§ 3.3. Проблема автоматизации проектирования и пути формализации структуры аис

Сокращение сроков и уменьшение стоимости разработки АИС при повышении эффективности и научно-технического уровня создаваемых систем возможно лишь при широком внедрении систем автоматизированного проектирования АИС (САПР АИС). При создании АИС существует вполне установившаяся последо­вательность принятия основных проектных решений: предпроектный анализ, концептуальное, логическое и физическое проек­тирование. Эти этапы могут быть представлены двумя основны­ми стадиями: содержательным проектированием, включающим в себя три первых этапа, и разработкой рабочего проекта, т. е. фи­зическим проектированием [20]. САПР АИС в основном наце­лены на автоматизацию разработки рабочего проекта, в то же время недоучет важности стадии содержательного проектирова­ния приводит к существенным ошибкам, которые закладывают­ся на ранних этапах создания системы и приводят к недостаточ­ной ее эффективности. Поэтому можно считать, что наиболее актуальной задачей является автоматизация проектирования ранних этапов создания АИС, в основе которых лежит разработ­ка функциональной и алгоритмической структуры. Необходимо разработать формальные методы синтеза структуры, а также со­ответствующие инструментальные средства автоматизации про­ектирования. Нельзя исключить и проблему согласования ста­дий содержательного проектирования и рабочего проекта, по­скольку важно выбрать структуру вычислительного процесса АИС, который реализует обработку информации, необходимой для решения задач управления в системе.

Существует целый ряд систем, ориентированных на проекти­рование задач обработки данных. Эти системы являются незави­симыми от объекта управления, но в них не решаются проблемы автоматизации этапа содержательного проектирования. Разрабо­таны используемые на стадии содержательного проектирования АСУП отдельные методы автоматизации: элементный, подсистемный, объектный, модельный. Они отличаются степенью ох­вата автоматизируемых функций управления, реализуемых в процессе управления [21]. В основе элементного метода лежат типовые проектные решения, которые, однако, достаточно сложно реализовать на конкретном объекте управления, но они позволяют сократить трудоемкость разработки в среднем на 30% по сравнению с индивидуальным проектированием. При подсистемном методе типовые проектные решения прини­маются на уровне функциональных подсистем, создаются типо­вые пакеты прикладных программ, что обеспечивает уменьше­ние информационных связей при выбранных экономико-матема­тических моделях, однако при конкретной привязке к объекту управления систему приходится дорабатывать. При объект­ном методе создание АИС ориентируется на обобщенный объ­ект, т. е. выбирается некоторый класс предприятий. В качестве примера можно отметить разработанную систему «Сигма». Зна­чительный интерес представляет модельный метод проекти­рования, который предполагает наличие обобщенной математи­ческой модели управления с последующей декомпозицией этой модели на частные модели, отображающие формальные поста­новки функциональных задач АИС. Наибольшую сложность при этом представляет построение гипотетической обобщенной мо­дели, основанной на анализе и обследовании совокупности пред­приятий [19]. Проектные решения, выбираемые на базе этой модели, не всегда пригодны для каждого последующего объек­та автоматизации. Возможно автоматизировать лишь тот класс предприятий, для которых установились организационная струк­тура и методы управления. Полезным может считаться подход, когда экономико-математическая модель управления строится непосредственно в соответствии с данным объектом. Желатель­но, чтобы такая модель была достаточно общей и характеризо­вала большой класс объектов. Отсюда возникают противоречия между общностью модели и конкретным автоматизируемым объектом, поскольку предприятия имеют серьезные индивиду­альные особенности.

Современное промышленное предприятие—это большая и сложная система. Наличие огромного количества взаимосвязан­ных элементов, функционирующих в динамике, не позволяет с достаточной точностью найти математическое описание объекта, а поэтому проектирование АИС носит творческий и зачастую ин­дивидуальный характер. Существен и субъективный фактор в процессе проектирования, поэтому полная автоматизация про­цесса проектирования АИС пока невозможна. Задачу автомати­зации следует ставить с учетом использования на отдельных этапах творческих возможностей человека, освобождая его от рутинных операций. Выбор проектного решения остается зада­чей творческой и относится к человеко-машинным процедурам. Вопрос состоит в создании систем автоматизированного проек­тирования, которые должны базироваться на новой информа­ционной технологии.

Независимо от путей решения этой проблемы центральной задачей, решаемой на стадии содержательного проектирования, является синтез структуры АИС. Он предполагает прежде всего определенные пути ее формализации. Для этого, как указыва­лось выше, выберем такие аспекты структуры, как организаци­онный, функциональный, алгоритмический и технический. Ре­альная структура представляет собой набор элементов, взаимо­действующих во времени и пространстве. При формализации необходимо использовать подход, позволяющий отобразить структуру с помощью известного математического аппарата.

Чтобы увязать реальные производственные потоки и инфор­мацию, описывающую управление, полезно воспользоваться теорией графов. На ее основе структуру АИС можно представить следующим образом: элементы структуры располагаются в уз­лах графа, а дуги отображают всевозможные отношения между этими элементами. Совокупность дуг и узлов создает формаль­ное отображение структуры. В зависимости от содержания вер­шин и дуг графа можно отобразить организационную, функцио­нальную, алгоритмическую либо техническую структуры. Дей­ствительно, отношения между вершинами, закрепленные в виде дуг, могут отображать материальные, энергетические, информа­ционные потоки. Значение этих отношений позволяет осущест­вить параметрический синтез различных аспектов структуры и дает возможность выбрать оптимальную организационную структуру системы, оценить требуемые вычислительные мощно­сти, допустимые потоки информации, документооборот и целый ряд других параметров структуры АИС- Вершины графа при отображении организационной структуры есть подразделения предприятий, для функциональной структуры—это функции или задачи управления, для алгоритмической структуры — алго­ритмы, для технической — аппаратные средства. Совокупность дуг графа в организационной структуре отображает схему ор­ганизационного управления, в функциональной — связи между подсистемами, в алгоритмической—связи по управлению либо по информации, в технической—физические связи между эле­ментами. Формализация отношений между вершинами может быть выполнена также на основе типового математического ап­парата.

В наиболее простом случае, когда отображают наличие или отсутствие связей, используют функции бинарных отношений. Эти функции, могут быть сведены в матрицы отношений, и тогда любая организационная структура представляется в виде графа либо матриц отношений между элементами. Это позволяет про­водить на графе формальные преобразования и при оптимиза­ционной постановке задачи получать наиболее целесообразные виды организационной структуры АИС. В качестве такого фор­мального преобразования может быть использовано возведение матриц в определенные степени, что позволяет переходить от матрицы отношений к матрице цепочек соединений. На основе матрицы цепочек соединений можно найти отношения между удаленными подразделениями. Если перейти к матрице цикли­ческих соединений или матрице циклов, выполнив ряд формаль­ных операций над матрицами, то в организационной структуре можно выявить цепи обратной связи, найти циклы, связанные с обратными потоками управления, с возвратами документов и другими задачами. В частности, из матрицы циклов путем вы­деления групп тесно связанных вершин можно получить классы отношений эквивалентности, что позволяет выявить подразделе­ния, которые взаимодействуют по рассматриваемому признаку. Поэтому при автоматизации управления такие подразделения могут быть преобразованы на основе идей, полученных из фор­мального представления структуры. Принцип оптимизации ор­ганизационной структуры в том, чтобы объединить в одном под­разделении задачи, которые связаны между собой по информа­ционной базе, по функциональным потребностям, по програм­мным средствам и т. д. В этом случае необходимо проанализи­ровать функциональную структуру и построить граф с отобра­жением задач в вершинах графа, а отношений между задача­ми—в виде дуг графа. Используя аналогичные преобразования матриц, можно найти класс тесно связанных задач по рас­сматриваемым параметрам и соотнести эти задачи с конкрет­ными подразделениями предприятия. Целесообразно объеди­нить в одном подразделении задачи одного класса эквивалент­ности, перераспределив на основе этого функциональные задачи между подразделениями предприятия. Тогда переходят к новой организационной структуре, целесообразность которой можно оценить на основе параметрического расчета, т. е. определив пропускные способности подразделений» вычислительные мощ­ности, свойства документооборота и т. д. При этом могут изме­ниться требования, предъявляемые к аппаратным и програм­мным средствам, реализуемым на стадии рабочего проекта си­стемы.

В функциональной структуре могут быть выделены отдель­ные функциональные элементы, отображающие одну или не­сколько функций системы. Формализация такой структуры оз­начает вскрытие внутреннего содержания этих элементов. В наиболее простых случаях могут быть получены аналитиче­ские соотношения, отображающие зависимость выходных пара­метров от входных, что, однако, можно осуществить лишь в наиболее элементарных процессах управления.

Часто необходимо использовать кибернетические методы, ба­зирующиеся на математическом аппарате теории автоматов. В этом случае выделяют состояния функционального элемента на входе и выходе. Экспериментальным исследованием либо математическим моделированием находят частичную реакцию каждого выходного состояния от воздействия на одном входе при фиксации остальных. Вследствие такого анализа для каждого функционального элемента может быть получена матрица коэф­фициентов частичных эффектов и на основе объединения этих матриц найдена обобщенная матрица функциональной струк­туры АИС. Когда коэффициент частичного эффекта постоянен, то структура линейная и для нее могут быть выполнены доста­точно простые формальные отображения, позволяющие найти в явном виде связь между входом и выходом.

Так как функциональные элементы могут иметь различные назначения, то каждый функциональный элемент представляют моделью автомата. Здесь могут быть использованы модели ав­томата с памятью и комбинационного автомата. Для модели ав­томата с памятью внутренняя структура отображается с исполь­зованием двух функций отображения: перехода и выхода. Для автомата без памяти задают лишь функцию выхода. При нали­чии случайных воздействий на входе этот же математический аппарат позволяет найти распределение выходных воздействий. Таким образом, на основе аппарата теории автоматов могут быть формально описаны функциональные элементы структуры АИС. Объединение нескольких элементов в единую функциональ­ную структуру позволяет проанализировать поведение струк­туры во времени. При малоэлементной структуре в условиях полной информации получается последовательность состояний элементов, определяющая общее состояние системы в каждый дискретный момент времени. Дискрет времени зависит от перио­да поступления управляющих и возмущающих воздействий в системе. Для такой системы можно формально найти оптималь­ную структуру элемента принятия решения. В случае неполной информации, когда элемент принятия решения действует с рис­ком, задача усложняется, но она может быть решена с исполь­зованием известных математических приемов. Таким образом, организационная и функциональная структуры могут быть фор­мализованы, и это является необходимым условием последую­щего синтеза алгоритмической структуры системы.

Функции системы как проявление ее свойств во времени реа­лизуются в инженерных решениях с помощью заранее принятых алгоритмов. Совокупность алгоритмов составляет алгоритмиче­скую структуру системы. Функциональная и алгоритмическая структуры позволяют перейти к автоматизированному проекти­рованию АИС. Такое проектирование программного, информа­ционного и других обеспечении возможно лишь в случае, если имеет место формализованное описание алгоритмов, позволяю­щее на базе формальных преобразований перейти к модулям программного и информационного обеспечении. Разработка про­граммного и информационного обеспечений относится к разделу рабочего проекта, когда на физическом уровне создается систе­ма обработки данных. Формальное представление обработки данных, т. е. логический уровень проектирования, может быть основан на понятиях действий над данными, использование ко­торых позволяет формализовать переход от алгоритма управле­ния к модулям программного и информационного обеспечений и дает возможность использовать типовую технологию автомати­зации проектирования. Возникает задача спецификации дейст­вий, т. е. определения входных и выходных данных действий и взаимосвязи между действиями.

Автоматизированное проектирование АИС на этапе рабочего проекта должно базироваться на современной информационной технологии, в основе которой лежат данные, хранимые и сопро­вождаемые ЭВМ, а также информация, извлекаемая из этих данных. Особенностью данных является их относительно посто­янная структура. Данные в совокупности с действиями облада­ют высокой гибкостью и настраиваются на соответствующие структуры систем [18]. Поэтому если в основу положить дан­ные, то это позволяет использовать один и тот же математический аппарат для рассмотрения различных процессов действий над данными. Действия являются более изменяемыми, так как зависят от процесса управления. Действия управляются пото­ками данных. Определяя структуры данных и типизируя их, можно задать основные элементы проектируемых систем. Таким образом, задача на логическом уровне формально может быть сформулирована путем задания связей между данными, нахож­дения соответствующих структур данных и определения основ анализа различных управляемых структур на базе математиче­ской теории аппарата марковских цепей. Этот этап получил название разработки функциональных спецификаций. На логиче­ском уровне описания может быть выделено два типа логических элементов: «действие» (Д) и «объект действия» (О). Элемент Д определим именем, типом и значением. Элемент О характери­зуем определенной структурой, составом компонент и связями между ними. Элемент О может иметь некоторый собственный ресурс (назовем его внутренним). Элемент может использовать также чужой ресурс—внешний. Элемент Д может быть связан с элементами Д с помощью связей типов вход, выход, вход— выход. На рис. 3.4 представлена структура связей элементов Д и О с раскрытием различных типов связей. Выделены элементы «объекты действий» O₁, О₂, О₃. элемент «действие» Д, имеют место связи типа: вход (1), вход—выход (2), выход (3). На­правления связей отмечаются соответствующими стрелками. Связь типа «вход» указывает на то, что элемент Д использует элемент O₁ лишь для анализа и не изменяет его значения. Если связь имеет тип «выход», то без анализа элемент Д меняет зна­чение элемента Оз. Для реализации действия элемента Д необ­ходим некоторый ресурс. При раскрытии достаточно сложных структур элементов типа Д последовательно отображаются и ресурсы. На рис. 3.5 представлены внутренние и внешние ресур­-

сы некоторого элемента Д_i. Элемент Д_i декомпозируется на эле­менты Д_i1,Д_i11, Д_i12. Выделим внутренний ресурс R_i элемента Д_i и внешний ресурс Ri₁,. Задача распределения ресурсов осущест­вляется с помощью некоторых управлений данными. При созда­нии таких алгоритмов необходимо выделить этап определения структуры и этап установления параметров действий. На логи­ческом уровне это означает введение специальных типов эле­ментов Д, для которых относительно внешних связей опреде­лены только виды связей и типы объектов, а сами объекты не установлены. Может быть предложено понятие элемента Д с формальными параметрами. На рис. 3.6 представлен элемент типа Д как элемент без формальных параметров, а все, что ок­ружает этот элемент,— это формальные параметры Ф. Это по­зволяет иметь довольно широкие возможности по преобразова­нию неустановленных еще объектов. Конкретизация объектов означает определение формальных параметров.

При построении логической структуры необходимо опреде­лить, к какому действию принадлежит тот или иной ресурс. Эта задача может быть решена в различных постановках. В простей­шем случае можно считать, что для каждого элемента сущест­вует лишь один родитель, тогда устанавливается иерархия род­ства, все ресурсы принадлежат своим владельцам. Однако рас­пределение ресурсов является недостаточным условием опреде­ления структуры, необходимо описать функционирование во времени. Для этого наряду с ресурсами следует указать связи по управлению. Можно выделить потоки управления и преобра­зования информации и определить два типа элементов: 1 — эле­мент управления (управляющий элемент); 2—элемент преоб­разования (операционный элемент). Взаимосвязи этих элемен­тов представлены на рис, 3.7 в виде некоторой элементарной структуры управления. Здесь: Di₁, — источник управляющей ин­

формации, Di₂,—приемник управляющей информации, U—уп­равляющий элемент. Управляющая информация возникает в момент окончания действия источника и используется для включений действия приемника. Выделены линии управления и обработки информации. В качестве операционных элементов об­работки и преобразования информации выступают элементы Д.

Действия могут быть разделены на совместные и несовместные. Совместные действия образуют понятие процесса или задачи, с помощью управления определяется порядок взаимодействия за­дач. При несовместном действии существует ряд задач, которые могут иметь либо не иметь общих ресурсов. Пример управляю­щей структуры несовместного действия Д, состоящего из задач 3₁, З₂,...,Зn, представлен на рис. 3.8. Управляющая связь пере­ключается с помощью элемента разветвления Р. Модель управ­ляющих и информационных связей позволяет синтезировать структуры системы обработки информации.