21

ЛЕКЦИЯ 4. ВНЕШНЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1. Задачи внешнего проектирования

2. Жизненный цикл АИС. Основные компоненты методологии внешнего проектирования АИС

Задачи внешнего проектирования

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.