3.3. 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.