2.3 Методы, способы и подходы к проектированию.

Различают нисходящее (сверху вниз) и восходящее (снизу вверх) проектирование. При нисходящем проектировании задачи высоких иерархических уровней решаются прежде, чем задачи более низких иерархических уровней. При восходящем проектировании последовательность противоположная. Функциональное проектирование сложных систем чаще всего является нисходящим, конструкторское проектирование - восходящим.

Маршрутом проектирования называется последовательность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений. Принципы построения маршрутов проектирования:

• расчленение сложной задачи синтеза полного комплекта конструкторско-технологической документации на более простые задачи синтеза промежуточных проектных решений;

• чередование процедур синтеза и верификации;

• итерционность проектирования;

• многовариантность анализа (усложнение моделей) по мере приближения к окончательному проектному решению.

Расчленение (декомпозиция) сложной задачи синтеза на ряд простых выполняется в соответствии с блочно-иерархическим подходом к проектированию. Расчленение позволяет распределить работу между соответствующими подразделениями проектного предприятия, организовать параллельно-последовательное выполнение проектных процедур коллективом разработчиков. Основными проблемами декомпозиции является сохранение глобального оптимума проектных параметров и согласованность компонент (необходимость тщательной проработки интерфейса).

Чередование процедур синтеза и верификации обусловлено тем, что для большинства задач структурного синтеза отсутствуют методы, обеспечивающие безошибочное получение проектных решений, удовлетворяющих требованиям ТЗ. Это связано с трудностями формализации задач синтеза, поэтому основные решения принимает человек на основе эвристических приемов. При этом невозможно учесть многообразие качественных и количественных требований и избежать ошибок. Поэтому результаты предложенных при синтезе проектных решений контролируются выполнением верификации.

Существуют два подхода к верификации проектных процедур: аналитический и численный. Аналитический подход основан на использовании формальных методов доказательства соответствия двух сравниваемых описаний. Для реализации аналитического подхода необходимо в рамках некоторой формальной системы установить язык представления проектных решений и правила преобразования предложений и конструкций этого языка нужно разработать алгоритмы целенаправленного применения правил для приведения сравниваемых вариантов к виду, по которому можно сделать заключение о наличии или отсутствии соответствия этих вариантов. Численный подход основан на математически моделировании процессов функционирования проектируемых объектов. Моделирование - это исследование объекта путем создания его модели и оперирования ею с целью получения полезной информации об объекте. При математическом моделировании исследуется математическая модель объекта.

Математической моделью технического объекта называется совокупность математических методов (чисел, скалярных переменных, векторов, матриц, графов и т.п.) и связывающих их соотношений, отражающая свойства моделируемого технического объекта, интересующие проектировщика. Математическая модель, отражающая поведение моделируемого объекта при заданных изменяющихся во времени внешних взаимодействиях, называется имитационной.

Итерационность проектирования обусловлена двумя факторами:

• особенностью блочно-иерархического подхода. При нисходящем проектировании на n-ом иерархическом уровне можно лишь предположительно судить о свойствах непроектированных элементов, которые будут разрабатываться на (n+1)-м уровне. При восходящем проектировании неопределенность связана с требованиями ТЗ, корректность, которых может быть установлена лишь при выполнении процедур самого верхнего иерархического уровня. Поэтому ошибочность или неоптимальность решений, полученных на предыдущих этапах, выявляется в последующем, что требует возвращения к предыдущим для перепроектирования;

• чередованием синтеза и верификации, представляющим собой последовательное приближение к приемлемому проектному решению.

На первых итерациях, результаты, полученные при помощи приближенных моделей оцениваются достаточно легко и просто. Чем ближе очередной вариант к окончательному, тем более точное и всестороннее исследование требуется для его оценки. Следовательно, в процедурах верификации нужно использовать не одну модель объекта, а иерархический ряд моделей, различающийся сложностью и точностью.

Многовариантность анализа по мере приближения к окончательному решению выражается в том, что проверка производится по все большему числу показателей, оговариваемых в ТЗ, зачастую с учетом статистического характера параметров и нестабильности внешних условий.

В описаниях проектируемых объектов фигурируют параметры и переменные, которые делятся на следующие группы:

• фазовые переменные - величины, характеризующие физическое или информационное состояние объекта;

• выходные параметры - величины, характеризующие свойства систем;

• внутренние параметры - величины, характеризующие свойства элементов;

• внешние параметры - величины, характеризующие свойства внешней по отношению к исследуемому объекту среды;

• ограничения входных параметров (технические требования к выходным параметрам) - граничные значения допустимых по техническому заданию диапазонов изменения выходных параметров.

Примерами групп параметров для вычислительной системы могут служить:

• фазовые переменные - состояние отдельных устройств;

• выходные параметры - производительность системы, коэффициенты загрузки оборудования, вероятность решения поступающих задач, средние длины очередей заявок на обслуживание; внутренние параметры - емкости запоминающих устройств, быстродействие (тактовые частоты) процессоров, число каналов ввода-вывода;

• ограничения - нижние границы допустимых диапазонов значений производительности и т.д.

При блочно-иерархическом подходе внутренние параметры К-го уровня являются выходными параметрами (K+1)-го уровня. При многоаспектном рассмотрении систем, включающих физически разнородные подсистемы, роль внешних переменных для данной подсистемы играют фазовые переменные других подсистем, влияющих на данную подсистему.

Внутренние параметры являются случайными величинами вследствие разбросов параметров комплектующих изделий, материалов и нестабильности условий изготовления. Выходные параметры также имеют случайный характер как функции случайных внутренних параметров.

Классификацию проектных процедур иллюстрирует рис.2.

	Проектные процедуры
Анализ						Синтез
Одно- вариантный			Много- вариантный			Параметрический			Структурный
статики			чувствительности			расчет внутренних параметров
динамики			статистический			оптимизация параметров
в частотной области			расчет зависимостей выходных параметров от внутренних и внешних параметров			оптимизация допусков
стационарных режимов кол.						оптимизация технических требований
устойчивости

Рис. 2. Классификация проектных процедур

В процедурах синтеза разрабатываются, а в процедурах анализа оцениваются варианты построения объектов. Одновариантный анализ заключается в определении вектора выходных параметров Y при заданных структуре системы, значениях векторов параметров элементов Х и внешних параметров Q. Структура системы задана, если заданы перечень типов элементов и способ их связи друг с другом в составе системы. По известной структуре и значениям Х и Q могут быть созданы модели физическая (макет) или математическая и по результатам исследования модели оценено значение Y. В этом случае говорят, что анализ выполнен методом моделирования.

Приемлемость полученных значений выходных параметров Y_j определяется их сопоставлением со значениями технических требований Т_j, указанными в ТЗ. Требуемое по ТЗ соотношение между значениями Y_j и Т_j называют условием работоспособности по параметру Y_j. Условия работоспособности могут иметь следующие формы:

Y_j < Т_j,

Y_j > Т_j,

Т_{j max} < Y_j < Т_{j min}.

Задачи многовариантного анализа заключаются в определении изменений Y при заданных изменениях Х и Q. К типичным процедурам многовариантного анализа относятся:

• анализ чувствительности - оценка влияния внутренних и внешних параметров на выходные, сводящаяся к расчету коэффициентов чувствительности;

• статистический анализ оценка закона и (или) числовых характеристик распределения вектора Y при заданных статистических сведениях о распределении случайного вектора Х.

Различают процедуры структурного и параметрического синтеза. При структурном синтезе определяется структура объекта. При параметрическом синтезе определяются численные значения параметров элементов при заданных структуре объекта и диапазоне возможного изменения внешних переменных. Если при этом ставится цель достижения экстремума некоторой целевой функции, то имеет место процедура оптимизации (более строго- параметрической оптимизации).

При оптимизации параметров определяются номинальные значения внутренних параметров, при оптимизации допусков - дополнительно допуски на внутренние параметры, а при оптимизации технических требований решается задача оптимального назначения технических требований к выходным параметрам объекта.

В большинстве маршрутов проектирования процедуры синтеза и анализа находятся во взаимосвязи, иллюстрируемой рис.3.

Если целью анализа является установление соответствия синтезированной структуры исходному описанию, то анализ называют верификацией проекта. Различают верификацию структурную и параметрическую. При структурной верификации проверяется соответствие структур объекта, представленных двумя различными описаниями, а при параметрической верификации устанавливается соответствие областей работоспособности двух сравнимых вариантов объекта. Примером структурной верификации служат установление изоморфизма графов, описывающих топологию и принципиальную электрическую схему локальной вычислительной сети (ЛВС). Пример параметрической верификации - установление работоспособности ЛВС путем анализа электрических процессов с учетом конструктивных параметров, определяемых принятым вариантом размещения и трассировки.

Обычно по результатом анализа организуется итерационный процесс улучшения первоначального варианта путем изменения численных значений параметров элементов. Этот процесс может быть формализован и представлен как решение задачи параметрической оптимизации. Если по окончании оптимизации требования ТЗ не выполнены, предпринимается попытка улучшить результаты внесением структурных изменений. Если и при этом получить удовлетворительные результаты не удается, ставится вопрос о корректировке ТЗ.

Полный и тщательный анализ требует больших и материальных временных затрат. Поэтому на первых итерациях в маршрутах по рис.2 выполняют упрощенный анализ. Использовать сложные модели и проводить параметрическую верификацию и всесторонний многовариантный анализ целесообразно лишь на завершающих итерациях.

От предыдущего этапа проектирования
Формирование или
корректировка ТЗ
									НЕТ
					СИНТЕЗ
Синтез						ДА	Изменять
варианта структуры							структуру?
					ОПТИМИЗАЦИЯ
Выбор исходных
значений параметров
	А Н А Л И З				Изменение
					параметров Х
	Выполнены требования			НЕТ	Изменять параметры		НЕТ
	ЧТЗ?				элементов
			ДА
	Оформление технической документации и переход к следующему этапу
	проектирования

Рис. 3. Схема типового маршрута проектирования

Большие затраты на анализ характерны для функционального проектирования, например, для задач определения состава устройств вычислительной системы и способов их взаимодействия. Для этих задач обычно применяют эвристические способы синтеза структуры с перебором малого числа вариантов, основные усилия затрачиваются на выполнение многовариантного анализа и оптимизации.

Если удается организовать приближенную оценку вариантов структуры на основе легко проверяемых критериев, появляется возможность просмотра большого числа вариантов структуры, а следовательно, и формализации решения задачи синтеза.

ГЛАВА 3 ВНЕШНЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Значительное количество работ, посвященных внутреннему проектированию позволяет не останавливаться на этом понятии, кратко характеризуя его как комплекс мероприятий по реализации основного замысла.

Понятие "внешнее проектирование" охватывает две первых стадии: пред-проектные исследования и формирование ТЗ.

Целью внешнего проектирования является отыскание значения внешних параметров проектируемой системы, обеспечивающих достижение требуемого эффекта при заданных условиях.

Основными задачами внешнего проектирования являются обоснование, определение целей создания и технико-экономических требований к системе и ее подсистемам, построение функционального дерева целей системы, определяющего структуру включения подсистем друг в друга с разработкой требований к их характеристикам. Внешнее проектирование является начальным этапом в синтезе сложных систем, их разработка предполагает также окончательный выбор структурного состава системы и требований к ее элементам, а также обоснованный выбор инженерных путей построения элементов системы.

Рассмотрим зависимость "важности" принятия решений и стоимости этапа проектирования на традиционном и наиболее распространенном временном лаге "проектирование - производство". Для количественной оценки и возможности сравнения двух показателей под качественным показателем "важность" можно понимать стоимость перепроектирования в случае неисправимых ошибок (рис.3). На начальных этапах проектирования (формирование технического облика и синтез структуры), как правило, затраты минимальны, что традиционно определяется небольшим количеством персонала, принимающего участие в принятие решений на начальных стадиях (руководитель проекта, главный конструктор с главными специалистами по направлениям);

- во многом интуитивное принятие решений, основанное на анализе прототипов и опыте проектирования (эта же причина определяет и существенные затраты при ошибке);

- минимальное применение точных методов, не позволяющих использование в полной мере средств вычислительной техники.

1 2 3 4 4 Стоимость Важность Этапы		Обозначения: Формирование технического облика Синтез структуры Техническое проектирование Производство стоимость - - важность принимаемых решений.

Рис. 3. Соотношение стоимости и «важности принимаемых решений»

На начальных этапах проектирования (формирование технического облика и синтез структуры), как правило, затраты минимальны, что традиционно объясняется:

• небольшим количеством персонала, принимающего участие в принятие решений на начальных стадиях (руководитель проекта, главный конструктор с главными специалистами по направлениям);

• во многом интуитивным принятием решений, основанным на анализе прототипов и опыте проектирования (эта же причина определяет и существенные затраты при ошибке);

• минимальным применением точных методов, не позволяющих использование в полной мере средств вычислительной техники.

На последующих этапах возрастает количество сотрудников, принимающих участие в проекте, особенно при его производстве, возрастают материальные затраты, при этом как проектировщики, так и производственники, могут принимать решения по отдельным составным частям проекта, что снижает важность их решений и, соответственно, затраты при ошибках. Немаловажным является тот факт, что при прохождении от начального конечного этапов качество проекта может только не ухудшаться, что само по себе повышает значимость начальных этапов, так как принятое решение главным конструктором (руководителем проекта) не улучшится никакими усилиями проектировщиков на последующих этапах.

Достижение основной цели внешнего проектирования - обеспечения требуемого эффекта проектируемого объекта подразумевает обоснованный выбор показателя эффективности функционирования объекта. Частные показатели, характеризующие объект проектирования, не дают достаточно полного, и главное, адекватного представления об эффективности объекта. Противоречивость частных показателей не позволяет получать целостные состоятельные оценки качества функционирования объекта проектирования и степени решения им поставленных задач. Кроме этого, попытки выбора лучшего варианта в процессе синтеза одновременно по нескольким частным показателям обычно лишены смысла, т.к. на практике улучшение одного параметра, как правило, сопровождается ухудшением по крайней мере одного другого.

В настоящее время находят применение технические, экономические и технико-экономические критерии. В качестве технических критериев для информационных систем часто принимают:

• производительность;

• объем хранимой информации;

• пропускную способность линий связи;

• показатели надежности (среднее время наработки на отказ, восстановления и т.д.);

• комбинации различных технических параметров.

Данные показатели характеризуют качество системы, ее технический уровень. Однако использование только технических показателей приводит к локальной оценки эффективности новой техники. Следует отметить, что необходимость создания ИС определяется исходя из экономических и социальных факторов. Улучшение технических параметров проектируемых систем является только средством совершенствования экономических и социальных показателей информационных и иных систем. Использование только экономических показателей не учитывает технических параметров проектируемой ИС.

Чтобы обеспечить технико-экономический подход, необходимо дополнительно анализировать сравниваемые системы. Данный подход применим, если различные варианты технических решений сопоставимы по достижению цели (обеспечению требуемой пропускной способности системы, получению заданной надежности и т.п.).

На практике сопоставление связано с определенными трудностями, связанными с разработкой и внедрением методов приведения сравниваемых ИС в сопоставимый вид. Чтобы в каждом конкретном случае можно было правильно выбирать адекватные критерии, необходимо сформулировать основные требования к данным критериям:

• сопоставление эффекта и затрат (наиболее известный показатель "эффективность/стоимость");

• учет частного и общего при формировании критериев;

• сопоставимость сравниваемых систем;

• формирование критериев с учетом множества показателей качества.

Все это указывает на необходимость использования комплексных критериев (обобщенных показателей), функционально связывающих в требуемых пропорциях основные, наиболее важные частные показатели.

Формулировка проблемы внешнего проектирования включает в себя три основных задачи:

1. Определение целей создания системы и множества решаемых ею задач.

2. Описание действующих на систему факторов, подлежащих обязательному учету при разработке.

3. Выбор показателя или системы показателей эффективности системы.

В начале проектирования определяется главная цель создания, которая должна быть достигнута при проектировании новой системы. Далее оговариваются внешние условия, в которых будет функционировать проектируемая система, выделяются связи системы со средой функционирования и задаются описания этих связей.

Для количественной оценки эффективности выбирают один или несколько показателей (критериев). Основу такого выбора составляет адекватное математическое описание процесса функционирования системы или ее математическая модель, позволяющая "...выявить зависимость показателей эффективности от параметров системы и внешней среды, структуры и алгоритма взаимодействия элементов в системе. Математическая модель является основой для решения главных системотехнических задач:

- анализа - определения численных значений показателей эффективности при заданных параметрах системы и характеристиках внешней среды, фиксированной структуре и алгоритме взаимодействия элементов;

- синтеза - выбора оптимальной структуры, алгоритмов взаимодействия, параметров системы, оптимального управления системой и др." [2].

Для получения такого математического описания должны быть определены параметры, описывающие функционирование системы как элемента более широкой системы, как целостное явление и как некоторую сложную систему, структуру которой необходимо представить с достаточной для решения задачи проектирования детализацией. Теоретические и экспериментальные исследования разработанной системных позиций математической модели позволят определить оптимальные значения параметров проектируемой системы, обосновать информационные, функциональные и морфологические требования к ее подсистемам, убедиться в том, что выбранный из множества альтернатив вариант системы соответствует цели ее разработки и обладает требуемой эффективностью.

Результатом синтеза является, как правило, набор альтернативных вариантов структур и параметров проектируемого объекта.

Важнейшим вопросом при проектировании ИС является выбор альтернативных вариантов. При проектировании цель задана и ее записывают обычно в виде

f(x)  max (min);

где f - некоторая скалярная функция (например, надежность, производительность ИС);

х – вектор - определяющий управляемые (изменяемые) параметры (например число типовых элементов конструкции, причем Х ={х}).

Задачи такого вида решаются путем нахождения экстремума функции f(х) на некотором множестве Х, т.е.

f(x)  max (min);

х  Х

При проектировании перед разработчиком стоит задача с помощью ЭВМ выбирать способ действия, т.е. вектор дающий максимальное (минимальное) значение нескольким функционалам: f₁(х), f₂(х), f(х). Для решения задач такого типа обычно используют методы линейной свертки, контрольных цифр, компромиссы Парето и др.

При использование методов линейной свертки вместо v различных критериев учитывают один комплексный

v

F (х)=  _{i *} fi(х),

i=1

где _i - положительные числа, нормированные заданным образом.

Коэффициенты i отражают представление проектировщика о содержании компромисса, который он должен принять.

Рассмотрим использование контрольных цифр. При проектирования программно-технических комплексов часто задают систему нормативов, имеющих вид f*₁, f*₂,..., f* _n. Они означают, что параметры комплексов должны быть такими, что

f (x) = max при f (x) > f* .

В этом случае целевую функцию представляют в виде F(x)=min f (x)/f* , а затем производят поиск вектора x, который дает возможность определить наибольшее значение F(x). Условие F(x) = max означает выбор такой системы значений x, которая максимизирует отношение i-го значения критерия к его контрольному значению. Отметим, что значения f* обычно определяются в результате экспертного опроса или задаются разработчиком из опыта работы.

Компромиссы Парето. При решении многокритериальных задач прибегают к сокращению подмножества заведомо "плохих" решений. Пусть сделан выбор x' и имеется другой выбор x'' - такой, что для всех критериев справедливо f (x'') > f (x'). Тогда видно, что выбор x'' предпочтительнее, чем выбор x'. Следовательно, векторы x', удовлетворяющие неравенству, следует исключить из рассмотрения. Предлагается исследовать только те векторы x, для которых не существует x'' для всех критериев, удовлетворяющих приведенному неравенству. Множество таких векторов x называется множеством Парето.

Отметим, что принцип Парето не дает единственного решения. Он уменьшает число исследуемых вариантов,но окончательный выбор всегда за лицом, принимающим решение. В нашем случае это разработчик, который совместно с ЭВМ определяет "цену" увеличения одного из показателей, его влияние на остальные показатели, которые обязательно ухудшаются. Проектировщик, построив множество Парето, облегчает процесс выбора решения. Задачи, решаемые на этапе проектирования, относятся к классу задач многокритериальной оптимизации. Практически осуществить полную оптимизацию при конструировании затруднительно из-за большого числа частных критериев, переменных и ограничений. В настоящее время наиболее приемлемым способом оптимизации при автоматизации проектирования является использование методов последовательной субоптимизации. Сначала образуется обобщающий критерий суммированием частных критериев, умноженных на коэффициенты, задаваемые разработчиком или определяемые на основе экспертных оценок. Суть метода последовательной субоптимизации состоит в отыскании оптимума по важнейшему критерию, далее по менее важному в допустимой области и т.д. Поскольку этапы проектирования в САПР выполняются последовательно, то на каждом этапе можно получить оптимальные или квазиоптимальные результаты в соответствии со своими показателями качества.

Широкое распространение при внешнем проектировании получили степенной и аддитивный критерии оптимизации.

В некоторых методиках расчета весовых коэффициентов от экспертов требуется непосредственное указание значений этих коэффициентов. Отсутствие четкой интерпретации понятия "важности" выходных параметров (или изменение "важности" независимо от знаний экспертов) затрудняет работу экспертов и придает результатам экспертизы субъективный характер. Проще отвечать на вопрос, какой из двух вариантов объекта, различающихся значениями выходных параметров, более предпочтительный.

Характерная особенность задач оптимизации в проектировании - высокая размерность используемых математических моделей и отсутствие аналитических выражений для расчета выходных параметров. Целевую функцию и ограничения, как правило, нельзя исследовать в общем виде. Поэтому оптимизация - поисковая, сводящаяся к пошаговому вычислительному процессу последовательного приближения к искомому экстремуму. Зачастую применяют метод ГСН ("грубая сила и невежество") или прямого перебора вариантов, который при наличии значительных вычислительных ресурсов безусловно обеспечивает нахождение глобального оптимума.

Более изящные методы, направленные в первую очередь на сокращение количества анализируемых вариантов, такие как метод безусловной оптимизации, методы центрирования и др. изложены в соответствующей литературе.

В соответствии с целями и задачами внешнего проектирования его конечным результатом является технический облик ИС, выраженный в значениях технико-экономических параметров и оформленный в виде ТЗ. В общем случае последовательность решения задач внешнего проектирования имеет достаточно сложный характер, однако системный подход позволяет выделить характерные этапы, основными среди которых являются:

1. Постановка задачи ВП для ИС:

• Определение целей создания и детализация задач проектируемого образца;

• Детализация требований системы более высокого уровня к образцу по полноте, достоверности, быстроте, точности и своевременности обработки информации;

• Выделение наиболее существенных показателей целевого эффекта для проектируемой системы в соответствии с требованиями системы более высокого уровня.

2. Определение параметрического базиса проектируемой ИС:

• Определение полного вектора системных параметров и их количественных и качественных характеристик на основе декомпозиции задач при всех возможных условиях функционирования;

• Уточнение внешних параметров ИС;

• Формализация требований ИС к подсистемам или компонентам в виде вектора обобщенных параметров.

3. Синтез альтернативных вариантов ТЭП и общесистемного алгоритма функционирования ИС на основе разработанной модели обобщенного показателя его целевого эффекта.

4. Определение ограничений на показатели ИС (определение области допустимых значений ТЭП).

5. Принятие решения о возможности создания в планируемый период ИС с требуемыми показателями.

6. Выбор предпочтительного варианта ТЭП по критерию «эффективность/стоимость», оценка выделенного ресурса (материального, финансового, интеллектуального).

7. Оформление и согласование ТЗ на проектирование.