18 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

При проектировании сложных систем, в том числе информационных, нельзя полагаться только на «интуицию» и опыт разработчика. В большинстве случаев успешное создание сложной системы возможно только при условии правильной организации процесса проектирования и правильного использования разнообразных инструментов проектирования – от программного обеспечения до математических методов анализа.

Проектирование сложных систем имеет две достаточно ярко выраженные стадии. Первая относится к функционально-структурным вопросам и называется макропроектированием, а вторая – микропроектирование – связана с проектированием элементов системы как физических единиц оборудования.

Макропроектирование, рассматривающее выбор и организацию функций и структуры системы в целом, предполагает выяснение целей, для которых должна служить система, основных решаемых ею задач, исследование свойств внешней среды и определение характеристик её воздействия на систему, а также обоснование, в результате анализа этих данных, технических требований к системе и взаимодействию её с внешней средой. Иногда эту стадию называют внешним проектированием системы.

Микропроектирование, или внутреннее проектирование, связано с техническими решениями по основным элементам, их конструкции и параметрам, режимам эксплуатации и т.д.

Такое разделение проектирования системы на части является в значительной мере условным и не всегда границы его чётко вырисовываются. Особенно это замечание относится к вопросам, связанным с организацией взаимодействия между элементами системы в процессе её функционирования. Естественно, что организация взаимодействия невозможна без достаточно глубокого проникновения в природу элементов системы, вместе с тем она является одной из основных общесистемных проблем.

Обычно проектирование сложных технических систем, в частности информационных систем и систем управления, относят к специальной инженерной области – системотехнике (Systems Engineering). Системотехника представляет собой совокупность точек зрения, методов и подходов, связанных с макропроектированием сложных систем.

Работа по макропроектированию начинается с формулировки проблем, которая должна содержать по крайней мере три основных раздела: 1) чёткое определение целей создания системы и круга решаемых ею задач; 2) перечень и характеристику действующих на систему факторов, подлежащих обязательному учёту при разработке; 3) выбор показателя эффективности системы.

Цели и задачи системы определяются исходя из потребностей практики, тенденций и особенностей развития современной техники, а также экономической целесообразности. В настоящее время нет возможности указать какие-либо формальные правила для решения этого вопроса, за исключением, быть может, рекомендации рассматривать данную систему как подсистему сложной системы более высокого уровня. Понимание роли этой подсистемы, а также опыт применения существующих систем аналогичного типа и инженерная интуиция, пожалуй, исчерпывают арсенал имеющихся средств.

Для оценки факторов, действующих на систему, помимо предшествующего опыта эксплуатации аналогичных систем, используются статистические данные, полученные путём специально поставленных экспериментальных исследований.

О выборе показателей эффективности говорилось в лекции 3.

После формулировки проблемы обычно приступают к предварительной намётке одного или нескольких вариантов системы, которые, по мнению проектировщиков, заслуживают дальнейшего рассмотрения и подробного исследования. Исследования вариантов всегда начинаются с оценки их эффективности. Для этого необходимо знать требуемое значение эффективности системы, а также уметь вычислять значение показателя эффективности исходя из структуры и параметров системы. Требуемое значение показателя эффективности определяется на основе анализа целей создания системы и круга решаемых ею задач, или, что то же самое, экономической целесообразности.

Для получения методики расчёта показателей эффективности, а также для исследования различных свойств системы необходимо построить математическое описание её функционирования, или, другими словами, математическую модель. На практике, учитывая специфику сложных систем и особенности задач макропроектирования, из всевозможных методов физического и математического моделирования обычно отдаётся предпочтение методу статистического моделирования. Статистическая модель процесса функционирования системы представляет собой алгоритм, реализуемый на ЭВМ, при помощи которого имитируется работа отдельных элементов системы, их взаимодействие, а также циркуляция и переработка информации. Для формирования случайных воздействий на систему со стороны внешней среды и внутренних источников помех используются случайны числа с заданными или определяемыми в процессе моделирования законами распределения.

Кроме метода статистического моделирования, широкое применение для математического описания процессов функционирования сложных систем получили и аналитические методы, основанные на теории случайных процессов. Особенно следует отметить использование марковских процессов, систем массового обслуживания, а также вероятностных автоматов и динамических систем со случайными характеристиками. Во многих случаях применяется также метод динамики средних. Перечисленные методы уступают статистическому моделированию в смысле универсальности и применяются, как правило, для решения частных задач.

Для процессов функционирования сложных системы часто бывают характерны так называемые конфликтные ситуации, связанные с проявлением противоположных тенденций и противоречивых требований. Такую трактовку можно дать многим видам взаимодействия сложной системы с внешней средой, а в некоторых случаях и взаимодействию элементов внутри системы. Для описания этой стороны функционирования сложных систем могут быть использованы методы теории игр и статистических решений, а с учётом того, что стороны в конфликтных ситуациях стремятся к оптимальному поведению, также и методы теории оптимального управления (в том числе линейного, выпуклого, динамического программирования и др.).

Как правило, в полном объёме описать конфликтную ситуацию в сложной системе не представляется возможным, так как полученные соотношения оказались бы чрезмерно громоздкими. Однако иногда можно обойтись упрощёнными моделями конфликтных ситуаций для решения вопросов, возникающих при макропроектировании сложных систем. Кроме того, понятия теории игр и оптимального управления могут быть использованы для включения состязательных элементов в статистические модели сложных систем.

Математическая модель используется для оценки эффективности различных вариантов структуры системы и набора её параметров. Наряду с математическим анализом сложных систем путём из моделирования при проектировании проводятся также и экспериментальные исследования на действующих макетах системы и её основных элементов.

Сведения о системе, полученные в результате моделирования и эксперимента, дают возможность обосновать оптимальную структуру системы, определить оптимальные значения её параметров и убедиться в том, что выбранный вариант системы соответствует цели её разработки и обладает достаточной эффективностью. Таким образом, может быть решена основная задача макропроектирования.

В настоящем курсе рассмотрены основные математические методы описания сложных систем, методы теории информации и методы принятия решений. Рассмотренные методы, в основном, относятся к классическим. В настоящее время активно развиваются такие области, связанные с теорией систем, как методы идентификации систем, методы оптимизации, прикладная статистика (в особенности нечисловые методы) и т.д.