Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

5 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОННЫХ И РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ.

СИСТЕМНЫЙ УРОВЕНЬ

Машинная программа выполняет то, что вы ей приказали делать, а не то, что вы бы хотели, чтобы она делала.

Третий закон Грида (Мэрфология)

Люди с психологией машинопоклонников часто питают иллюзию, будто в высокоавтоматизированном мире потребуется меньше изобретательности, чем в наше время; они надеются, что мир автоматов возьмет на себя

наиболее трудную часть нашей умственной деятельности… Это явное заблуждение.

Норберт Винер

Метод – это место встречи искусства и науки.

Эдвард Джордж Бульвер-Литтон

5.1 Постановка задачи

Рассмотрим общие вопросы постановки задач проектирования ЭРЭС, полагая, что оно осуществляется посредством САПР в соответствии со схемой типового маршрута.

Техническое задание на проектирование обычно представляет собой вербальное (словесное) описание целей и задач проектирования данного объекта. Эти задачи носят оптимизационный характер. Для осуществления проектирования конкретного ТО необходима его математическая модель и формализация понятия «оптимальный». В этом и заключается существо постановки задачи.

Результатом выполнения маршрута проектирования являются проектное решение и проектные документы, содержащие информацию о структуре и выходных параметрах технического объекта, а также о параметрах его элементов (внутренних параметрах объекта) при заданных внешних параметрах.

В общем случае задача проектирования имеет следующую математическую формулировку: определить структуру и внутренние параметры технического объекта, доставляющиеэкстремум некоторой скалярной функции F X при задан-

106

Функцию F X называют целевой функцией или функцией качества. Она

количественно выражает качество ТО. Эффективность и качество функционирования объекта характеризуются его выходными параметрами, поэтому они выступают в роли критериев оптимальности. Так как физические свойства объекта характеризуются множеством выходных параметров, то задача оказывается

многокритериальной.

Процедура постановки задачи проектирования носит неформальный характер и включает следующие этапы: выбор критериев оптимальности, формирование целевой функции, выбор управляемых (оптимизируемых) параметров, назначение ограничений, нормирование управляемых и выходных параметров.

Многокритериальность задачи создает сложности формирования целевой функции и приводит к множеству возможных решений. Выделение некоторого подмножества решений задачи относится к проблеме выбора и принятия решения. Задачей принятия решения называют кортеж W, , где W – множество вариантов решений задачи; – принцип оптимальности, дающий представление о качестве вариантов, в простейшем случае – правило предпочтения вариантов. Решением задачи называют множество WОК W , полученное на основе прин-

ципа оптимальности.

Задачи принятия решений классифицируют по наличию информации о множестве W и принципе оптимальности .

Если W и неизвестны, возникает общая задача принятия решения. Это наиболее сложная задача, так как данные для получения множества вариантов WОК

определяют в процессе еерешения. Задачус известным называют задачей выбора, а задачу с известными W и – задачей оптимизации.

Построение множества W в общем случае является задачей выбора. Следовательно, общую задачу принятия решения можно свести к решению последовательных задач выбора. Информацию о физических свойствах вариантов W при этом доставляет САПР, а выбор осуществляет лицо, принимающее решение (ЛПР), т.е. проектировщик.

Сложность задачи принятия решения связана с условиями неопределенности, характерными для начальных стадий проектирования ТО. Это приводит к необходимости многократного повторения процедур проектирования по мере раскрытия неопределенностей.

Раздел математической теории принятия решений в условиях неполной опре-

деленности называют теорией статистических решений [1].

Итак, на входе этапа, заключающегося в проведении компьютерного моделирования проектируемых ЭРЭС, имеем следующие исходные данные:

–множество вариантов структурных и функциональных электрических схем проектируемого ЭРЭС;

–дополнительные требования к объекту проектирования, представленные в виде доработанного варианта технического задания.

107

Результатами выполнения данного этапа должны быть:

–математическая и компьютерная модели ОП на системном уровне;

–выбранный вариант структуры проектируемой ЭРЭС.

5.2 Требования и моделирование систем

Важно понимать взаимосвязь между управлением требованиями и моделированием ТС. Они в равной степени поддерживают друг друга, но не следует ставить между ними знак равенства. На рисунке 5.1 эта взаимосвязь иллюстрируется на примере сэндвича. Здесь управление требованиями – это «хлеб с маслом» цикла разработки, а в качестве «начинки» выступает моделирование систем, которое посредством операций анализа и выработки вариантов проектного решения связывает между собой соседние уровни требований [2].

Рисунок 5.1 – «Сэндвич» системной инженерии

Иногда речь заходит о моделировании требований. Такой термин является некорректным. Моделируются проектныерешения, относящиеся к системе, а нетребования к ней. Моделирование поддерживает проектную и конструкторскую деятельность, то есть этап, на котором выполняется основная часть творческой работы. Моделированиепомогает инженеру«вжиться»в системув степени, достаточной для декомпозиции требований на определенном уровне, чтобы перейти на следующий, более низкий уровень. Сами требования представляют собой моментальный снимок полной картины того, что необходимо на каждом уровне, с повышением степени детализации по мере перехода на более низкие уровни.

Модель никогда не даёт полной информации о системе, в противном случае её нельзя было бы назвать моделью. Поэтому для получения как можно более полного представления о множестве разнообразных свойств системы часто используется несколько различных, возможно, взаимосвязанных моделей. Для свойств, которые невозможно промоделировать, остается описание на уровне требований, которые в подобных случаях выражаются преимущественно в вербально-дескриптивной форме.

108

Модель является абстрактным представлением системы. Оно целенаправленно отражает тольковыделенныесвойства системы, оставляябез вниманиявсееёпрочие качества. В этом смысле абстракцию можно считать операцией отсечения всего, что отвлекает внимание, то есть отказ от подробностей, которые, являясь важными сами по себе, не имеют отношения к рассматриваемой модели. Преимущество такого подхода заключается в том, что он требует сбора, обработки, организации и анализа гораздо меньшего объёма информации. При этом используются различные специализированные методики, наиболее уместные для изучаемых аспектов.

Там, где необходимо управлять большими объемами сложной информации, моделирование предоставляет средства укрупнения, позволяющие объединять подмножества данныхдля достижения определенной цели, и средства, позволяющие подняться на более высокие уровни, чтобы оценить все картину в целом. Это обеспечивает сопровождение всей системы посредством сосредоточения именно на том небольшом объеме информации, который необходим в текущий момент времени.

На рисунке 5.2 показана взаимосвязь между ролями, которые исполняют требования и моделирование систем. Модель помогает системному аналитику, ответственному за работу с требованиями, анализировать требования на определенном уровне с целью:

–обсуждения с заказчиком / потребителем в интересах улучшения взаимопонимания в отношении создаваемой системы;

–убедиться в наличии желаемых эмерджентных свойств (и отсутствии нежелательных);

–определить способы удовлетворения требований посредством порождения новой группы требований на следующем, более низком уровне.

Рисунок 5.2 – Требования и моделирование

109

Природа используемых моделей будет меняться от уровню к уровню. На самом верхнем уровне применяются модели, подобные «сценарию использования системы заинтересованными сторонами», при этом основная цель состоит в получении исходной версии описания требований заинтересованных сторон. Впоследствии возможно применение различных типов моделей функционирования, которые служатдля установления требований ксистемена основетребований заинтересованных сторон. В случаеПО (такжеприменимы и кТС) кподобным моделям можноотнести UML-диаграммы: диаграммы классов (class diagramms), диаграммы последователь-

ностей сообщений (message sequence charts) и диаграммы состояний (state charts).

При переходе от требований к системе в целом к описанию архитектуры все внимание концентрируется на характеристиках системы. Для уверенности в том, что выбранная архитектура даёт возможность выполнения всей совокупности как функциональных, так и других требований, можно воспользоваться множеством различных моделей.

Например, для моделирования поведения могут использоваться модели теории очередей, для моделирования аэродинамических характеристик – результаты продувки в аэродинамической трубе, наконец, для моделирования транспортных потоков – модели теории расписаний.

Из приведенных примеров становится понятно, что природа моделей также меняется от одной области применения к другой. Математическая модель расписания подходит, когда создается авиатранспортная или железнодорожная система, но не для проектирования летательного аппарата, где более уместно моделирование аэродинамических качеств (разумеется, аэродинамические испытания весьма важны и для высокоскоростных поездов). Применение диаграммы последовательностей сообщений уместно для систем связи, но для приложений, обрабатывающих большие объемы данных, лучше использовать методики моделирования, ориентированные на данные, например диаграммы типа «сущность–связь».

Несмотря на такое разнообразие моделей, общие принципы управления требованиями остаются неизменными для любых приложений.

5.3 Определение, цели и задачи моделирования

электронных и радиоэлектронных средств на системном уровне

5.3.1 Значение моделирования

Как следует из вышеизложенного, центральным элементом деятельности, ведущей к созданиюкачественной технической системы, является моделирование. Модели позволяют наглядно продемонстрировать желаемую структуру и поведение системы. Они также необходимы для визуализации и управления её архитектурой. Модели помогают добиться лучшего понимания создаваемой технической системы,

110

что зачастую приводит к её упрощению и возможности повторного использования. Наконец, модели нужны для минимизации рисков [3].

Если необходимо создать сложную техническую систему, то задача не сводится к разработке самой сложной её архитектуры. Проблема в том, чтобы разработать правильную архитектуру, причём так, чтобы её размер был минимален. При таком подходе разработка качественной ТС сводится к вопросам выбора архитектуры, подходящих инструментов и средств управления процессом.

Моделирование – это устоявшаяся и повсеместно принятая инженерная методика, которая позволяет проверить теории и испытать новые идеи с минимальным риском и затратами.

Итак, что же такое модель? В самом простом и общем смысле слова модель – это упрощённое представление реальности. Модель – это чертёж системы: в неё может входить как детальный план, таки более абстрактное представление системы. Хорошая модель всегда включает элементы, существенно влияющие на результат, и не включает те, которые малозначимы на данном уровне абстракции. Каждая система может быть описана с разных точек зрения, для чего используются различные модели, каждая из которых, следовательно, является семантически замкнутой абстракцией системы. Модель может быть структурной, подчеркивающей организацию системы, или поведенческой, то есть отражающей её динамику.

Модельвширокомсмысле–любойобраз, аналог(мысленныйилиусловный: изображение, описание, схема, чертеж, график, план, карта и т.п.) какого-либо объекта, процесса или явления (оригинала данной модели).

Зачем мы моделируем? На этоесть одна фундаментальнаяпричина. Мыразрабатываем модели для того, чтобы лучше понимать разрабатываемую систему.

Моделирование позволяет решить четыре различных задачи:

–визуализировать систему в её текущем или желательном для нас состоянии;

–определить структуру или поведение системы;

–получить шаблон, позволяющий затем сконструировать систему;

–документировать принимаемые решения, используя полученные модели. Моделирование предназначено не только для создания больших систем. Чем

больше и сложнее система, тем большее значение приобретает моделирование при еёразработке. Делов том, чтомоделировать сложную системунеобходимо, поскольку иначе мы не можем воспринять её как единое целое.

Задача проектирования осложняется ещё и тем, что современные технические системы, работающие на принципах электроники, радиоэлектроники и радиотехники, становятся все более программно-насыщенными и программно-управляемыми. Сложные технические системы управляются сложными программными системами (ПС). Системный инженер должен быть компетентен не только в вопросах разработки математического и физического моделирования ЭРЭС, но и в вопросах разработки и моделирования программных систем. Поэтому, помимо средств математического и физического моделирования технических процессов и технических

111

систем, ему необходимо знать ещё языки моделирования, с помощью которых можно создавать модели программных систем. В настоящее время существуют универсальные языки моделирования, отвечающие данным требованиям и позволяющие моделировать как технические, так и программные системы. Их мы также рассмотрим далее.

Компьютерное моделирование ЭРЭС на системном уровне предназначено для определения и выбора функциональных принципов действия и функциональных структур, на основе которых будет создана ТС, для проверки правильности и надежности принятых проектных решений по определению и выбору архитектуры будущей системы, а также для валидации разработанной концепции системы без рассмотрения специфики её работы на принципиальном физическом уровне. Последнее становится возможным благодаря свойствам системотехнической и схемотехнической инвариантности технических систем, в частности ЭРЭС.

Свойство системотехнической инвариантности ЭРЭС, как говорилось выше,

заключается в том, что конкретная целевая функция системы может быть реализована несколькими способами на уровне функциональной структуры этой системы

[4].

Например, целевую функцию радиоприёма информации можно осуществить с помощью радиоприёмных устройств разных типов: детекторного, прямого усиления, супергетеродинного, сверхрегенеративного, про- граммно-управляемого (software defined radio или SDR), у каждого из которых будет своя функциональная структура, отражаемая в структурной электрической схеме.

Свойство схемотехнической инвариантности ЭРЭС заключается в том, что конкретная техническая функция отдельного элементарного компонента (функционального узла) структуры системы может быть реализована несколькими способами на уровне физического принципа действия.

Например, усилительный функциональный узел может быть реализован на электровакуумных лампах, полевых или биполярных транзисторах, операционных усилителях, специализированных интегральных микросхемах и даже на туннельных диодах, что отражается на принципиальной электрической схеме этого функционального узла.

Впроцессе проектирования, еще до создания реального образца ТС, для исследования её характеристик может быть использована компьютерная модель, основанная на математическом описании системы. При имитационном моделировании модель ставится в те же условия и подвергается тем же внешним воздействиям, при которых будет работать реальная система [5].

Враспоряжении инженера имеются различные уровни достижимой точности моделирования. На первых этапах синтеза весьма эффективными являются интерактивные прикладные пакеты САПР. При этом не так важно быстродействие

112

компьютера, как то, сколько времени потребуется инженеру для получения начального решения и доведения его итеративным путём до окнчательного проекта. Решающее значение здесь имеют качественные графические средства.

Следует отметить основные преимущества компьютерного моделирования.

1.Поведение системы можно наблюдать в самых разных условиях.

2.Путем исследования модели можно предсказать, как поведет себя реальная система при натурных испытаниях.

3.По данным испытаний можно сделать некоторые умозаключения относительно систем, которые ещё предстоит синтезировать.

4.Всесторонние испытания системы можно выполнить за сравнительно короткий промежуток времени.

5.Результаты моделирования можно получить с гораздо меньшими затратами, чем при натурном эксперименте.

6.Можно изучить поведение системы в таких гипотетических условиях, которые в настоящее время вряд ли могут реально иметь место.

7.Компьютерное моделирование часто является единственным или безопасным методом анализа поведения системы.

Анализ и синтез ТС осуществляется более эффективно, если сопровождается имитационным моделированием (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 – Анализ и синтез технической системы с использованием ее модели

5.3.2 Структура стадии моделирования

Моделирование является одной из стадий проектирования системы и заключается в построении, анализе и оптимизации моделей.

Модель выступает как образ будущей системы. Модели делятся на познавательные и прагматические («практические») [6].

Прагматические модели проектируемых систем, так же как и сами системы, могут быть на разных уровнях иерархии.

113

Прагматические модели являются способом организации практических действий, способом представления как бы образцово правильных действий и их результатов, то есть являются рабочим представлением, мысленным образцом будущей системы. Таким образом, прагматические модели носят нормативный характер для дальнейшей деятельности, играют роль стандарта, эталона, под который «подгоняется» в дальнейшем как сама деятельность, так и ее результаты.

Примерами прагматических моделей могут быть планы и программы действий, уставы организаций, кодексы законов, рабочие чертежи, отраслевые стандарты, экзаменационные требования и т.д.

Стадия моделирования включает в себя этапы:

–построения моделей;

–оптимизации;

–выбора (принятия решения).

Этап построения моделей. Для создания моделей у человека есть всего два типа «материалов» – средства сознания и средства окружающего материального мира. Соответственно этому модели делятся на абстрактные (идеальные) и материальные (реальные, вещественные).

Абстрактные модели являются идеальными конструкциями, построенными средствами мышления, сознания.

Абстрактныемодели являютсяязыковыми конструкциями. Абстрактныемодели могут формироваться и передаваться другим людям средствами разных языков, языков разных уровней специализации (естественных, профессиональных, искусственных).

В результате получается иерархия языков и соответствующая иерархия типов моделей. На верхнем уровне этого спектра находятся модели, создаваемые средствами естественного языка, и так вплоть до моделей, имеющих максимально достижимую определенность и точность для сегодняшнего состояния данной отрасли профессиональной деятельности.

Математические (в строгом смысле) модели обладают абсолютной точностью. Но чтобы дойти до их использования в какой-либо области, необходимо получить достаточный дляэтогообъем достоверных знаний. Нематематизированность многих общественных и гуманитарных областей не означает их ненаучности, а есть следствие познавательной сложности их предметов. В них модели строятся, как правило, с использованием средств естественного языка.

Можно выделить следующие функции моделирования:

–дескриптивную;

–прогностическую;

–нормативную.

Дескриптивная функция заключается в том, что за счет абстрагирования модели позволяют достаточно просто объяснить наблюдаемые на практике явления и процессы (другими словами, объяснить, почему мир устроен так). Успешные в этом

114

отношении модели становятся компонентами научных теорий и являются эффективным средством отражения их содержания (поэтому познавательную функцию моделирования можно рассматривать как составляющую дескриптивной функции).

Прогностическая функция моделирования отражает его возможность предсказывать будущие свойства и состояния моделируемых систем, то есть отвечать на вопрос «что будет?».

Нормативная функция моделирования заключается в получении ответа на вопрос «как должно быть?». Если, помимо состояния системы, заданы критерии оценки ее состояния, то за счет использования оптимизации возможно не только описать существующую систему, но и построить ее нормативный образ – желательный с точки зрения субъекта, интересы и предпочтения которого отражены используемыми критериями.

Нормативная функция моделирования тесно связана с решением задач управления, то есть с поиском ответа на вопрос «как добиться желаемого (состояния, свойств системы и т.д.)?».

Для того чтобы создаваемая модель соответствовала своему назначению, необходимо, чтобы она отвечала ряду требований, обеспечивающих ее функционирование (рисунок 5.4). Невыполнение этих требований лишает модель ее модельных свойств.

Рисунок 5.4 – Требования, предъявляемые к моделям

Первым таким требованием является ее ингерентность, то есть достаточная степень согласованности со средой, чтобы создаваемая модель (в соответствии с принципом коммуникативности) была согласована с культурной средой, в которой ей предстоит функционировать, входила бы в эту среду не как чужеродный элемент, а как естественная составная часть.

Другой аспект ингерентности модели состоит в том, что в ней должны быть предусмотрены нетолько «стыковочные узлы»сосредой (интерфейсы), нои в самой среде должны быть созданы предпосылки, обеспечивающие функционирование будущей системы. То есть не только модель должна приспосабливаться к среде, но и среду необходимо приспосабливать к модели будущей системы.

115