§ 2.5. Проблема синтеза структуры аис.

Задача синтеза системы заключается в разработке перечня альтернативных гипотетических систем, на основе которых про­ектировщик может отобрать наилучшую систему по принятым критериям качества. В настоящее время такой синтез через ана­лиз получил наибольшее применение. При синтезе у проектировщика должна существовать некоторая модель требуемой системы, куда обычно включаются те элементы и отношения, которые необходимы и достаточны для адекватного представления модели реального объекта. Модель системы может существовать в виде некоторого образа, который формируется в уме проектировщика и может иметь содержательную либо математическую форму. Условия синтеза автоматизированной системы управле­ния различны. Могут быть заданы объект управления и система управления или только объект, и требуется синтезировать си­стему управления. В наиболее сложном случае встает задача синтеза объекта и системы управления. Для многих объектов управления уже существуют и функционируют ручные системы либо системы управления с минимальным использованием тех­нических средств. В этих условиях естественным мог бы быть путь создания АИС, который предполагал бы автоматизирован­ный сбор информации в существующей системе управления, ис­пользование ЭВМ для обработки информации при сохранении организационной структуры. Однако этот путь был бы ошибоч­ным.

Прежде чем приступать к созданию автоматизированной системы управления, нужно оптимизировать организационную схему управления производством. То же относится и к автомати­зированной системе управления технологическим процессом:

прежде чем автоматизировать технологический процесс, нужно его сделать пригодным для автоматизации. В противном случае получается копирование ручного метода управления, что не при­водит к совершенствованию управления и к экономическому эф­фекту создаваемой системы. В общем случае мы имеем объект управления и необходимо синтезировать автоматизированную систему. Существенной стороной синтеза АИС является синтез ее структуры, однако, охватить в рамках одного понятия струк­туры все стороны функционирования АИС нам не удается, а по­этому при синтезе АИС надо произвести декомпозицию на синтез организационной, функциональной, технической, алгоритмиче­ской и других видов структур. Синтез структуры обычно ведут на основе знания возможных принципов построения системы» множества функций, выполняемых системой управления, и эле­ментов системы. Переход к множественному описанию позволяет перейти от концептуальных к логическим моделям представле­ния системы. На этом уровне под моделью будем понимать неко­торую систему, адекватно отображающую какую-либо изучае­мую сторону реальной системы. Обобщенной моделью любой системы управления можно считать модель, включающую в се­бя четыре составляющих: модель системы управления, внешней среды, связей с внешней средой на входе системы, связей с внеш­ней средой на выходе системы. Такая обобщенная модель на концептуальном уровне может быть применена к организацион­ной, функциональной, технической, алгоритмической структурам. Каждая из этих структур может быть подвергнута декомпозиции на подсистемы в соответствии с выделяемыми службами управления, с этапами производственного цикла, с конкретными технологическими процессами, имеющими место в производстве.

Синтез структуры АИС надо начинать с организационной структуры. Основными элементами организационной струк­туры при ее синтезе выступают подразделения предприятия, лица-операторы, выполняющие функции по обработке докумен­тов, по принятию управленческого решения. Целью синтеза ор­ганизационной структуры является установление информацион­ных связей между подразделениями, определение функций по обработке информации отдельных операторов, оценка потоков информации» установление оптимальных путей движения и опти­мальных объемов документов. Оптимизация организационной структуры на этапе синтеза позволяет минимизировать связи между подразделениями, повысить их пропускную способность, упорядочить документооборот, ликвидировать замкнутые циклы в информационном потоке. В качестве характеристик организа­ционной структуры можно принять степень централизации и норму управляемости. Для каждой пары смежных уровней мож­но установить степень централизации как отношение объема задач, решаемых на верхнем уровне, к объему задач, решаемых на предшествующем. Норма управляемости оценивается объемом задач, которые эффективно могут быть решены руководителем.

Часто норма управляемости оценивается коэффициентом иерархии в человеческой системе; т. е. количеством работников, подчиненных одному руководителю. При повышении степени централизации улучшается управляемость системы, однако, уменьшается самостоятельность подчиненных подсистем и уве­личивается объем информации, обрабатываемой на верхнем уровне. В настоящее время проблема синтеза организационной структуры сводится к определению наилучшей организационной схемы управления, установлению оптимального распределения функций между операторами организационной структуры. Обыч­но в основе синтеза лежит принцип агрегирования—объедине­ния в одно подразделение задач, близких по своим информаци­онным связям. Целесообразно в один управляющий узел свести наиболее тесно связанные подразделения и операторы. При этом уменьшаются затраты на передачу информации, устраняется дублирование функций, исключаются замкнутые информацион­ные потоки.

На логическом уровне модель организационной системы мо­жет быть представлена на основе теории графов в виде некото­рого графа, а проблема распределения функций по подразделе­ниям и исполнителям формально разрешается путем разбиения графа в соответствии с минимизацией некоторого функционала! Обычно этот функционал выбирается в зависимости от внешних связей между подграфами, по сути — это разбиение на сильно связанные подграфы. Таким образом, принцип максимальной связанности задач, решаемых в каждом подразделении предприятия, позволяет оптимизировать организационную структуру на логическом уровне с использованием математического аппарата теорий графов. Весьма существенным является обеспечение ми­нимума потерь информации в организационной структуре. В ка­честве математического аппарата формализации может быть ис­пользован аппарат теории массового обслуживания. Каждое из подразделений может рассматриваться как система массового обслуживания, которая имеет соответствующее число входов и выходов и характеризуется принятыми законами поступления и обслуживания задач. Выбрав модели входного потока задач и закона обслуживания, можно оценить основные вероятностно-временные показатели функционирования организационной структуры АИС: вероятность отказа в обслуживании каким-то подразделением, вероятность потерь, время задержки, длину очереди, возникающей при обслуживании конкретных задач. В качестве критерия оптимизации может быть выбран критерий суммарных потерь информации. Необходимо найти такой закон обслуживания, такую конфигурацию организационной структу­ры, при которой значение данного критерия оказывается мини­мальным.

При синтезе функциональной структуры необходимо опре­делить функции, выполняемые каждым подразделением, состав обрабатываемой информации и последовательность обработки. Если при синтезе организационной структуры оптимизировались связи между элементами, находилось оптимальное расположе­ние элементов и оптимизировались потоки информации между ними, то при анализе и синтезе функциональной структуры АИС надо вскрыть содержание операций по управлению и обработке информации, выполняемых каждым элементом.

Так как АИС является информационной системой, то функ­ционирование АИС есть последовательность действий по обра­ботке информации, предназначенной для управления. Эта после­довательность может оцениваться на логическом уровне. Для отображения деятельности предприятий и операторов можно воспользоваться различными формальными приемами; например, рассматривать элемент функциональной структуры как киберне­тическую систему, анализируя состояния входов и выходов и подбирая наиболее удобный оператор преобразования, выполняе­мого каждым элементом. Кибернетический подход наиболее це­лесообразен, когда функциональная структура неизвестна и не­обходимо найти оптимальный оператор, позволяющий осущест­вить требуемые преобразования информации при управлении. Если имеются определенные сведения о функциональной струк­туре, то, зная алгоритм управления, можно формализовать дан­ную структуру. На логическом уровне функциональная структу­ра может быть описана функциональными (логическими) эле­ментами без учета ее физической реализации. Для этого введем понятие процесса как последовательности событий, описываю­щих поведение системы [17]. Событие связано с выполнением со­вокупности действий. Функциональные элементы разделим на управляющие элементы, вычисляющие предикат U=p(Ev), где Е_v— предметная переменная, и операционные элементы, осуществляющие отображение О:EвхEвыхЕвых, где Евх. и Евых—переменные, определяющие входную и выходную инфор­мации. Каждый сложный процесс можно представить совокуп­ностью управляющего и операционного элементов, находящихся в определенной взаимосвязи по управлению. На рис. 2.17 изо­бражена

совокупность управляющего (Ui) и операционного (О,) элементов, указаны запуск и окончание процесса. Данная сово­купность отображает процесс, имеющий два состояния. Он может быть активен, если находится в состоянии вычисления при нали­чии управления от Ui и пассивен — в противном случае. Если имеет место сложный процесс (Пi) то можно выполнить его декомпозицию на процессы П_i1, П_i2, .., П_in, что дано на рис. 2.18. Если U_i==0, то все процессы пассивны, пассивным является и об­общенный процесс П_i. Декомпозиции может подвергаться и уп­равляющий элемент Ui. На формальном уровне может быть вы­делено подмножество элементарных предикатных формул (вы­сказываний), из которых может складываться структура управляющего элемента.

Для описания структуры управляющего элемента вводится отношение – отображение непосредственного предшествования по управлению. Математически каждому отношению соответствует граф, вершинами которого являются элементы отношения, а ребра задают параметры интересующего нас отношения. Граф может быть представлен в виде матрицы смежности. Анализ функциональной структуры может быть осуществлен путем выде­ления информационно-управляющих связей, которые отобража­ются данными отношениями. При синтезе необходимо найти уп­равляющие цепочки соединений от управляющих элементов к простым процессам, а также определить информационные связи от простых процессов к управляющим элементам, чтобы замк­нуть обратную связь по информации при управлении. При синте­зе функциональной структуры АИС в целом существенное влия­ние оказывает правильное группирование функциональных эле­ментов, особенно при переходе к построению алгоритмов, программ и технического обеспечения. Особое внимание уделя­ется информационным связям между функциональными элемен­тами; здесь, как и в организационной структуре, желательно объединить элементы, имеющие наиболее значительный инфор­мационный обмен. Информация о количестве и характере инфор­мационных связей между процессами содержится в матрицах, получаемых при анализе существующей функциональной струк­туры. Объединение простых процессов в сложные позволяет зна­чительно упростить управляющие элементы и уменьшить инфор­мационный обмен. Наряду с информационными связями необхо­димо серьезное внимание при синтезе уделять упрощению управляющих связей. Данные для этих связей также содержатся в матрицах, отображающих информационно-управляющие кон­туры в структуре системы. Таким образом, на основе синтеза функциональной структуры АИС удается на логическом уровне определить информационно-управляющие связи, синтезировать оптимальные отношения между функциональными элементами. От функциональной структуры нетрудно перейти к алгоритмиче­ской, отображающей совокупность алгоритмов и последователь­ность их декомпозиции, что в дальнейшем позволяет строить ав­томатизированным путем программное обеспечение.

Декомпозиция алгоритмического обеспечения предполагает выделение таких понятий, как комплекс задач, задача, алгоритм, модуль алгоритма, команда ЭВМ. Реализация алгоритмов воз­можна аппаратным и программным способами, позволяющими взаимно проникать друг в друга, особенно на уровне микропро­цессорных наборов. Выделение на функциональном уровне ин­формационно-управляющих связей, которые базируются на ис­пользовании отношений между элементами множеств, позволяет на логическом уровне сформулировать закон функционирования системы, а на физическом уровне определить технические реше­ния по реализации АИС. Разделение на информационные и уп­равляющие связи, несмотря на некоторую условность, является исключительно полезным, так как дает возможность провести их раздельную оптимизацию и значительно уменьшить вычислитель­ные сложности при решении функциональных задач. На основе модели информационно-управляющих связей можно перейти на логическом уровне к модели программного обеспечения. Особен­но целесообразным этот подход оказывается для систем управле­ния в реальном масштабе времени. Автоматизированное построе­ние программного обеспечения при этом сокращает трудовые ресурсы, уменьшает срок создания системы и внедрения ее в экс­плуатацию, что в конечном итоге приводит к повышению эконо­мической эффективности АИС.

На физическом уровне реализации системы весьма важным оказывается синтез технической структуры АИС. При этом необ­ходимо выбрать технические средства, осуществить связи между ними, оптимально организовать вычислительный процесс по об­работке информации при функционировании АИС. Наряду с ма­тематическими методами моделирования могут быть использо­ваны и средства имитационного моделирования. В настоящее время перспективным направлением при создании технического обеспечения АИС является построение информационно-вычисли­тельных сетей коллективного пользования, при которых различ­ные предприятия могут одновременно использовать общие ресур­сы по обработке и хранению информации [23], На рис. 2.19 представлена структурная схема информационно-вычислитель­ной сети коллективного пользования, где выделены центры коллективного пользования (ЦКП), узлы коммутации (У К) по­токов сообщений, концентраторы (К), терминалы (Т). В качест­ве сетей используется базовая (БС) и абонентская (АС) сети связи. К выносному терминалу подключается пользователь. Для

обеспечения требуемых вероятностно-временных характеристик функционирования сети, согласования низкоскоростных абонент­ских (АКС) и высокоскоростных магистральных (МКС) каналов связи используют концентраторы и узлы коммутации. При этом осуществляются операции по управлению сетью, коммутации, маршрутизации потоков сообщений, согласованию скоростей передачи. При синтезе такой сети необходимо использовать вые математические представления. Для этого структурную схему взаимодействия терминальной и базовой сетей преобразуем в некоторый фрагмент сети массового обслуживания 2.20), где выделим источник информации (И), каналы обслужи­вания (К₁ К₂), а также обслуженные (ОС) и потерянные (ПС) сообщения. Представленная формальная сеть, так называемая Q-схема с двумя параллельными каналами обслуживания, и есть модель, на основе которой, используя теорию массового обслужи­вания, удается провести оценку характеристик системы методом имитационного моделирования. Если фрагменты сети более прос­тые и имеются аналитические зависимости, то при синтезе воз­можно использование формального аналитического аппарата теории массового обслуживания. Метод моделирования как ин­струмент проектирования АИС является исключительно эффек­тивным и может быть использован при синтезе структуры АИС на уровне организационной, функциональной, алгоритмической и технической структур. Отметим, что моделирование является средством, позволяющим без существенных капитальных вложе­ний решать проблемы построения автоматизированных систем управления. Основные классы моделей, методы моделирования, применяемые при разработке АИС, изложены в [11].