Технологии проектирования информационных систем и технологий
К проектированию информационных систем (ИС) непосредственное отношение имеют два направления деятельности:
собственно проектирование ИС конкретных отраслей, предприятий и организаций на базе готовых программных и аппаратных компонентов с помощью специальных инструментальных средств разработки;
проектирование упомянутых компонентов ИС и инструментальных средств, ориентированных на многократное применение при разработке многих конкретных ИС.
Рис.3.13.Структура ЭВМ V поколения
Сущность первого направления может быть выражена словами «системная интеграция». Разработчик ИС должен быть специалистом в области системотехники, хорошо знать международные стандарты, состояние и тенденции развития информационных технологий и программных продуктов, владеть инструментальными средствами разработки приложений (CASE-средствами) и быть готовым к восприятию и анализу автоматизируемых прикладных процессов в сотрудничестве со специалистами соответствующей предметной области.
Второе направление в большей мере относится к области разработки математического и программного обеспечения для реализации функций ИС: моделей, методов, алгоритмов, программ на базе знания системотехники, методов анализа и синтеза проектных решений, технологий программирования, операционных систем и т.п. В каждом классе ИС (АСУ, АСУ ТП, САПР, ГИС и т.д.) имеются фирмы, специализирующиеся на разработке программных (а иногда и программно-аппаратных) систем. Каждая из них рекламирует свою технологию создания ИС и придерживается стратегии или тотального поставщика либо открытости и расширения системы приложениями и дополнениями третьих фирм.
В последнее время прослеживается общее повышение интереса ко всем аспектам, связанным с разработкой сложных программных приложений для ИТ. Для многих организаций корпоративное программное обеспечение и БД представляют стратегическую ценность. Существует высокая заинтересованность в разработке и верификации методов и подходов, позволяющих автоматизировать создание сложных ИС. Известно, что систематическое использование таких методов позволяет значительно улучшить качество, сократить стоимость и время поставки ИС. В настоящее время эти методы включают в себя:
компонентную технологию разработки моделей ИС;
визуальное программирование (RAD-средства);
использование образцов (patterns) при проектировании ИС;
визуальное представление различных аспектов проекта (CASE-средства, визуальное моделирование).
Инструментальные средства и среды CASE-систем.
В современных ИТ важное место отводится инструментальным средствам и средам разработки ИС, в частности системам разработки и сопровождения их ПО. Эти технологии и среды образуют системы, называемые CASE-системами.
Используется двоякое толкование аббревиатуры CASE, соответствующее двум направлениям использования CASE-систем. Первое из них — Computer Aided Software Engineering — переводится как автоматизированное проектирование программного обеспечения, соответствующие CASE-системы часто называют инструментальными средами разработки ПО (RAD — Rapid Application Development). Второе — Computer Aided System Engineering — подчеркивает направленность на поддержку концептуального проектирования сложных систем, преимущественно слабоструктурированных. Такие CASE-системы часто называют системами BPR (Business Process Reengineering).
На рынке программных продуктов имеется много CASE-систем для концептуального проектирования ИС. Чаще всего в них поддерживается методология IDEF. Широко известны продукты BPWin, ERWin, OOWin фирмы Logic Works, Design/IDEF фирмы Meta Software, CASE-Аналитик фирмы Эйтэкс, Silverrun фирмы CSA и др.
BPWin (Business Processing) – ПП предназначен для разработки функциональных моделей по стандарту IDEFO. ERWin – ПП предназначен для разработки информационных моделей по стандарту IDEF1X. Имеются средства, обеспечивающие интерфейс с серверами БД (от пользователя скрыто общение на SQL-языке), перевод графических изображений ER-диаграмм в SQL-формы или в форматы других популярных СУБД. В систему включены также типичные для CASE средства разработки экранных форм. OOWin служит для поддержки объектно-ориентированных технологий проектирования информационных систем. Один из способов использования OOWin — детализация объектно-ориентированной модели на базе созданной ER-модели. При преобразовании ER в ОО-представление сущности и атрибуты становятся классами (множествами подобных объектов). Классы могут быть дополнены описанием услуг класса, т.е. выполняемых операций, передаваемых и возвращаемых параметров, событий. Другой способ использования OOWin — реинжиниринг, так как модернизация проводится на уровне существующей модели.
Ряд программных продуктов, реализующих IDEF-модели, разработаны фирмой KBSI, в частности ProSim реализует стандарт IDEF3, SmartClass — IDEF4. Поведенческое моделирование предприятий предусмотрено также в некоторых системах реинжиниринга, например в системе BAAN IV. Важная проблема — разработка мета-моделей приложений, включающих методы взаимной трансформации функциональных, информационных и структурных моделей. В частности, требуется систематизация понятий, фигурирующих в приложениях, и построение словарей соответствия моделей этих типов.
Визуальные средства моделирования систем.Многими объектно-ориентированными CASE-продуктами поддерживается язык UML (Unified Modeling Language — Унифицированный Язык Моделирования) — стандартная нотация визуального моделирования систем, принятая консорциумом Object Managing Group (OMG) осенью 1997 г.
Визуальные модели широко используются в существующих технологиях управления проектированием ИС, сложность, масштабы и функциональность которых постоянно возрастают. В практике эксплуатации таких систем постоянно приходится решать комплекс задач, включающий:
репликацию БД;
физическое перераспределение вычислений и данных;
обеспечение параллелизма вычислений;
обеспечение безопасности доступа к ИС;
оптимизацию балансировки нагрузки ИС;
устойчивость к сбоям и т.п.
Визуальные модели ИС позволяют наладить плодотворное взаимодействие между заказчиками, пользователями и командой разработчиков, обеспечивают ясность представления выбранных системных спецификаций и позволяют разобраться с возникающими проблемами разрабатываемой системы. Представив язык моделирования общего назначения, авторы проекта UML упростили задачу разработчикам, использовавшим до сих пор разнообразные частные интерфейсы. Большинство производителей (в том числе и такие крупные корпорации, как IBM, Microsoft и Oracle) уже сегодня объединились на платформе UML. Этот язык использует простые и интуитивно понятные соглашения, поэтому в особенностях модели без труда разбираются и непрограммисты. Следовательно, вероятность успеха реализации разработчиками необходимых функций существенно возрастает.
Язык визуального моделирования, как правило, включает в себя:
элементы модели — фундаментальные концепции моделирования и их семантику;
нотацию — визуальное представление элементов моделирования;
принципы использования — правила применения и интерпретации элементов в рамках построения тех или иных типов моделей ИС.
Каждая из диаграмм, использованных в UML, позволяет рассматривать процессы под различным углом. К примеру, деловые пользователи при помощи данных диаграмм могут оценить основные положения бизнес-сценария и разобраться в том, кто за что отвечает. Разработчики же применяют диаграммы классов и объектов для получения точного представления о том, как встраивать данные компоненты в свой код.
Диаграммы объектов и классов описывают статическое состояние элементов системы в каждый конкретный момент, показывают структуру объектов, их атрибуты и взаимные связи. Диаграммы действий отображают управляющие потоки, идущие от одного действия к другому, а диаграммы фактов использования иллюстрируют элементы, находящиеся за пределами системы. (К примеру, внутренние операции новой платежной системы отображаются на диаграмме действий, тогда как работа внешних агентов, в частности отдела обработки почтовых заказов, представлена на диаграмме фактов использования.) Последовательность и взаимные связи диаграмм отражают интерактивные процессы: вы видите не только объекты и классы, но и сообщения, которыми они обмениваются. Таким образом, с помощью системы можно моделировать ситуации, применяя обычную в таких случаях технологию «что, если...». Диаграммы состояния используются для описания динамических объектов, часто отправляющих и принимающих сообщения. Наконец, диаграммы компонентов и развертывания предназначены для физического представления системы (в том числе исполняемых модулей, библиотек и интерфейсов).
Последний вариант спецификаций UML содержит ряд улучшений, к которым относятся новые семантические конструкции, усовершенствованная организация и структуризация документов, а также поддержка нового интерфейса XMI (XML Metadata Interchange). В дальнейшем разработчики намерены предложить интерфейсы для технологий CORBA, Enterprise JavaBeans и XML, средства контроля версий моделей и взаимного обмена диаграммами, более точные обозначения для представлений корпоративной архитектуры, улучшенную семантику для дальнейшей модернизации и отслеживания зависимостей.
Одна из наиболее ярких тенденций в мире UML — «стереотипирование». Этот метод позволяет расширить базовый словарь UML. Применяя имеющиеся блоки в схеме UML, можно получать новый код, описывающий конкретные процессы. Стереотипный код используется для идентификации исполняемых и физических файлов, для создания и уничтожения экземпляров классов, для генерации программ-триггеров, реагирующих на возникновение какого-либо события. Разработчики могут привязать пиктограммы к стереотипам для модификации модели UML с учетом особенностей специфичных операций.
Средства автоматизации вычислений. Компьютер – инструмент научной работы. Вычислительная мощь компьютера позволяет использовать его как средство автоматизации научной работы. Для решения сложных расчетных задач используют программы, написанные специально. В то же время, в научной работе встречается широкий спектр задач ограниченной сложности, для решения которых можно использовать универсальные средства.
Научно-технические документы обычно содержат формулы, результаты расчетов в виде таблиц данных или графиков, текстовые комментарии или описания, другие иллюстрации. В программе автоматизации научной работы им соответствуют два вида объектов: формулы и текстовые блоки.
Формулы вычисляются с использованием числовых констант, переменных, функций (стандартных и определенных пользователем), а также общепринятых обозначений математических операций. Введенные в документ автоматизации научной работы формулы автоматически приводятся к стандартной научно-технической форме записи. Графики, которые автоматически строятся на основе результатов расчетов, также рассматриваются как формулы. Комментарии, описания и иллюстрации размещаются в текстовых блоках, которые игнорируются при проведении расчетов.
Чтобы буквенные обозначения можно было использовать при расчетах по формулам, этим обозначениям должны быть сопоставлены числовые значения. В программе автоматизации научной работы буквенные обозначения рассматриваются как переменные, и их значения задаются при помощи оператора. Таким же образом можно задать числовые последовательности, аналитически определенные функции, матрицы и векторы.
Если все значения переменных известны, то для вычисления числового значения выражения (скалярного, векторного или матричного) надо подставить все числовые значения и произвести все заданные действия. В программе автоматизации научной работы для этого применяют оператор вычисления (вводится символом «=»). В ходе вычисления автоматически используются значения переменных и определения функций, заданные в документе ранее. Удобно задать значения известных параметров, провести вычисления с использованием аналитических формул, результат присвоить некоторой переменной, а затем использовать оператор вычисления для вывода значения этой переменной.
Изменение значения любой переменной, коррекция любой формулы, означает, что все расчеты, зависящие от этой величины, необходимо проделать заново. Такая необходимость возникает при выборе подходящих значений параметров или условий, поиске оптимального варианта, исследовании зависимости результата от начальных условий. Электронный документ, подготовленный в программе автоматизации научной работы, готов к подобной ситуации. При изменении какой-либо формулы программа автоматически производит необходимые вычисления, обновляя изменившиеся значения и графики.
При работе с матрицами приходится применять такие операции, как сложение матриц, умножение, транспонирование. Часто возникает необходимость в обращении матриц и в декомпозиции (разложении в произведение матриц специального вида). Для квадратных матриц представляет интерес поиск собственных значений и собственных векторов. Программа автоматизации научной работы позволяет выполнить все эти операции с помощью стандартных обозначений математических операторов (сложение, умножение) или встроенных функций.
В научной работе встречается широкий спектр задач ограниченной сложности, для решения которых можно использовать универсальные средства. К такого рода задачам относятся, например, следующие задачи:
вычисление результатов математических операций;
операции с векторами и матрицами;
решение уравнений и систем уравнений (неравенств);
статистические расчеты и анализ данных;
построение двумерных и трехмерных графиков;
дифференцирование и интегрирование (аналитическое и численное).
К универсальным программам, пригодным для решения таких задач, относятся интегрированные пакеты MathCad, Maple, Mathematica и др., которые представляют собой автоматизированные системы, позволяющие обрабатывать данные в числовом и аналитическом (формульном) виде.
Интегрированный пакет MathCad
Пакет MathCad сочетает в себе возможности проведения расчетов и подготовки форматированных научных и технических документов. Документ программы MathCad называется рабочим листом. Он содержит объекты: формулы и текстовые блоки. В ходе расчетов формулы обрабатываются последовательно, слева направо и сверху вниз, а текстовые блоки игнорируются.
Формулы – основные объекты рабочего листа. Новый объект по умолчанию является формулой. Для управления порядком операций используют скобки, которые можно вводить вручную. Уголковый курсор позволяет автоматизировать такие действия. Чтобы выделить элементы формулы, которые в рамках операции должны рассматриваться как единое целое, используют клавишу ПРОБЕЛ. При каждом ее нажатии уголковый курсор «расширяется», охватывая элементы формулы, примыкающие к данному. После ввода знака операции элементы, в пределах уголкового курсора, автоматически заключаются в скобки. Введенное выражение обычно вычисляют или присваивают переменной. Для вывода результата выражения используют знак вычисления, который выглядит как знак равенства и вводится при помощи кнопки Evaluate Expression (Вычислить выражение) на панели инструментов Evaluation (Вычисление).
Знак присваивания изображается как «:=», а вводится при помощи кнопки Assign Vaiue (Присвоить значение) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Слева от знака присваивания указывают имя переменной. Переменную, которой присвоено значение, можно использовать далее в документе в вычисляемых выражениях. Чтобы узнать значение переменной, следует использовать оператор вычисления.
Векторы и матрицы рассматриваются в программе MathCad как одномерные и двумерные массивы данных. Число строк и столбцов матрицы задается в диалоговом окне Insert Matrix (Вставка матрицы), которое открывают командой Insert > Matrix (Вставка > Матрица). Вектор задается как матрица, имеющая один столбец.
После щелчка на кнопке ОК в формулу вставляется матрица, содержащая вместо элементов заполнители. Вместо каждого заполнителя надо вставить число, переменную или выражение.
Для матриц определены следующие операции: сложение, умножение на число, перемножение и прочие. Допустимо использование матриц вместо скалярных выражений; в этом случае предполагается, что указанные действия должны быть применены к каждому элементу матрицы, и результат также представляется в виде матрицы. Например, выражение М + 3, где М – матрица, означает, что к каждому элементу матрицы прибавляется число 3. Если требуется явно указать необходимость поэлементного применения операции к матрице, используют знак векторизации, для ввода которого служит кнопка Vectorize (Векторизация) на панели инструментов Matrix (Матрица).
Для работы с элементами матрицы используют индексы элементов. Нумерация строк и столбцов матрицы начинается с нуля. Индекс элемента задается числом, переменной или выражением и отображается как нижний индекс. Он вводится после щелчка на кнопке Subscript (Индекс) на панели инструментов Matrix (Матрица).
Произвольные зависимости между входными и выходными параметрами задаются при помощи функций. Функции принимают набор параметров и возвращают значение, скалярное или векторное (матричное). В формулах можно использовать стандартные встроенные функции, а также функции, определенные пользователем. Пользовательские функции должны быть сначала определены. Определение задается при помощи оператора присваивания. В левой части указывается имя пользовательской функции и, в скобках, формальные параметры – переменные, от которых она зависит. Справа от знака присваивания эти переменные должны использоваться в выражении.
Для численного поиска корней уравнения в программе MathCad используется функция root. Она служит для решения уравнений вида f(x) = 0, где f(х) – выражение, корни которого нужно найти, а х – неизвестное. Для поиска корней с помощью функции root, надо присвоить искомой переменной начальное значение, а затем вычислить корень при помощи вызова функции: root(f(x),х). Здесь f(x) – функция переменной х, используемой в качестве второго параметра. Функция root возвращает значение независимой переменной, обращающее функцию f(x) в 0. Например:
Если уравнение имеет несколько корней (как в данном примере), то результат, выдаваемый функцией root, зависит от выбранного начального приближения.
Если надо решить систему уравнений (неравенств), используют так называемый блок решения, который начинается с ключевого слова given (дано) и заканчивается вызовом функции find (найти). Между ними располагают «логические утверждения», задающие ограничения на значения искомых величин, иными словами, уравнения и неравенства. Всем переменным, используемым для обозначения неизвестных величин, должны быть заранее присвоены начальные значения.
Самым мощным инструментом аналитических вычислений является оператор аналитического вычисления, который вводится с помощью кнопки Symbolic Evaluation (Вычислить аналитически) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Его можно, например, использовать для аналитического решения системы уравнений и неравенств. Любое аналитическое вычисление можно применить с помощью ключевого слова. Для этого используют кнопку Symbolic Keyword Evaluation (Вычисление с ключевым словом) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Ключевые слова вводятся через панель инструментов Symbolics (Аналитические вычисления). Они полностью охватывают возможности, заключенные в меню Symbolics (Аналитические вычисления), позволяя также задавать дополнительные параметры.
Таким образом, программа MathCad представляет собой автоматизированную систему, позволяющую обрабатывать данные в числовом и аналитическом (формульном) виде и сочетает в себе возможности проведения расчетов и подготовки форматированных научных и технических документов.
Рассмотрим приёмы работы с системой Math Cad. Ввод текста осуществляется в месте расположения курсора. Программа MathCad использует три вида курсоров. Если ни один объект не выбран, используется крестообразный курсор, определяющий место создания следующего объекта. При вводе формул используется уголковый курсор, указывающий текущий элемент выражения. При вводе данных в текстовый блок применяется текстовый курсор в виде вертикальной черты.
Текст, помещенный в рабочий лист, содержит комментарии и описания и предназначен для ознакомления, а не для использования в расчетах. Программа MathCad определяет назначение текущего блока автоматически при первом нажатии клавиши ПРОБЕЛ. Если введенный текст не может быть интерпретирован как формула, блок преобразуется в текстовый и последующие данные рассматриваются как текст. Создать текстовый блок без использования автоматических средств позволяет команда Insert > Text Region (Вставка > Текстовый блок).
Ввод формул.Чтобы начать ввод формулы, надо установить крестообразный курсор в нужное место и начать ввод букв, цифр, знаков операций. При этом создается область формулы, в которой появляется уголковый курсор, охватывающий текущий элемент формулы, например имя переменной (функции) или число. При вводе бинарного оператора по другую сторону знака операции автоматически появляется заполнитель в виде черного прямоугольника. В это место вводят очередной операнд.
Элементы формул можно вводить с клавиатуры или с помощью специальных панелей управления. Панели управления открывают с помощью меню View (Вид) или кнопками панели управления Math (Математика). Чтобы использовать функцию в выражении, надо определить значения входных параметров в скобках после имени функции. Имена простейших математических функций можно ввести с панели инструментов
Arithmetic (Счет). Информацию о других функциях можно почерпнуть в справочной системе. Вставить в выражение стандартную функцию можно при помощи команды Insert >Function (Вставка > Функция). В диалоговом окне Insert Function (Вставка функции) слева выбирается категория, к которой относится функция, а справа – конкретная функция. В нижней части окна выдается информация о выбранной функции. При вводе функции через это диалоговое окно автоматически добавляются скобки и заполнители для значений параметров.
При использовании пользовательской функцией в последующих формулах ее имя вводят вручную. В диалоговом окне Insert Function (Вставка функции) оно не отображается.
Форматирование формул и текста. Для форматирования формул и текста в программе MathCad используется панель инструментов Formatting (Форматирование). С ее помощью можно индивидуально отформатировать любую формулу или текстовый блок, задав гарнитуру и размер шрифта, а также полужирное, курсивное или подчеркнутое начертание символов. В текстовых блоках можно также задавать тип выравнивания и применять маркированные и нумерованные списки.
В качестве средств автоматизации используются стили оформления. Выбрать стиль оформления текстового блока или элемента формулы можно из списка Style (Стиль) на панели инструментов Formatting (Форматирование). Для формул и текстовых блоков применяются разные наборы стилей.
Чтобы изменить стиль оформления формулы или создать новый стиль, используется команда Format > Equation (Формат > Выражение). Изменение стандартных стилей Variables (Переменные) и Constants (Константы) влияет на отображение формул по всему документу. Стиль оформления имени переменной учитывается при ее определении.
При оформлении текстовых блоков можно использовать более обширный набор стилей. Настройка стилей текстовых блоков производится при помощи команды Format > Styie (Формат > Стиль).
Построение графиков. Чтобы построить двумерный график в координатных осях Х-Y, надо дать команду Insert > Graph > X-Y Plot (Вставка > График > Декартовы координаты). В области размещения графика находятся заполнители для указания отображаемых выражений и диапазона изменения величин. Заполнитель у середины оси координат предназначен для переменной или выражения, отображаемого по этой оси. Обычно используют диапазон или вектор значений. Граничные значения по осям выбираются автоматически в соответствии с диапазоном изменения величины, но их можно задать и вручную.
В одной графической области можно построить несколько графиков. Для этого надо у соответствующей оси перечислить несколько выражений через запятую.
Разные кривые изображаются разным цветом, а для форматирования графика надо дважды щелкнуть на области графика. Для управления отображением построенных линий служит вкладка Traces (Линии) в открывшемся диалоговом окне. Текущий формат каждой линии приведен в списке, а под списком расположены элементы управления, позволяющие изменять формат. Поле Legend Label (Описание) задает описание линии, которое отображается только при сбросе флажка Hide Legend (Скрыть описание). Список Symbol (Символ) позволяет выбрать маркеры для отдель-ных точек, список Line (Тип линии) задает тип линии, список Color (Цвет) – цвет. Список Type (Тип) определяет способ связи отдельных точек, а список Width (Толщина) – толщину линии.
Точно так же можно построить и отформатировать график в полярных координатах. Для его построения надо дать команду Insert > Graph > Polar Plot (Вставка > График > Полярные координаты).
Для построения простейшего трехмерного графика, необходимо задать матрицу значений. Отобразить эту матрицу можно в виде поверхности – Insert > Graph > Surface Plot (Вставка > График > Поверхность), столбчатой диаграммы – Insert > Graph t-3D Bar Plot (Вставка > График > Столбчатая диаграмма) или линий уровня – Insert > Graph > Contour Plot (Вставка > График > Линии уровня).
Для отображения векторного поля при помощи команды Insert > Graph > Vector Field Plot (Вставка > График > Поле векторов) значения матрицы должны быть комплексными. В этом случае в каждой точке графика отображается вектор с координатами, равными действительной и мнимой частям элемента матрицы. Во всех этих случаях после создания области графика необходимо указать вместо заполнителя имя матрицы, содержащей необходимые значения.
Сделаем некоторые выводы. Чтобы начать ввод формулы, надо установить крестообразный курсор в нужное место и начать ввод букв, цифр, знаков операций. При этом создается область формулы, в которой появляется уголковый курсор, охватывающий текущий элемент формулы, например имя переменной (функции) или число.
Чтобы использовать функцию в выражении, надо определить значения входных параметров в скобках после имени функции.
Можно индивидуально отформатировать любую формулу или текстовый блок, задав гарнитуру и размер шрифта, а также полужирное, курсивное или подчеркнутое начертание символов. В текстовых блоках можно также задавать тип выравнивания и применять маркированные и нумерованные списки.
Компьютер позволяет использовать его как средство автоматизации научной работы. К универсальным программам, пригодным для решения таких задач, относится программа MathCad, которая представляет собой автоматизированную систему, позволяющую обрабатывать данные в числовом и аналитическом (формульном) виде.
Аналогично пакету программирования MathCAD сейчас все шире начинает использоваться интегрированные пакеты MathLав, SPSS и др. Применительно к ситуациям в МЧС может использоваться метод исскуственных нейронных сетей. Этот аппарат особенно хорошо себя зарекомендовал в решении задач прогнозирования.
Рассмотрим кратко оценку возможностей применения нейросетевых моделей к прогнозированию чрезвычайных ситуаций техногенного характера.
Одним из комплексов мер по предупреждению чрезвычайных ситуаций является прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Прогноз места и времени возникновения чрезвычайных ситуаций, оценка возможного ущерба от их последствий представляют собой сложнейшую проблему вероятностного характера [1]. Одной из ключевых проблем в области прогнозирования чрезвычайных ситуаций является проблема невозможности прогнозирования точного времени возникновения источника чрезвычайных ситуаций [2].
Поэтому для обоснования рациональных мероприятий защиты обычно используется информация об их повторяемости на некотором объекте (пункте) или территории. Для оценки и прогноза повторяемости используются методы [3], основанные на анализе статистики чрезвычайных ситуаций за предшествующие годы и привлечении дополнительной информации.
Применение новых информационных технологий при решении задач прогнозирования и управления логично приводит к использованию так называемых нейронных сетей. Развиваемая в настоящее время новая информационная технология моделирования поведения сложных объектов, опирается на теорию нейронных сетей [4].
Включение ее в систему исследования поведения объектов позволяет устранить субъективность и противоречивость в логике решений поставленной задачи. Внедрение в практику моделирования нейронных сетей, не требует значительных денежных затрат. При нейросетевом имитационном моделировании появляется возможность проведения намного большего количества опытов или экспериментов по сравнению, например, с методами планирования эксперимента [5]. Такая модель позволяет учитывать внешние факторы, а главное, путем их изменения (при проигрывании ситуации) судить о степени влияния тех или иных факторов на протекание процесса, тем самым, разделяя важнейшие и второстепенные факторы.
Изучение применения теории нейронных сетей в проблеме предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций в России проводилось Ю.Л.Воробьевым, Н.А.Махутовым, Г.Г.Малинецким, В.Г.Царегородцевым, Л.Ф.Ноженковой, А.Сергеевым, В.Вильдяевым, М.Козубай и др.[6,7,8,9,10,11,12,13]. Ими заложены теоретические подходы к применению теории нейронных сетей в задачах предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций. В [11] предложено использовать нейропрогноз при статистическом оценивании риска.
Основы автоматизированного проектирования ИС
Современный научно-технический прогресс немыслим без широкого внедрения и использования вычислительной техники в производстве, управлении и научных исследованиях. Сегодня на основе информационных технологий разрабатываются и внедряются различные автоматизированные системы (управления, проектирования, технологической подготовки производства и др.). Успех во внедрении этих систем, их роль в интенсификации развития народного хозяйства нашей страны во многом зависит от методических основ анализа и автоматизированного проектирования этих систем на базе новых достижений в области вычислительной техники.
Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ называют автоматизированным, в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Системы, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования САПР (в англоязычном написании CAD System – Computer Aided Design System).
Автоматизация проектирования – это синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные технологии. Их знание и умение работать со средствами автоматизации проектирования требуются практически любому инженеру-разработчику. САПР создаются в проектных, конструкторских, технологических и других организациях и на предприятиях с целью: повышения качества и технического уровня проектируемой и выпускаемой продукции, повышения эффективности объектов проектирования, уменьшения затрат на их создание и эксплуатацию, сокращения сроков, уменьшения трудоемкости проектирования и повышения качества проектируемой документации. Работа специалиста за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом.
Автоматизация проектирования в десятки раз сокращает сроки подготовки производства за счет автоматизации инженерного труда не только в рутинных работах, но, на современном этапе развития вычислительной техники, и в творческой сфере деятельности. Современное гибкое автоматизированное производство вообще не может быть спроектировано, организовано и запущено в работу без автоматизированного проектирования и управления технологическим процессом. Таким образом, автоматизация проектирования является основой комплексной автоматизации производства и его эффективного функционирования.
Основная функция САПР - осуществление автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей на основе математических и других моделей, автоматизированных проектных процедур и средств вычислительной техники. САПР является мощным средством технического творчества.
Общей методической основой при проектировании с помощью САПР является системный анализ.
Стадии проектирования - это наиболее крупные части проектирования как процесса, развивающегося во времени. В этом случае выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ, технического, рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытны партий. Стадию НИР иногда называют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения.
Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), в виде проектной документации. Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее, окончательное описание объекта.
После того как определяется основной состав проектируемой системы, перед каждой подсистемой ставятся цели и задачи, которые должны ими решаться. Проектирование автоматизированных систем (АС) предполагает выполнение ряда стадий и этапов. В России действует система стандартов, определяющих содержание, состав исполнителей и порядок выполнения работ на разных этапах проектирования, а также порядок их приемки. ГОСТ 34.601-90 [1] распространяется на проектирование АС, предназначенных для обеспечения различных видов деятельности (управление, проектирование, исследование и т.п.), включая их сочетания.
Он предусматривает следующие стадии и этапы проектирования:
1. Формирование требований к АС. Обследование объекта и обоснование необходимости создания АС. Формирование требований пользователя к АС. Оформление отчета о выполненной работе и заявки на разработку АС (тактико-технического задания).
2. Разработка концепции АС. Изучение объекта. Проведение необходимых научно-исследовательских работ. Разработка вариантов концепции АС и выбор варианта концепции АС, удовлетворяющей пользователя. Оформление отчета о выполненной работе.
3. Разработка технического задания. Разработка и утверждение технического задания на создание АС.
4. Эскизное проектирование. Разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям. Разработка документации на АС и ее части.
5. Техническое проектирование. Разработка проектных решений по системе и её частям. Разработка документации на АС и ее части. Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АС и/или технических требований (технических заданий) на их разработку. Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации.
6. Разработка рабочей документации. Разработка рабочей документации на систему и ее части. Разработка или адаптация программ.
7. Ввод в действие. Подготовка объекта автоматизации к вводу АС в действие. Подготовка персонала. Комплектация АС поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными изделиями). Строительно-монтажные работы. Пуско-наладочные работы. Проведение предварительных испытаний. Проведение опытной эксплуатации. Проведение приемочных испытаний.
8.Сопровождение АС Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами. Послегарантийное обслуживание.
Достижение целей автоматизированного проектирования возможно при следующих условиях:
систематизации и совершенствования процессов проектирования на основе применения математических методов, методов искусственного интеллекта и средств вычислительной техники;
комплексной автоматизации проектных работ в проектной организации с необходимой перестройкой ее структуры и кадрового состава;
повышения качества управления проектированием;
применения эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов;
использования методов технического творчества, многовариантного проектирования, оптимизации, принятия решений и методов поискового конструирования;
автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ;
замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;
создания единых банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования.
В САПР выделяют подсистемы проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы выполняют проектные процедуры и операции. Обслуживающие подсистемы предназначены для поддержания работоспособности объектно-ориентированных подсистемах выполняются процедуры и операции, непосредственно связанные с конкретным типом объектов проектирования; в объектно-независимых – унифицированные процедуры и операции.
Технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которых – унификации и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла, называют CALS - технологиями (Continuous Acquisition and Lifecycle Support).
Основу современных CALS - технологий составляет построение открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности. Применение CALS - технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю таких технологий. Также существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций.
Неотъемлемым свойством CALS - систем является информационная интеграция. По этой причине в основу такой технологии положен ряд стандартов, обеспечивающих такую интеграцию. Кроме того, существенно упрощены процессы распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках.