Конспект лекций case cals. Конспект_САСТ-2. Конспект лекций по дисциплине case и cals технологии по направлению подготовки
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
Системоте хника - научное направление, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем. Основные понятия системотехники: Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях ме- жду собой. Элемент – такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему разбиению. Сложная система – система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов, свойствами целена- правленности, иерархичности, многоаспектности. Подсистема – часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы. Надсистема – система, по отношению к которой рассматривая система яв- ляется подсистемой. Структура – отображение совокупности элементов системы и их взаимо- связей; понятие структуры отличается от понятия самой системы 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. В научном познании можно выделить несколько компонентов, дополняю- щих друг друга: 1) эмпирико-интуитивный, вероятно, наиболее древний, основанный на наблюдениях (экспериментах) и «угадывании» взаимосвязей между ними; 2) дедуктивно аксиоматический, принятый Евклидом в его «Началах»; 3) конструктивный, обобщенный Сократом, идущий от частного к общему и избегающий догматизма; 8 4) ассоциативный, более всего характерный для Максвелла и Эйнштейна, основанный на улавливании сходства между весьма отдаленными фактами и объединении разрозненных элементов при помощи новой более глубокой точки зрения. Процесс познания всегда направлен одновременно от частей к целому и от целого к частям. В системотехнике на равных правах используются все компоненты, это и определяет ее научную парадигму, сближающую методологии естественных и гуманитарных наук. Классическая методология «точных» наук основана на при- чинно-следственных зависимостях и выражается логико-аксиоматическим от- ношением: «если А истинно, а из А следует Б, то Б истинно». Иначе говоря, из А следует Б, но не наоборот. В частности, понимая под А систему аксиом, а под Б множество теорем, доказанных исходя из А, мы утверждаем, что Б есть следст- вие, но не основание А. Эта цепочка бесконечна: на основании Б делаются выво- ды В и т. д., но ни одно из следствий не воспринимается как обоснование А. Фундаментом являются аксиомы (в математике), законы (в физике), эмпириче- ские факты и предположения (в физике на предположениях основываются гипо- тезы, если предположения экспериментально подтверждены, гипотезы становят- ся теориями). Доказав Б, В и т. д., мы не узнаем ничего нового об А: процесс по- знания строго детерминирован и следует закону причинности. Понятия в точных науках трансформируются в переменные, множествa и классы, связь между ко- торыми устанавливается при помощи однозначных строгих формульных зави- симостей. Аксиоматический подход к элементному составу любого объекта весьма ограничен: в новом целом могут выявиться новые свойства частей, формирую- щих целое. Имея дело с новым объектом или с известным, но попавшем в новую среду или ситуацию, полностью полагаться на априорное знание опасно. Типо- вой состав переменных, которые описывают свойства компонентов объекта, мо- жет оказаться непригодным для целого объекта, более того, в различных струк- турах может потребоваться различный состав переменных, а как определить их 9 — неясно. Трудности возникают и при установлении связей между переменны- ми, поскольку число возможных связей нарастает комбинаторно по отношению к числу переменных. Части целого описываются на различных языках (проблем- но-ориентированных или семиотических), если и удается перевести эти описа- ния на язык математики, то объединить эти описания в единую математическую структуру редко удается. Все эти трудности вытекают из игнорирования много- связности и взаимоопределяемости свойств и понятий. В системотехнике вместо классического вопроса «что происходит» на пер- вый план выступает вопрос: «что нам нужно узнать о том, что происходит». Час- ти и целое выступают в диалектическом единстве и взаимопределяемости. Для объекта, рассматриваемого как система, решается проблема «что из чего состо- ит». Декомпозиция и композиция, анализ и синтез, познание частей через целое и целое через части выступают в единстве. Главная практическая задача систе- мотехники состоит в том, чтобы, обнаружив и описав сложность, обосновать та- кие дополнительные физически реализуемые связи, которые, будучи наложен- ными на сложную систему, сделали бы ее управляемой в требуемых пределах, сохранив при этом области самостоятельности (следовательно, слабой предска- зуемости), способствующие повышению эффективности системы. Таким обра- зом, новые связи выполняют ограничительную и охранительную функции. Из всех методологических концепций системотехническая наиболее близка к «есте- ственному» человеческому мышлению — гибкому, неформальному, разнопла- новому. Системный подход объединяет естественно научный метод, основанный на эксперименте, формальном выводе и количественной оценке, с умозритель- ным методом, опирающимся на образное восприятие окружающего мира и каче- ственный синтез. В исследовании любой проблемы можно выделить несколько главных подпроблем. 1. Выделение проблемы: учесть все, что нужно, и отбросить то, что не нужно. 2. Описание: выразить на едином языке, разнородные по физической при- 10 роде явления и факторы. 3. Установление критериев: определить, что значит «хорошо» и «плохо» для сравнения альтернатив. 4. Идеализация: ввести рациональную идеализацию проблемы, упростить ее до допустимого предела. 5. Декомпозиция: найти способ разделения целого на части, не теряя свойств целого. 6. Композиция: найти способ объединения частей в целое, не теряя свойств частей. 7. Решение: найти решение проблемы. Традиционно эти подпроблемы рассматриваются как этапы решения; предлагается осуществить их в строгой последовательности и получить решение. Процедура может быть многократной, циклической, но обязательно поэтапной. Системотехника принимает как количественные, так и качественные оцен- ки, однако отказывается от традиции поэтапного решения и существования по- следовательного алгоритма решения. Системотехника исходит из того, что для сложных проблем такого алгоритма может не существовать, а человеческий ра- зум предназначен для решения именно сложных проблем. Системный подход состоит в многосвязности процесса решения на основе развития и уточнения исходной модели посредством взаимодействия ее состав- ных частей. Подпроблемы рассматриваются совместно, во взаимосвязи и диа- лектическом единстве. Рассматривать подпроблемы изолированно и последова- тельно, в отрыве друг от друга и, следовательно, от среды нерационально и не- правильно. Раскрытие сущности проблемы возможно только посредством изуче- ния диалектики взаимодействия подпроблем. На рис. 1.1 приведена схема системного подхода. Она содержит перечис- ленные подпроблемы, которые решаются не поочередно, а одновременно, при непрерывном взаимодействии. 11 7. Решение 1. Выделение проблемы 6. Композиция 2. Описание 5. Декомпозиция 3. Установление критериев оценки 4. Идеализация Рис. 1.1 Схема системного подхода Модель (в общеупотребительном значении термина) строится на основа- нии эмпирических или предположительных данных, которые не являются ни за- конами, ни закономерностями, это формальное представление наблюдаемых ре- альных или воображаемых событий. Модель позволяет увязать воедино много- численные процессы и проследить влияние различных условий, т. е. входных данных. Аппарат модели — многократное воспроизведение взаимодействия процессов. В ряде случаев модель помогает выявить новые закономерности, ко- торые не усматриваются при анализе известных закономерностей и исходных данных в силу их сложности, громоздкости, несопоставимости и разноязычно- сти. Моделирование в системотехнике реализует одну из основных кибернети- ческих идей Винера о «черном ящике» — устройстве, о котором известно со- стояние входов и выходов, но неизвестно внутреннее строение и принцип дейст- вия. Винер предлагал следующий способ раскрытия «черного ящика»: рядом с «черным» ставится «белый» ящик, с полностью известным и изменяемым в ши- 12 роком диапазоне устройством. На входы обоих ящиков подается одинаковый по свойствам белый шум, а затем устройство белого ящика изменяется до тех пор, пока выходные функции совпадут. С точки зрения исследователя, ящики станут тождественными. При этом физическое содержание их может быть различным: белый ящик — не копия, а модель черного (допустим, белый ящик построен на электронных, а черный — на механических компонентах). Оперируя сложными системами, нельзя использовать в качестве средства идентификации белый шум. Во-первых, исследуя систему, мы не можем делать с ней все, что пожелаем: систему недопустимо выводить из рабочего диапазона условий. Во-вторых, при создании новой, реально не существующей системы сами условия плохо известны. В-третьих, применительно к сложным системам трудно определить, что такое «белый шум». Поэтому вместо белого шума берет- ся некоторый ансамбль важных для представления ситуации внешних воздейст- вий, уточняемый в процессе моделирования. Законы, управляющие поведением таинственного ящика, зависят от ситуации. На рис. 1.2 приведена схема раскрытия таинственного ящика с помощью моделирования. Относительно новой несуществующей системы обычно известны (и то — не полностью) входы (определяемые средой) и выходы (определяемые назначе- нием системы). Экспериментировать с такой системой невозможно — ее нет, в нашем распоряжении только «белый ящик» — модель, отражающая замысел, ко- торый и требуется совершенствовать до уровня соответствия заданному назна- чению. Модель позволяет проверять идеи, выдвигаемые в процессе разработки, методы и средства их реализации и оценивать предполагаемый результат. Но — не только. 13 Объект («черный ящик») Проверка модели Составление модели Моделировани е Наблюдение Описание Определение условий и ситуаций Корректировка Интерпритация и предсказание Рис. 1.2 Схема раскрытия «черного ящика» Модель — это самостоятельно действующая система, хотя и упрощенная. Она уступает теории в общности, зато превосходит ее в конкретности и ясности получаемых данных, целенаправленности, она точнее ориентирует мысль разра- ботчика в том направлении, которое соответствует замыслу. При использовании нескольких моделей с различной целевой ориентацией возникает потребность в интерпретации и согласовании результатов моделирования, что создает предпо- сылки к объединению моделей и помогает созданию теории. В этом смысле мо- дель является предтечей теории несуществующей системы, заменяя гипотезу и недоступный исследователю эксперимент. Концепция системотехники состоит в представлении реальных (сущест- вующих) или воображаемых (создаваемых) сложных систем посредством упро- щенных описаний, т. е. моделей, отражающих определенные, наиболее важные грани сущности сложной системы, и исследовании таких моделей. Формирова- ние моделей осуществляется на основании тех данных, которые можно получить о сложной системе экспериментальными и интеллектуальными средствами. Тео- рия имеет дело с идеализацией реальности, модель — с самой реальностью. 14 1.2 Понятие Система Даже среди теоретиков существует множество толкований такого понятия как "Система". Не трудно понять причину терминологического разнообразия в практической среде. Однако, в последние 2-3 десятилетия, благодаря огромной работе и уче- ных, и практиков, общие свойства Систем стали достаточно очевидными для специалистов. И, несмотря на многообразие самих определений Систем, выявле- ны и описаны общие свойства Систем. Представим теперь существующие понятия, как в Общей Теории Систем (ОТС), так и частной теории, а именно системотехнике в контексте информаци- онных технологий. Система - это совокупность сильносвязанных элементов, обладающая свойствами организации, связности, целостности и членимости [1]: - связность - элементы Системы связаны друг с другом существенными связями, которые значительно сильнее (в данном контексте рассмотрения), чем связи между этими элементами и внешними, по отношению к системе, объекта- ми. Например, с точки зрения строения автомобиля, как системы, колеса связаны с другими элементами автомобиля существенно сильнее, чем с дорогой, по кото- рой автомобиль едет. - целостность - ни один из элементов Системы не может быть изъят из нее. Система предназначена для выполнения конкретных функций и все без исклю- чения элементы участвуют в выполнении этих функций. Если элемент выделить из Системы, он становится независимым объектом, и Система перестает выпол- нять весь набор функций, для которых она предназначена. - членимость - каждый из элементов является самостоятельным объектом с четкими границами и связями с другими элементами. - организация - элементы Системы ориентированы относительно друг дру- га в пространстве, во времени и в связях друг с другом, в отличие от комплекса, в котором элементы могут быть представлены как простой, неупорядоченный набор. 15 Система - это совокупность элементов, объединенная связями между ними и обладающая определенной целостностью. Автоматизированная система (АС) - система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информаци- онную технологию выполнения установленных функций. В зависимости от на- значения автоматизированной системы могут применяться термины АСУ (авто- матизированная система управления), АСУП (автоматизированная система управления предприятием), АСУТП (автоматизированная система управления технологическими процессами) и т.д. Система - комбинация взаимодействующих элементов, организованных для достижения одной или нескольких поставленных целей. Далее мы будем обсуждать только класс автоматизированных систем раз- личного назначения 1.3 Характеристики и свойства систем Исходя из приведенных определений, необходимо правильно понимать следующие частные свойства автоматизированных систем: - автоматизированные системы всегда искусственные; - автоматизированные системы целенаправленные (впрочем, как все ис- кусственные), т.е. они создаются для достижения заранее определенных целей (целевых критериев, целевых состояний, атрибутов и пр.); - полнота - состав автоматизированной системы (совокупность объектов, ее составляющих) достаточен для выполнения соответствующих функций. При этом состав элементов может быть избыточным; - любая автоматизированная система является информационной по опре- делению. Комплекс средств автоматизации - это программно-технический ком- плекс. Любое программное обеспечение предназначено для обработки информа- ции; - как любая искусственная система, АС требует постоянного внешнего воздействия в виде входной информации, запасных частей и оборудования, про- 16 цедур обслуживания, процесса модификации в соответствии с меняющейся ор- ганизационной структурой и функций; - персонал АС включает в себя пользователей и эксплуатационников; - главной целевой функцией АС является получение различного рода ана- литических информационных отчетов; - на одной и той же инфраструктуре (элементах) могут выполняться функ- ции различных АС. В таком случае говорят о комплексе АС; - человек входит в состав АС (как элемент системы) не в виде физической своей сущности, а в виде роли, исполняемой им и определенной соответствую- щим регламентом; - не существует автоматизированных систем без роли человека (персона- ла), в противном случае эта система называется автоматической; ГОСТ 34 предлагает понятие "комплекс автоматизированных систем". Этот термин интуитивно понятен, не требует дальнейшей интерпретации и обо- значает именно совокупность автоматизированных систем, реализованных, как правило, на подмножестве общих элементов систем, выполняющих функции в каждой из этих систем. В некоторых случаях комплекс систем можно рассмат- ривать как надсистему, если последняя начинает выполнять новые системообра- зующие функции более высокого порядка в отличие от первичных систем, вхо- дящих в нее. Мы фактически из страны, повсеместно (иногда излишне, вероятно) ис- пользующей стандарты перешли к стране с полной анархией использования тер- минов. Ученые не обращают внимания на практиков, использующих неопреде- ленные термины. Практики не читают теоретиков. Стоит ли применять ГОСТ 34 серии? Главным тезисом оппонентов звучал тот, что стандарт серии 34 безнадежно устарел. Но если мы посмотрим на самые свежие международные стандарты в информационных технологиях, то там под информационными системами понимаются те же объекты, что и в ГОСТ 34 се- рии, а именно - совокупность персонала и информационной инфраструктуры. Т.е. о "старости" ГОСТ 34 серии не имеет смысла говорить как минимум с точки 17 зрения понятий. Понятийный аппарат там появился еще в 60-х годах прошлого века и до сих пор актуален. В стандарте четко определены понятия "автоматизированная" функция и "автоматическая" функция. Автоматическая - функция, выполняемая без участия человека, а автоматизированная - при участии персонала, использующего ком- плекс технических средств. Во многих современных статьях эти понятия пута- ются, в результате чего возникает очевидное непонимание между клиентами и поставщиками, персоналом автоматизированных систем. В результате непра- вильного применения терминов в технической документации, появляются кол- лизии в понимании результатов работы автоматизированной системы, т.е. в том, для чего собственно она и предназначена. В качестве примера можно привести фразу: "Система автоматически вы- водит отчет на принтер". Руководитель, прочитавший ее, правильно понимает, что даже если никто в организации не будет вводить никакую информацию, сис- тема все равно выдаст отчет. Отсюда неправильное понимание целей и функции сопровождения автоматизированных систем, неправильная оценка стоимости владения системой и т.д. 1.4. Принципы создания САПР 1.4.1. Структура и классификация САПР Система автоматизированного проектирования (САПР) определена в ГОСТ 23501.0-79 как организационно-техническая система, состоящая из ком- плекса средств автоматизации проектирования (КСАП), взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование (рис. 1.3). Составными структурными частями АПР являются подсистемы, в которых при помощи различных комплексов средств выполняется решение функцио- нально законченных задач в определенной последовательности. Как мы уже оп- ределили выше, подсистемы САПР сами обладают всеми свойствами системы, 18 т.е. обычно реализуют вполне законченные этапы или стадии проектирования или группу непосредственно связанных между собой проектных задач. Такого типа подсистемы называют проектирующими. Примером подсистемы может служить, например, любая программная сис- тема на персональном компьютере, осуществляющая проектирование управ- ляющей программы, скажем, для токарных станков с ЧПУ по заданному чертежу детали, получаемому из другой проектирующей подсистемы. Операционные системы и сетевое программное обеспечение Пользовательский интерфейс PDM CASE Управление проектированием Системная среда САПР Проектирующие подсистемы Рис. 1.3.Структура программного обеспечения САПР Помимо проектирующих подсистем в САПР используются подсистемы, которые принято называться обслуживающими. Например, ясно, что если вы ис- пользуете некоторую базу данных, и соответственно некоторую СУБД, то сис- тема управления базами данных сама по себе ничего не проектирует, а лишь управляет процессом хранения, накопления, модификации и поиска данных, не- обходимых вам для проектирования. 19 В процессе проектирования используются следующие принципы: а) иерархичности; б) декомпозиции; в) многоэтапности; г) итерационности; д) типизации и унификации проектных решений, методологии и средств проектирования. Принцип иерархичности заключается в структуризации (разбиении) пред- ставлений об объекте проектирования на уровни описания (на верхнем уровне объект как система; на следующем уровне выделяются обеспечивающие подсис- темы; далее агрегаты, из них выделяются узлы и на последнем уровне - конст- руктивные элементы). В результате применения принципа иерархичности после- довательно наращивается сложность описания объекта. Обратите внимание! В определении принципа говорится о структуризации описаний, т.к. физически объект не существует, а является только представлени- ем о будущем реальном объекте в коллективе проектировщиков! Декомпозиция означает структуризацию (разбиение) представлений соот- ветствующего уровня описания объекта на составные части с целью их раздель- ного проектирования с учетом согласования принимаемых проектных решений. Многоэтапность проектирования означает, что процесс проектирования в соответствии со степенью готовности проектных решений подразделяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции. В процессе проектирования выделяют стадии предпроектных исследований, технического задания, технического предложения, технического и рабочего про- ектов, испытаний и внедрения. Содержание отдельных стадий проектирования регламентируется ГОСТ 23501.1-79, а технического проекта - ГОСТ 23501.106- 85. Этапы проектирования включают формирование всех требующихся описа- ний объекта, относящихся к одному или нескольким иерархическим уровням или аспектам проектирования (функциональному, конструкторскому, информа- ционному или технологическому). 20 Составными частями этапа являются проектные процедуры. Под проектной процедурой понимают формализованную совокупность дей- ствий, в результате выполнения которой получают проектное решение. Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта про- ектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования. Проектная процедура включает в себя проектные операции. Проектные операции - это действие или формализованная совокупность действий, алго- ритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур.Примеры проектных операций: вычисление параметра с применением какого-либо вычис- лительного метода; интегрирование системы уравнений и т.п. Наиболее известными проектными процедурами являются: анализ, синтез и оптимизация. Проектная процедура оптимизации заключается в вычислении таких значе- ний проектных параметров, при которых критерий функционирования объекта проектирования принимает экстремальное значение. Далее в последующих лекциях будет рассмотрен обобщенный алгоритм проектирования, из которого будет ясным взаимодействие проектных процедур синтеза, анализа и оптимизации. Вернемся к рассмотрению принципов проектирования. 4-м принципом был назван принцип итерационности. Заключается он в неоднократном повторении перечисленных выше проектных процедур или проектных операций. Его приме- нение обусловлено тем, что из-за сложности технических объектов проектирова- ния выработать рациональное проектное решение не удается за один проход не- обходимых проектных процедур и операций, поэтому необходим возврат к предшествующим процедурам или уровням детализации объекта проектирова- ния. Последний из перечисленных принципов - принцип типизации и унифика- ции состоит в выборе таких составляющих объекта проектирования и методик 21 его расчета (методики реализуются в вычислительных методах), которые приме- нимы для возможно более широкого класса объектов и процедур. Использование типовых и унифицированных проектных решений приводит к упрощению и ускорению проектирования, т.к. типовые элементы разрабаты- ваются однократно, но в различных проектах применяются многократно. |