Основы проектирования систем
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
араметров, описывающих первичные свойства системы и являющихся исходными данными при решении задач анализа; характеристик, описывающих вторичные свойства системы и определяемых в процессе решения задач анализа как функция параметров, то есть являющихся вторичными по отношению к параметрам. Множество параметров технических систем можно разделить на: внутренние, описывающие структурно-функциональную организацию системы, к которым относятся: 25 структурные параметры, описывающие состав и структуру системы; функциональные параметры, описывающие функциональную организацию (режим функционирования) системы. внешние, описывающие взаимодействие системы с внешней по отношению к ней средой, к которым относятся: нагрузочные параметры, описывающие входное воздействие на систему, например частоту и объем используемых ресурсов системы; параметры внешней (окружающей) среды, описывающие обычно неуправляемое воздействие внешней среды на систему, например помехи и т.п. Параметры могут быть: детерминированными или случайными; управляемыми или неуправляемыми. Характеристики системы, в отличие от показателей эффективности, могут быть качественными или количественными. Примерами качественных характеристик могут служить: функциональность – перечень выполняемых системой функций; гибкость – возможность реконфигурирования системы при возникновении специфических ситуаций; совместимость – например, возможность использования элементов разных производителей; взаимозаменяемость и т.п. Описание системы Параметры Глобальные Внутренние Характеристики Структурные Внешние Функциональные Локальные Внешней среды Нагрузочные Мощностные Временные Надежностные Экономические Прочие Рисунок 5. Параметры и характеристики 26 В некоторых случаях качественные характеристики пытаются описать количественно, например функциональность – числом выполняемых системой функций. И все же, основными при проектировании систем являются количественные характеристики, которые можно объединить в два класса: глобальные, описывающие эффективность системы в целом; локальные, описывающие качество функционирования отдельных элементов или частей (подсистем) системы. Глобальные характеристики технических систем можно разбить на следующие группы: мощностные (характеристики роизводительности), описывающие скоростные качества системы, измеряемые, например, количеством задач, выполняемых вычислительной системой за единицу времени, или количеством пакетов, передаваемых в компьютерной сети за единицу времени; временные (характеристики о еративности), описывающие временные аспекты функционирования системы, например время выполнения задач в вычислительной системе или время задержки пакетов при передаче в компьютерной сети; надежностные (характеристики надежности), описывающие надежность функционирования системы; экономические (стоимостные)в виде стоимостных показателей, например, стоимость технических и программных средств вычислительной системы, затраты на эксплуатацию компьютерной сети и т.п.; рочие: массогабаритные, энергопотребления, тепловые и т.п. Параметры можно интерпретировать как входные величины по отношению к системе, а характеристики – как выходные величины, зависящие от параметров и определяемые в процессе анализа системы (рисунок 6). В этом случае закон функционирования системы можно представить в виде: X – внешней среды V – мощностные T – временные N – надежностные C – экономические Z – прочие СИСТЕМА (f c ) S – структурные F – функциональные Y – нагрузочные S – структурные F – функциональные Y – нагрузочные S – структурные F – функциональные Y – нагрузочные S – структурные F – функциональные Y – нагрузочные Рисунок 6. Интерпретация параметров и характеристик ПАРАМЕТРЫ ХАРАКТЕРИСТИКИ 27 ), , ( ) ( t f t c X , Y , F , S H где c f – функция, функционал, логические условия, алгоритм, таблица или словесное описание, определяющее правило (закон) преобразования входных величин (параметров) в выходные величины (характеристики); ) (t H – вектор характеристик } , , , , { Z C N T V H , зависящий от текущего момента времени t ) 0 ( t ; X Y , F , S и – векторы параметров структурных, функциональных, нагрузочных и внешней среды соответственно; Z C N T V и , , , – векторы мощностных (производительности), временных, надежностных, экономических и прочих характеристик соответственно. В некоторых литературных источниках не делается различия между параметрами и характеристиками. Более того, одни и те же величины могут называться то параметрами, то характеристиками. Введенные выше определения четко разделяют описывающие систему величины на две группы: «параметры» и «характеристики». Характеристики системы являются функциями параметров, то есть изменение какого-либо параметра приводит к изменению характеристик системы. В то же время следует помнить, что «параметры» и «характеристики» – понятия относительные. Это можно показать на следующем примере. Если выполняющий некоторые задачи компьютер рассматривается как система, одним из элементов которой является процессор, то производительность (быстродействие) процессора является параметром, изменение которого приведет к изменению такой величины, как время выполнения задачи, которая в данном случае представляет собой характеристику системы. Если же процессор рассматривается как система, состоящая из арифметико-логического устройства, устройства управления, регистровой памяти и т.д., то быстродействие процессора будет являться характеристикой, которая зависит от параметров входящих в ее состав элементов. Можно было бы сказать, что параметры системы в основном описывают элементы системы и их взаимосвязь (как структурную, так и функциональную), а характеристики описывают систему в целом. Однако это будет не совсем корректно, поскольку характеристики могут описывать как систему в целом (глобальные характеристики), так и её отдельные элементы и подсистемы (локальные характеристики). Еще одним важным моментом при обсуждении термина «характеристика» является выяснение его отличия от термина «показатель эффективности». Судя по определениям, термины «показатель эффективности» и «характеристика» – близкие понятия. Можно даже предположить, что это одно и то же. Однако между ними существует определенное различие. Во-первых, как сказано выше, показатель эффективности всегда имеет количественный смысл, т.е. представляется в виде количественной оценки, в то время как характеристика может качественной. Так, например, при описании 28 вычислительных систем и сетей широко используются такие характеристики, как открытость, масштабируемость, гибкость, информационная безопасность и т.п., количественное задание которых либо достаточно условно, либо вообще невозможно. Во-вторых, множество показателей эффективности при исследовании некоторой системы зависит от её назначения, в то время как характеристики описывают всю совокупность свойств системы. При этом возможно, что некоторые характеристики являются несущественными. Например, если компьютер предназначен для использования в космосе или на борту самолета, то важными показателями эффективности являются его вес и энергопотребление. Если же компьютер предназначен для решения сложных задач моделирования, оптимизации или игровых задач (например, шахматных), требующих большой вычислительной мощности, то более актуальными становятся такие показатели эффективности как производительность, время реакции, а вес и энергопотребление могут вообще не иметь никакого значения. Таким образом, совокупность всех характеристик системы полностью описывает все свойства системы, в то время как множество показателей эффективности, являясь подмножеством характеристик, отражает только определённые свойства системы, представляющиеся существенными в процессе конкретных исследований. 1.3.6. Понятие процесса Наличие функциональной организации системы означает, что в ней протекают во времени процессы, изменяющие состояние системы. Так, например, вычислительная система реализует процесс обработки данных, а телекоммуникационная сеть – процесс передачи данных. Изучение сложных систем удобно проводить в терминах процессов, с которыми связаны такие понятия как «состояние», «переход» и «событие». Процесс (от лат. processus – продвижение) – последовательная смена состояний системы во времени. Состояние системы задается совокупностью значений переменных, описывающих это состояние. Система находится в некотором состоянии, если она полностью описывается значениями переменных, которые задают это состояние. Система совершает ереход из одного состояния в другое, если описывающие ее переменные изменяются от значений, задающих одно состояние, на значения, которые определяют другое состояние. Причина, вызывающая переход из состояния в состояние, называется событием. В качестве иллюстрации этих понятий рассмотрим процесс передачи пакетов в сети передачи данных. Состояние сети будем задавать числом пакетов, находящихся в каждый момент времени в сети. Очевидно, что в этом случае переходы из одного состояния в другое связаны с такими событиями, как поступление пакетов в сеть и завершение передачи пакетов при достижении пункта назначения. Поступление очередного пакета в сеть изменяет состояние (увеличивается значение, описывающее состояние) сети на единицу, а при 29 выходе пакетов из сети – уменьшает состояние на величину, равную числу пакетов, покинувших сеть в рассматриваемый момент времени. Таким образом, в произвольный момент времени сеть передачи данных может находиться в состояниях 0 (в сети нет пакетов), 1 (в сети один пакет), 2 и т.д. Понятия «система» и «процесс» тесно связаны и часто рассматриваются как эквивалентные понятия, к которым одинаково применимы термины «состояние» и «переход». 1.3.7. Классификация систем и процессов Для унификации разрабатываемых моделей и методов проектирования систем все многообразие существующих и возможных систем и процессов следует разбить на отдельные классы, обладающие близкими свойствами и отображаемые определенными моделями, т.е. выполнить их классификацию. Классификация обычно выполняется на основе существенных признаков, в качестве которых будем использовать (рисунок 7.): характер функционирования, т.е. характер протекающих в системе процессов (детерминированный или случайный); способ изменения значений величин, описывающих состояния системы или процесса (непрерывный или дискретный); режим функционирования системы (установившийся или неустановившийся). 1. В зависимости от характера протекающих в системах процессов, системы (процессы) делятся на: детерминированные, поведение которых может быть предсказано заранее, т.е. параметры системы (прежде всего нагрузочные) представляют собой детерминированные величины; стохастические (случайные, вероятностные), в которых процессы развиваются в зависимости от ряда случайных факторов, т.е. параметры системы являются случайными. 2. В зависимости от способа изменения значений величин, описывающих состояния, системы и процессы делятся на два класса: не рерывные (с не рерывными состояниями), для которых характерен плавный переход из состояния в состояние, обусловленный тем, что величины, описывающие состояние, могут принимать любое значение из некоторого непрерывного интервала (в том числе бесконечного), т.е. являются непрерывными; дискретные (с дискретными состояниями), для которых характерен скачкообразный переход из состояния в состояние, обусловленный тем, что величины, описывающие состояния, изменяются скачкообразно и принимают значения, которые могут быть пронумерованы, т.е. являются дискретными, причем число состояний может быть конечным или бесконечным. 3. В зависимости от режима функционирования, системы (процессы) делятся на следующие классы: 30 с установившимся (стационарным) режимом (установившийся или стационарный роцесс), когда характеристики системы не зависят от времени, т.е. не изменяются со временем; с неустановившимся режимом ( роцесс неустановившийся), когда характеристики системы меняются со временем; неустановившийся режим функционирования системы может быть обусловлен: началом работы системы(переходной режим); нестационарностью параметров системы (нестационарный режим), заключающейся в изменении параметров системы (в первую очередь нагрузочных) со временем; перегрузкой системы (режим перегрузки), когда система не справляется с возложенной на нее нагрузкой. Большинство исследований технических систем обычно проводится в предположении, что переходной режим завершился, и в системе отсутствуют перегрузки. В противном случае следует использовать специальные методы исследования, которые разрабатываются для переходного режима и режима перегрузок. Многие реальные системы работают в неустановившемся режиме, обусловленном нестационарностью нагрузки. Для исследования таких систем в П р и з н а к и к л а с с и ф и к а ц и и н н ы е По характеру функционирования По характеру изменения состояний По режиму функционирования Рисунок 7. Классификация систем и процессов Детерминированные Стохастические (случайные) Непрерывные Дискретные Нестационарный режим Режим перегрузки Переходной режим С установившимся (стационарным) режимом С неустановившимся режимом 31 некоторых случаях применимы подходы, позволяющие воспользоваться методами, разработанными для установившегося режима. Во-первых, можно попытаться выделить достаточно продолжительные интервалы времени, в течение которых нагрузка не изменяется, т.е. может считаться стационарной, или же изменение нагрузки незначительно и им можно пренебречь. Во-вторых, исследование, а, следовательно, и проектирование можно проводить методами, разработанными для установившегося режима, в расчете на максимальную или некоторую среднюю нагрузку. 1.4. Модель как средство проектирования Модель – физический или математический объект, адекватно отображающий исследуемую систему и предназначенный для проведения исследований с целью изучения свойств реальной системы и проектирования новой системы с заданными свойствами. 1.4.1. Типы моделей В зависимости от способа представления (описания) и реализации модели делятся (рисунок 8) на: концептуальные или содержательные, представляющие собой описание (часто словесное) наиболее существенных особенностей структурно- функциональной организации исследуемой системы, на основе которого разрабатываются физические и математические модели; физические или материальные – модели (макеты), эквивалентные или подобные оригиналу, или модели, процесс функционирования которых такой же, как у оригинала, и имеет ту же или возможно другую физическую природу; математические или абстрактные, представляющие собой формализованное описание системы с помощью математических зависимостей, отражающих процесс функционирования системы в терминах того или иного математического аппарата; программные (алгоритмические, компьютерные), представляющие собой программы для ЭВМ, позволяющие наглядно представить исследуемый объект посредством имитации или графического отображения математических зависимостей, описывающих исследуемую систему. Простота Модель Адекватность Концептуальная (содержательная) Математическая (абстрактная) Программная (компьютерная) Рисунок 8. Классификация моделей Физическая (материальная) 32 Соответственно различают физическое, математическое и компьютерное моделирование. При проектировании и исследовании сложных технических систем в настоящее время наиболее широко применяется математическое моделирование, что, в частности, обусловлено появлением высокопроизводительных вычислительных систем и специальных программных средств имитационного моделирования и автоматизированного проектирования. 1.4.2. Основные требования к модели Ко всем разрабатываемым математическим моделям, используемым при проектировании систем, предъявляются два противоречивых требования (рисунок 8): простота модели; адекватность исследуемой системе. Требование простоты модели обусловлено необходимостью построения модели, которая может быть исследована доступными методами и средствами. Построение сложной модели может привести к невозможности получения конечного результата имеющимися средствами в приемлемые сроки и с требуемой точностью, а также к необходимости использования значительных материальных ресурсов и, как следствие, высокой стоимости проектирования. |