных испытаний си­стема передается в промышленную эксплуатацию. На этом эта­пе возможно последующее совершенствование системы и даже ее реконструкция.

Технический и рабочий проекты вместе составляют технорабочий проект, который должен разрабатываться одновременно с подготовкой самого объекта к вводу АИС в эксплуатацию.

Ввод АИС в эксплуатацию требует предварительной подго­товки объекта. На технологическом уровне невозможно созда­ние эффективной АСУ ТП без разработки технологии, оптималь­ной для введения автоматизации. На организационно-экономи­ческом уровне управления необходима коренная перестройка организационной схемы управления производством с перерас­пределением функций управления и обработки информации с учетом возможностей современных технических средств и управ­ления в реальном масштабе времени при наличии больших объ­емов циркулирующей информации. Нерациональная организа­ционная структура объекта при автоматизации не сокращает об­служивающий персонал. Возрастающие объемы информации в условиях ручного распределения функций управления могут только разобщить управляющий персонал, для чего потребуется вводить дополнительных координаторов, объединяющих частные функции управления для реализации единой цели управления в системе. Несмотря на узаконенный существующий порядок раз­работки АИС, методика выполнения этих работ, содержание, ор­ганизация их на месте не являются четко определенными; в свя­зи с этим имеют место удлинение сроков разработки и внедре­ния, снижение эффективности работы построенной АИС.

Для правильного определения затрат финансовых, техниче­ских и людских ресурсов на построение АИС необходимы: раз­работка экспресс-методом социальной готовности предприятия, оценка уровня техники и технологии, наличие резервов произ­водства. Методическая работа в этом плане является исключи­тельно актуальной. Возникшие на этапе технического задания ошибки при внедрении системы ведут к огромным задержкам и экономическим потерям. Отсутствие экономического обоснова­ния технического задания часто является одним из наиболее слабых мест большинства проектов АИС. Необходимо повышать ответственность заказчика и разработчика за обоснованность и проработанность технических заданий. Например, на этапе со­здания технического проекта обычно не уделяется внимание ис­следованию разрабатываемых алгоритмов АИС. Эта проработ­ка возможна с использованием имитационных моделей. Это по­зволяет, не затрачивая реальных ресурсов, оценить основные по­казатели алгоритмов, что особенно важно на этапе их последую­щего применения. Весьма существенным оказывается проекти­рование необходимых изменений в общей системе управления предприятием при внедрении АИС. Необходимы социальный и психологический анализ существующей системы управления, ме­тодика проведения подобных работ, участие в разработках АИС социологов и психологов. Этап внедрения АИС нередко носит кустарный характер, отсутствуют общие разработки по техноло­гии внедрения на предприятиях отдельных задач АИС, обучению персонала и т. д.