1.Анализ объектов проектирования как систем

1.1 Общие понятия и принципы представления информации о системах

Понятие системы включает целостное множество связанных между собой элементов системы, которые согласованно взаимодействуют для достижения определенной (заданной) цели системы в окружающей среде.

Система относительно окружающей среды выделяется и воспринимается как нечто целое (целостность). Степень взаимосвязи между элементами системы может существенно различаться (различная степень целостности) [1 ‑5]. Сложные системы - характеризуются развитыми внутренними связями, наличие и формы которых существенно влияют на функционирование системы. В сложной системе совокупность связей между блоками развита в такой степени, что изменение одного из факторов (входных параметров) приводит к изменению нескольких других (выходных).

Взаимосвязи между элементами системы могут иметь различную физическую природу.

Система может взаимодействовать с окружающей средой системы, в которую входит множество объектов (с их существенными свойствами). Объекты окружающей среды, с которыми система взаимодействует, могут менять состояние системы в случае изменения своих свойств. В свою очередь система воздействует на свою окружающую среду. Система отделена от окружающей среды границей системы. Выделение объектов окружающей среды для системы зависит от аспектов ее изучения, постановки цели и задач исследования.

1.2 Системный подход к декомпозиции и разработке классификаций объектов проектирования

Первым этапом изучения объектов проектирования является анализ предметной области к которой они относятся. В процессе изучения предметной области с целью автоматизации деятельности по созданию новых объектов (изделий, продуктов производства) можно выделить две основных задачи:

1 Анализ состояния и перспектив развития, выделение аспектов рассмотрения, поиск аналогов, декомпозиция, представление, процедуры синтеза изделий в предметной области (рис.1).

2 Анализ состояния и перспектив развития автоматизации работ по созданию новых объектов, декомпозиция, представление и т.д. информационных технологий и программных продуктов, с помощью которых моделируют (рассчитывают, визуализируют, проектируют) объекты или изделия предметной области.

Рисунок 1 - Общесистемные принципы проектирования

Решение первой задачи направлено на изучение перспектив предметной области и выявление тенденций ее развития, а вторая задача позволяет правильно выбрать средства автоматизации, правильно разработать модель объекта проектирования и определить функции, которые необходимо автоматизировать. Таким образом, решение задач данного уровня изучения систем связано с формализацией информации не только о них, но и об окружении, в котором системы функционируют. Выделение системы из окружающего мира связано с классификацией их признаков, функций, состава, структуры, конструктивного исполнения и других показателей их функционирования.

Сложность представления информации о системе связана с неоднородностью данных, существованием нескольких аспектов рассмотрения свойств объектов: функциональный аспект, конструктивный, технологический, антропологический, экономический и другие, специфические для исследуемой области, в соответствии с процессами различной физической природы в технических системах: физические процессы, химические, механические, геометрические и др. [1].

В процессе изучения системы и ее элементов возникает необходимость их классификации, чтобы сопоставить полученную информацию с уже имеющимися известными данными о существующих системах. Классификация является одним из первых этапов исследования систем. Основная цель классификации - представить имеющуюся информацию о системе в структурированном виде, выявить элементы системы и их связи, поставить в соответствие элементам системы определённые понятия предметной области (термины). Задачи классификации: анализ свойств системы, выделение главных элементов, выявление путей развития и совершенствования системы.

При изучении различных систем возможно применение общих принципов и алгоритмов их рассмотрения, как совокупности элементов и связей между ними. Поэтому последовательность выполнения классификации содержит ряд общих этапов, связанных с разработкой списков (спецификаций) различных видов. С учетом требования формально-логического построения выделим следующие принципы и этапы классификации и использования ее результатов:

а) выделение признаков классификации (видов подмножеств для группирования элементов системы) с учетом уровня абстракции, являющихся основанием для группирования;

б) выделение элементов, соответствующих признакам классификации (входящих в подмножества, исключающие друг друга), выбор для этой цели соответствующих показателей и критериев качества;

в) выделение видов функций (целей) системы и ее элементов, а также характеристик функций (показателей);

г) связывание элементов и выполняемых функций;

д) представление информации в структурированном виде, обычно в виде графов или деревьев;

е) использование матриц смежности (или инцидентности) для формализации информации о связях элементов системы;

ж) изучение полученных матриц с использованием теории множеств;

з) построение критериев качества и модели для сравнения систем в целом, например, реализация целевого метода [6];

и) использование различных методов параметрической оптимизации и оптимизации элементного состава системы.

Особое значение при этом имеет графическое представление информации о системах, основным средством для этого являются деревья, графы. Деревья, в частности, используются для декомпозиции и структурированного представления элементов системы на разных уровнях абстракции, а графы - для показа структуры системы. Для представления информации о различных системах применяют также различные методики построения диаграмм, таблиц, структурных карт и других видов графического изображения свойств систем [3, 6].

При изучении, создании (проектировании) систем для описания функциональных причинно - следственных связей между ее элементами, функциями, параметрами, широко используются блок-схемы. На верхнем уровне абстракции систему представляют в виде единственного блока и показывают связи системы с внешней средой (рис. 2).

Системы характеризуются рядом свойств. Факторы (параметры, характеризующие факторы), которые воздействуют на систему вследствие наличия внешней среды, называют входами системы (U_i). Система реализует свои цели функционирования и оказывает влияние на окружающую среду посредством выходов (Y_k).

Если не рассматривается внутреннее устройство системы, а модель строится на основании изучения связей входов и выходов, то такая модель системы называется «чёрным ящиком».

Рисунок 2 - Схема связей системы с окружающей средой

Множество значений существенных характеристик (свойств, факторов) системы, которыми она обладает в данный момент времени образует состояние системы. Внутренние параметры системы W₁, W_2, W₃ - параметры внутреннего состояния.

Сложные системы, состоящие из ряда подсистем или объектов, могут с помощью декомпозиции быть представлены таким образом, что входы одних объектов являются выходами других (рис. 3). Следует отметить, что при декомпозиции системы на блоки происходит такая же декомпозиция параметров системы (входов, выходов, параметров внутреннего состояния). Виды блоков (конструктивные элементы, функциональные блоки и др.) зависят от вида декомпозиции и задач изучения системы. Поэтому для представления структурных схем (потоковых диаграмм) системы, необходимо выделить аспекты рассмотрения: механический, электрический, тепловой и т.д., чтобы упростить представление системы на каждой диаграмме. Таким образом, выделение различных аспектов работы системы, задач представления, анализа и синтеза показывают сложность вопросов, связанных с изучением системы.

Рисунок 3 - Схема внешних и внутренних связей системы в результате декомпозиции на блоки

В целом, структура и элементный состав системы характеризуют её морфологические свойства. Процесс выделения структуры системы называют морфологическим анализом [7].

Связи тоже могут быть классифицированы (см. рис. 3, рис.4). Соединение блоков может быть последовательное и параллельное. Возможно также и параллельно-последовательное соединение блоков объектов, иерархическое и другие. Применяют и другие классификационные признаки для анализа видов связей. Например, связи могут быть технологическими: потоки вещества, энергии, действия механических сил, моментов, физических и химических факторов и т.д. Связи могут быть информационными: потоки данных, документов, сигналы и т.д. В соответствии с целенаправленной деятельностью системы связи с внешней средой (входы и выходы) могут быть полезными и вредными (уголь и порода), контролируемыми и неконтролируемыми.

Общность и наглядность классификации связана с тем, удалось ли представить разнородную информацию о системе, имеющую многомерное пространство признаков, на плоскости. Представление информации выполняется обычно в виде таблицы или графа, с соответствующей матрицей смежности или инцидентности [1]. Большое значение имеет также удачное совмещение различных аспектов рассмотрения системы.

Рисунок 4 - Схема связей блоков системы между собой и с окружающей средой

Д – делитель (блок распределения);

С – смеситель (блок соединения процессов)

На практике применяют два основных подхода к рассмотрению и анализу систем: процедурно-ориентированный (структурный, активностный) и объектно-ориентированный (ООП) [8,9]. Различие методов представления информации о системе в том, какие элементы применяются в качестве узлов при построении схем, диаграмм.

Рассмотрим пример начального этапа изучения системы, в качестве которой примем «Утюг». Основной (главной) функцией системы является возможность гладить белье за счет высокой температуры на рабочей поверхности утюга. Утюг подключается к бытовой электрической сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц, которая обеспечивает нагревание рабочей поверхности. В процессе работы к ручке, проводу прикладываются определенные усилия рукой человека, поэтому элементы корпуса не должны быть горячими. Кроме того, элементы утюга должны быть изолированы от контакта с токоведущими частями, что обеспечивается изоляцией провода и корпусом утюга. Можно выделить также внешние элементы управления (регулятор) и контроля (лампа подключения к сети). Внешние факторы, определяющие работу утюга, приведены на рис. 5. На данном этапе описания внутренние факторы (параметры) не рассматриваются. При построении модели системы на данном этапе имеется вектор входов - X, вектор выходов – Y и строится зависимость параметров выходов от входов .

Входы и выходы системы в данном случае могут быть разделены на полезные, которые обеспечивают главную функцию (температура, t [^oC], механические нагрузки, F [H]) и вредные (деформации: температурные, _t [%], от механических нагрузок, f [%]). Факторы могут быть разделены на зависимые (температура зависит от напряжения, U [B], тока, I [A], положения регулятора, град.) и независимые (температура, t [^oC] не зависит от механических нагрузок, F [H]). Параметры сети, температура, время работы - контролируемые факторы, а параметры механических нагрузок, деформации – неконтролируемые.

При декомпозиции системы проявляются внутренние связи между ее элементами. Если рассматриваются параметры внутреннего состояния W₁, W_2, … W_n, то происходит декомпозиция и параметров внутреннего состояния (рис. 6).

Рисунок 5 - Схема связей системы с окружающей средой

а) б) в)

Рисунок 6 - Граф связей элементов системы «Утюг» и подграфы в зависимости от аспектов ее рассмотрения

а – граф теплового взаимодействия элементов системы;

б – граф электрических связей элементов системы;

в – граф механических взаимодействий элементов системы

На общем графе, содержащем формализованную информацию, можно выделить подграфы или деревья с точки зрения аспектов изучения системы. Например, дерево сборки элементов в целое, дерево элементов различной технологической сложности (по совокупности технологических операций для каждого элемента), что позволит оценить сложность элементов, выполнить сетевое планирование изготовления объекта в целом. Таким образом, производится выделение подмножеств по определенным признакам, а затем определение их пересечения. Например, деталь или узел, находящиеся в области пересечения максимального количества подмножеств технологических операций, как правило, требует наибольшего времени обработки в различных специализированных цехах, наиболее разнообразного инструмента и т.д.

На графе (см. рис. 6) выделены основные потоки (тепло, энергия и нагрузки). На рисунке видно, что выделение аспектов упрощает графы, а следовательно и изучение системы. В частности, на рис. 6а видно, что нагреватель 1 является источником тепла, которое передается на рабочий элемент 2 (полезный поток). Остальные детали утюга 3 – 5 необходимо изолировать от воздействия тепла (вредные потоки).

Граф электрических связей элементов системы (рис. 6б) показывает, что кроме основного потока электроэнергии от сети к нагревателю 1 через сетевой провод 5 (полезный силовой поток), необходим еще поток к регулятору температуры 3 для управления системой (полезный поток управления). Элементы 2, 4 должны быть изолированы и выполнены из непроводящих материалов.

На графе механических взаимодействий элементов системы (рис. 6в) показано, что основные нагрузки прикладываются к ручке корпуса 2 и рабочему элементу 4 и замыкаются между ними, чтобы гладить ткани (полезные потоки), однако и другие элементы 3, 5 также нагружаются внешними усилиями. Внешние нагрузки к нагревателю 1, который работает в неблагоприятных условиях высоких температур, должны быть исключены (вредные потоки).

Входы и выходы каждого блока и системы в целом в процессе работы изменяются, они являются характеристиками происходящих в сложной системе процессов. Для того, чтобы узнать реакцию системы на входные воздействия, нужно преобразовать входы и выходы системы в сигналы, документы и т.д., которые и будут носителями информации о значениях входов и выходов. Преобразование значений параметров входов и выходов системы в сигналы для регистрации, контроля и управления производится датчиками информации.

Информационная модель технической системы показана на рис. 7. Совершенство технических систем описывается группой критериев качества, т.е. наблюдаемых переменных выходных величин, которые зависят от факторов (входов) технической системы. Для получения математической модели необходимо из значительного числа входов (параметров, факторов), влияющих на выходы (критерии качества), выбрать наиболее важные, т.е. статистически значимые. Для этого существуют специальные математические методы.

Факторы могут взаимодействовать между собой, при этом они создают системный эффект взаимного влияния факторов [10], который может существенно влиять на критерии качества системы (выходы). Поэтому взаимное влияние факторов в сложных системах необходимо учитывать при выборе вида модели системы. При создании математических моделей технических систем выявление видов взаимодействия факторов и оценка степени их зависимости является определяющими для качества моделирования. Система во внешней среде проявляется как нечто целостное, при этом объединение элементов с помощью связей создает еще один системный эффект: придает системе такую совокупность свойств, которую не имеют элементы системы в отдельности.

Для построения модели технической системы на основе представления её в виде «чёрного ящика», т.е. без анализа физических процессов в системе используют теорию планирования эксперимента [11]. Для моделирования связей входов и выходов строят уравнения регрессии, обычно в виде полиномов 1-й степени (линейная модель) или 2-й степени (квадратичная модель).

Рисунок 7 - Информационная модель технической системы [ ]