Принципы системотехнической деятельности в процессе разработки проектов сапр

На предпроектных стадиях создания САПР разработчик имеет дело с внешним описанием системы и принимаемые решения относятся к надсистеме или к разрабатываемой системе в целом. В таких условиях практически все задачи проектирования по существу являются системотехническими.

После появления ТЗ, завершающего предпроектные стадии, проектируемая система расчленяется на компоненты — структурные части и обеспечения и каждый вид обеспечения разрабатывается далее отдельным коллективом специалистов в достаточно узкой предметной области. Системотехническая деятельность на стадиях разработки проектов, детализирующих внутреннее описание САПР, направлена на формирование целостного представления о реализации автоматизируемых функций и координацию частных задач проектирования компонентов системы с целью достижения необходимого уровня качества САПР. Таким образом, каждую из решаемых на этих стадиях системотехнических задач следует рассматривать лишь как одну из составляющих общей задачи проектирования, имеющую, однако, существенные отличия от частных задач проектирования обеспечении системы.

Напомним, что целью системотехнической деятельности на стадии эскизного проекта является формирование вариантов архитектуры САПР, в совокупности дающих полное представление о достижимом уровне качества будущей системы. Это позволяет согласовать желаемые цели автоматизации с реальными возможностями их осуществления, выбрать рациональный вариант построения системы и установить однозначные требования к уровню качества САПР. При разработке технического проекта и на последующих стадиях создания САПР системотехническая деятельность направлена на выполнение всей совокупности этих требований.

Для того чтобы лучше понять сущность и роль системотехнических задач, решаемых на стадиях разработки проектов САПР, следует учитывать, что практически все свойства системы образуются за счет выполнения в ней совокупности процессов:

основные (прикладные) процессы решения функциональных задач, т.е. процессы выполнения автоматизированных проектных процедур и операций;

процессы, обслуживающие выполнение основных процессов (например, процессы информационного обслуживания с использованием БД, поддержки диалогового взаимодействия системы с пользователем);

процессы, обеспечивающие необходимое качество выполнения основных и обслуживающих процессов при неидеальных элементах системы и условиях ее работы (например, процессы обеспечения восстанавливаемости и восстановления работоспособности КСАП, контроля достоверности данных, а также обеспечения их защиты и целостности) ;

процессы, организующие выполнение основных, обслуживающих и обеспечивающих процессов.

При реализации этих процессов используются информационные, программные и аппаратные ресурсы САПР, а также обслуживающий персонал системы. Назовем общим ресурсом САПР ее способность по удовлетворению потребности одновременно выполняемых процессов в этих ресурсах. Очевидно, что общий ресурс непосредственно связан с затратами на создание и функционирование системы и при каждом фиксированном уровне таких затрат является величиной ограниченной. Поэтому в правильно спроектированной системе все аспекты качества внутренне противоречивы между собой — попытка улучшить какой-либо из них приводит к ухудшению одного или нескольких других.

Таким образом, эффективной САПР с необходимостью присуща внутренняя противоречивость, которая наиболее явно проявляется во взаимозависимости свойств системы и частных задач проектирования ее компонентов (рис. 2.17).

Однако ограниченность общего ресурса имеет и более глубокие проявления — ее следствием по существу является вся совокупность противоречий, возникающих и разрешаемых в процессе создания САПР, например:

между потребностями пользователя и возможностями разработчика;

между необходимостью максимальной отдачи от системы в каждый текущий момент и требованиями к устойчивости ее работы и способности к развитию;

между стремлением к достижению общей цели автоматизации и многообразием способов и средств ее достижения, а также сложностью организации процесса создания САПР;

между необходимостью целостного описания системы и многоаспектностью ее представлений и т. д.

Существует мнение, что фактор ограниченности общего ресурса САПР является «реликтовым» и исчезнет благодаря тенденции

увеличения мощности вычислительных средств и снижения их удельной стоимости. Однако при этом не учитывается другая тенденция — усиление роли интенсивных методов развития научно-технического потенциала вообще и систем проектирования в частности, которая объективно должна превалировать над первой. Следовательно, рассматриваемый фактор носит постоянный характер, а его проявление будет усложняться по мере развития интеллектуальных свойств САПР.

Поиск компромисса, разрешающего внутренние противоречия, лежит в основе системотехнической деятельности при разработке каждого из проектов САПР. При этом на всех стадиях проектирования используются в основном одни и те же принципы и методы. Однако наиболее сложные проблемы возникают перед системотехником при формировании архитектуры системы — в это время образуется и распределяется основная доля общего ресурса, а оценка его достаточности выполняется в условиях зачительной неопределенности, в том числе неполного знания о потребностях в ресурсах отдельных процессов. Поэтому принципы системотехнической деятельности рассматриваются ниже в основном в приложении к формированию и выбору архитектуры САПР, т. е. к стадиям разработки эскизного и технического проектов.

Для иллюстрации этих принципов рассмотрим следующий пример.

Пример 2.2. Пусть общая задача проектирования (ОЗП) состоит из двух частных задач (ЧЗП1 и ЧЗП2). Для простоты положим, что суть решения ЧЗП» состоит в максимальном использовании выделенного в ее распоряжение ресурса r_k и результат решения выражается частным критерием V_k=(k == 1,2). Если на ресурс r_k наложено ограничение r_k _k и величины _{1, 2} независимы между собой, то решение каждой ЧЗП и ОЗП в целом очевидно: r_k =_{k ,} V_k = (k == 1,2). Координация ЧЗП в таком случае не нужна.

Если условиями ОЗП определено ограничение на общий ресурс r= r₁ + r₂, то решение каждой ЧЗП и ОЗП в целом будет зависеть от распределения общего ресурса. За счет его перераспределения между ЧЗП можно получить множество решений ОЗП, оптимальных по Парето (для == 3 оно представлено на рис. 2.18, кривая 1). Поэтому при решении ОЗП, обладающих свойством внутренней противоречивости, т. е. взаимозависимости ЧЗП через общий ресурс, роль координирующей составляющей системотехнической задачи прежде всего заключается в оптимальном распределении этого ресурса. Формирование архитектуры САПР относится именно к таким задачам.

Обратим внимание на крайние точки построенной кривой. Каждая из них соответствует решению ЧЗП_k при использовании всего ресурса. Поскольку в таких случаях обеспечивается только одно из необходимых свойств системы, очевидно, что соответствующие варианты не могут претендовать на окончательный выбор. Однако их представление с помощью модели имеет смысл как демонстрация «рекордных» результатов проектирования, помогающих определить требуемый уровень качества системы.

Усложним исходную постановку задачи, считая, что общий ресурс заранее не ограничен, но связан с затратами Z на создание системы. Тогда критериальное пространство ОЗП следует расширить, введя в него наряду с V₁ ,V₂ величину Z. Роль системотехника заключается теперь не просто в перераспределении ограниченного ресурса, но и в организации поиска множества оптимальных вариантов в расширенном критериальном пространстве. Результаты решения при Z=2r представлены на рис. 2.18 (кривые 1—3).

Зачастую на практике связь между величинами r_k в явном виде отсутствует и контроль за использованием в каждой из ЧЗП ресурса системы представляет собой сложную задачу, требующую специально организованной и хорошо подготовленной системотехнической деятельности. В отсутствие такой деятельности разработчики, решающие отдельные ЧЗП, естественно стремятся к максимизации того частного показателя, за который они отвечают перед главным конструктором и заказчиком, используя такую часть общего ресурса, которая им необходима и ограничена сверху только величиной . На автономных испытаниях каждый из них демонстрирует «рекордный» результат, близкий к крайней точке кривой, например точке а или b (рис. 2.18). То, что эти точки несовместимы, обнаруживается только на комплексных испытаниях! При всей упрощенности и искусственности нашего примера эта ситуация оказывается типичной для современных САПР, при проектировании которых одновременно раз­рабатываются десятки функциональных задач и обеспечивающих процессов.

Системотехник прежде всего должен найти такие показатели, по которым в процессе проектирования можно хотя бы косвенно судить о реальном распределении общего ресурса. Для этого необходимо построить описание процесса функционирования системы, учитывающее все частные процессы, происходящие одновременно в объекте, и отражающее в первую очередь использование общего ресурса. Такое описание системы назовем ресурсной моделью. Принципы ее разработки рассмотрены в книгах 1 и 8 данной серии. Степень расходования и достаточность ресурса проверяются по выходным характеристикам

модели, которые, будучи зависимыми от всех частных проектных решений, являются общесистемными агрегированными критериями. В примере таким критерием может быть величина R = — (r₁+r₂). Алгоритм распределения общего ресурса с помощью ресурсной модели системы приведен на рис. 2.19. Рассмотрим основные особенности его процедур.

Определение начальной величины общего ресурса при формировании архитектуры не вызывает принципиальных затруднений, так как возможные варианты ограничены исходными условиями решения ОЗП: требованиями к функциональным возможностям технических и программных средств, топологией САПР, существующими типовыми программно-техническими и программно-методическими комплексами, предварительными ограничениями на затраты по созданию системы, вытекающими из технико-экономического обоснования САПР, и т. п.

Начальное распределение общего ресурса (определение начальных условий ЧЗП) заключается в «свободном» использовании каждым разработчиком всего ресурса системы (но, конечно, с учетом ограничений в виде исходных условий ОЗП).

Полное критериальное пространство ОЗП включает в себя подпространства: частных критериев (показателей качества), показателей затрат на систему, общесистемных критериев (показателей качества); смысл общесистемных критериев рассмотрим несколько ниже.

Изменение условий ЧЗП заключается не в явном директивном распределении общего ресурса, как это предполагалось ранее, а в выполнении следующего комплекса процедур: определение узких мест системы с помощью ресурсной модели, установление причин и участников конфликтной ситуации, поиск коллективного компромисса совместно системотехником и разработчиками, решающими соответствующие ЧЗП.

Применим рассмотренный алгоритм к примеру 2.2. Исключим для упрощения внешний цикл алгоритма (примем =4) и пронумеруем последовательность проходов по его основной ветви. Значения параметров и критериев сведем в табл. 2.1.

Первый проход принесет «рекордные» результаты в каждой из ЧЗП, но отрицательное значение R заставит искать компромисс в распределении общего ресурса. Эта ситуация может повториться несколько раз (в зависимости от эффективности процедуры поиска компромисса), при обязательном движении величины R из отрицательной области к нулю (по условиям примера о достаточности ресурса свидетельствует неотрицательное значение R). Для определенности мы считаем, что желательный компромисс найден за два прохода. Остальные действия участников решения ОЗП направлены на построение множества Парето (см. рис. 2.18, кривая 2).

На практике результатом выполнения алгоритма не будет построение всех точек множества Парето, но может быть получено такое множество вариантов, которое даст необходимое представление о «рекордных» значениях показателей и достижимом уровне качества САПР. Однако следует учитывать наличие не только частных, но и общесистемных показателей качества, за которые отвечает непосредственно системотехник. Для САПР такими показателями являются (см. рис. 2.14, 2.15):

• составляющие множественного признака функциональной надежности — временные характеристики решения функциональных задач и/или реакции системы на диалоговое взаимодействие (временные показатели могут также агрегироваться с показателями надежности технического и программного обеспечения САПР);

• составляющие признака производительности — пропускная способность системы и число активных терминалов;

• показатели устойчивости процесса функционирования к нештатным ситуациям: возникновению отказов, пиков нагрузки и т. п.;

• показатели запаса ресурсов на развитие возможностей системы.

Результаты ОЗП должны быть представлены в полном критериальном пространстве. Поэтому установление связи общесистемных показателей с показателем (или показателями) достаточности общего ресурса с помощью ресурсной модели—обязательное условие решения системотехнической задачи. Если этого не сделать своевременно, то спроектированная система не будет эффективной и обнаружится это не раньше чем на стадии опытного (а полные последствия—на стадии промышленного) функционирования САПР.

Возвращаясь к примеру 2.2, видим, что подготовленные для окончательного выбора варианты 3, 4, 5 (табл. 2.1) не являются приемлемыми с общесистемных позиций. Они лишь демонстрируют «рекордные» результаты проектирования работоспособной, но не эффективной системы. Действительно, введем критерий V_c играющий роль общесистемного показателя качества, и свяжем его с показателем достаточности общего ресурса R монотонной зависимостью (допустим V_c=). Тогда лучшее достигнутое значение V_c =0. Это означает, что работа по алгоритму (рис. 2.19) должна быть продолжена. Отразим ее результаты в табл. 2.2.

Это и есть подмножество (при Z=8) искомого множества вариантов, оптимальных по Парето, которое теперь можно предъявить ЛПР для окончательного выбора.

Таким образом, с помощью процедуры распределения общего ресурса, используя в качестве обязательного инструмента ресурсную модель, системотехник решает ряд задач, нарастающих по сложности:

- устраняет ошибки проектирования, приводящие к созданию неработоспособной системы;.

• Примечание. Здесь имеется в виду лишь одна, наиболее трудно обнаруживаемая причина неработоспособности;

- устраняет ошибки проектирования, приводящие к созданию работоспособной, но не эффективной системы;

- обеспечивает получение представления о множестве эффективных вариантов, необходимое для достижения целей формирования архитектуры.