- •Министерство образования и науки, молодёжи и спорта украины
- •Содержание
- •Тема.1. Основные понятия и методология проектирования сложных обьектов и систем Лекция 1. Основные понятия и методология
- •1.1. Основные определения
- •1.2. Сущность процесса проектирования
- •1.3. Методология системного подхода к проблеме проектирования сложных систем
- •1.4. Системный подход к задаче автоматизированного проектирования технологического процесса
- •1.5. Системный анализ сложных процессов
- •1.6. Этапы проектирования сложных систем
- •Техническое задание
- •Этап нир
- •Этап окр
- •Этап разработки технического проекта объекта
- •Рабочее проектирование
- •Проектирование технологии изготовления спроектированного объекта
- •1.6. Контрольные вопросы и упражнения
- •Тема.2. Системный ( структурный ) уровень компьютерного проектирования сложных обьектов Лекция 2. Определение визуального моделирования
- •2.1. О пользе чертежей
- •2.2. По и другие инженерные объекты
- •2.3. Чертить по.
- •2.4. Метафора визуализации
- •2.5. Графовая метафора
- •2.6. Определение визуального моделирования
- •2.7. Средства визуального моделирования
- •2.8. О программных инструментах
- •2.9. Визуальное моделирование на фоне эволюции средств программирования
- •2.10. Семантический разрыв визуальных моделей и программного кода
- •2.11. Где выход?
- •2.12. Предметная область, модель, метамодель, метаметамодель.
- •2.13. Множество моделей по
- •2.14. Граф модели и диаграммы
- •2.15. Об операциях над графом модели и диаграммами
- •2.16. Контрольные вопросы
- •Лекция 3. Что такое The uml
- •3.1. Назначение языка
- •3.2. Историческая справка
- •3.3. Способы использования языка
- •3.4. Структура определения языка
- •3.5. Терминология и нотация
- •3.6. Контрольные вопросы
- •Лекция 4. Виды диаграмм uml
- •4.1. Почему нужно несколько видов диаграмм
- •4.2. Виды диаграмм
- •4.3. Диаграмма прецедентов (use case diagram)
- •4.4. Диаграмма классов (class diagram)
- •4.5. Диаграмма объектов (object diagram)
- •4.6. Диаграмма последовательностей (sequence diagram)
- •4.7. Диаграмма взаимодействия (кооперации, collaboration diagram)
- •4.8. Диаграмма состояний (statechart diagram)
- •4.9. Диаграмма активности (деятельности, activity diagram)
- •4.10. Диаграмма развертывания (deployment diagram)
- •4.11. Ооп и последовательность построения диаграмм
- •4.12. Контрольные вопросы
- •Лекция 5. Диаграмма классов: крупным планом
- •5.1. Как класс изображается на диаграмме uml?
- •5.2. А что внутри?
- •5.3. Как использовать объекты класса?
- •5.4. Всегда ли нужно создавать новые классы?
- •5.5. Отношения между классами
- •5.6. Контрольные вопросы
- •Лекция 6. Диаграмма активностей: крупным планом
- •6.1. А ведь это вовсе не блок-схема!
- •6.2. Примеры использования таких диаграмм
- •6.3. Советы по построению диаграмм активностей
- •6.4. Контрольные вопросы
- •Лекция 7. Диаграммы взаимодействия: крупным планом
- •7.1. Диаграммы последовательностей и их нотация
- •7.2. Диаграммы кооперации и их нотация
- •7.3. Рекомендации по построению диаграмм взаимодействия
- •7.4. Контрольные вопросы
- •Лекция 8: Диаграммы прецедентов: крупным планом
- •8.1. Несколько слов о требованиях
- •8.2. Диаграммы прецедентов и их нотация
- •8.3. Моделирование при помощи диаграмм прецедентов
- •8.4. Контрольные вопросы
- •Лекция 9: Элементы графической нотации диаграммы развертывания. Паттерны проектирования и их представление в нотации uml
- •9.1. Диаграмма развертывания, особенности ее построения
- •9.1.1. Узел
- •9.1.2. Соединения и зависимости на диаграмме развертывания
- •9.1.3. Рекомендации по построению диаграммы развертывания
- •9.2. Паттерны объектно-ориентированного анализа и проектирования, их классификация
- •9.2.1. Паттерны проектирования в нотации языка uml
- •9.2.2. Паттерн Фасад и его обозначение в нотации языка uml
- •9.2.3. Паттерн Наблюдатель и его обозначение в нотации языка uml
- •Лекция 10: Визуальное моделирование систем реального времени
- •10.1. Системы реального времени
- •10.2. Структурное подобие срв и аппаратуры
- •10.3. Многоуровневые открытые сетевые протоколы и блочная декомпозиция
- •10.4. Композитные компоненты
- •10.5. Интерфейс
- •10.6. Порт
- •10.7. Соединитель
- •10.8. Реактивные системы
- •10.9. Обзор примера
- •10.10. Контрольные вопросы
- •Лекция 11. Визуальное моделирование бизнес-процессов
- •11.1. Новая концепция бизнеса - ориентация на бизнес-процессы
- •11.2. Erp-системы
- •11.3. Моделирование бизнес-процессов
- •11.4. Пример бизнес-процесса
- •11.5. Декомпозиция бизнес-процессов
- •11.6. Исполняемая семантика бизнес-процессов
- •11.7. Бизнес-процессы и web-сервисы
- •11.8. Обзор bpmn
- •11.8.1. Действия (activities)
- •11.8.2. Связи (connecting objects)
- •11.8.3. Участники (swimlanes) бизнес-процесса
- •11.8.4. Порты (gateways)
- •11.9. Контрольные вопросы
- •12. Лекция: Этапы проектирования ис с применением uml
- •12.1. Разработка модели бизнес-прецедентов
- •12.2. Разработка модели бизнес-объектов
- •12.3. Разработка концептуальной модели данных
- •12.4. Разработка требований к системе
- •12.5. Анализ требований и предварительное проектирование системы.
- •12.6. Разработка моделей базы данных и приложений
- •12.7. Проектирование физической реализации системы
- •Тема.3. Математические модели обьектов проектирования Лекция 14. Математические модели объектов проектирования
- •14.1. Общие сведения о математических моделях
- •14.1.1. Компоненты математического обеспечения
- •14.1.2. Требования к математическим моделям и численным методам в сапр
- •14.1.3. Место процедур формирования моделей в маршрутах проектирования
- •14.2. Классификация математических моделей
- •14.3. Методика получения математических моделей элементов
- •14.3.1. Преобразование математических моделей в процессе получения рабочих программ анализа
- •14.3.2. Формализация получения математических моделей систем
- •Тема.4. Математическое обеспечение компьютерного проектирования Лекция 15. Математическое обеспечение компьютерного проектирования
- •15.1. Методы и алгоритмы анализа на макроуровне
- •15.2. Алгоритм численного интегрирования соду
- •15.3. Методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений
- •15.4. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений
- •15.5. Организация вычислительного процесса в универсальных программах анализа на макроуровне
- •15.6. Математическое обеспечение анализа на микроуровне
- •15.7. Методы анализа на микроуровне
- •15.8. Структура программ анализа по мкэ на микроуровне
- •15.9. Математическое обеспечение анализа на функционально–логическом уровне
- •15.10. Математические модели дискретных устройств
- •15.11. Методы логического моделирования
- •15.12. Математическое обеспечение анализа на системном логическом уровне
- •15.13. Аналитические модели смо
- •15.14. Имитационное моделирование смо
- •15.15. Событийный метод моделирования
- •15.16. Сети Петри
- •Тема.5. Интегрированные системы автоматического проектирования
- •16.2. Этапы развития информационных систем и технологий на машиностроительных предприятиях
- •16.3. Современные ит и их значение для предприятия
- •16.4. Жизненный цикл изделия
- •16.5. Обеспечение информационных систем на предприятии
- •16.6. Иерархия автоматизированных систем на предприятии
- •16.7. Общепроизводственные системы
- •Тема.6. Системы и технологии управления проектированием и
- •17.1.2. Программные продукты компании sap
- •17.1.2.1. Базисная технология системы r/3 фирмы sap
- •17.1.2.2. Sap erp
- •17.1.2.2. Sap plm
- •17.2. Информационная безопасность в cals-системах
- •17.2.1. Основные понятия и определения
- •17.2.2. Технологии построения защищенной сети виртуального предприятия
- •Лекция 18. Case – технологии Тема.7. Case-технологии компьютерного проектирования
- •Ibm Rational Rose
- •Visio поддерживает множество локальных языков
- •Тема.8. Case-средства анализа и синтеза проектных решений ис
- •Основы методологии проектирования ис
- •Структурный подход к проектированию ис
- •Состав функциональной модели
- •Иерархия диаграмм
- •Внешние сущности
- •Системы и подсистемы
- •Накопители данных
- •Потоки данных
- •Пример использования структурного подхода
- •Тема.9. Анализ, верификация и оптимизация проектных решений средствами сапр
- •Список литературы
15.16. Сети Петри
Сети Петри – аппарат для моделирования динамических дискретных систем (преимущественно асинхронных параллельных процессов).
Сеть Петри определяется как четверка <P,T,I,O>, где Р и Т – конечные
множества позиций и переходов, I и О – множества входных и выходных функций. Другими словами, сеть Петри представляет собой двудольный ориентированный граф, в котором позициям соответствуют вершины, изображаемые кружками, а переходам – вершины, изображаемые утолщенными черточками; функциям I соответствуют дуги, направленные от позиций к переходам, а функциям О – от переходов к позициям.
Как и в системах массового обслуживания, в сетях Петри вводятся объекты двух типов: динамические – изображаются метками (маркерами) внутри позиций и статические – им соответствуют вершины сети Петри.
Распределение маркеров по позициям называют маркировкой. Маркеры могут перемещаться в сети. Каждому условию в сети Петри соответствует определенная позиция. Совершению события соответствует срабатывание (возбуждение или запуск) перехода, при котором маркеры из входных позиций этого перехода перемещаются в выходные позиции. Последовательность событий образует моделируемый процесс.
Рис.15.8. Сеть Петри
Правила срабатывания переходов (рис. 15.8), конкретизируют следующим образом: переход срабатывает, если для каждой из его входных позиций выполняется условие Nii Ki, где Ni – число маркеров в i–й входной позиции, Ki – число дуг, идущих от i–й позиции к переходу; при срабатывании перехода число маркеров в i–й входной позиции уменьшается на Ki, а в j–й выходной позиции увеличивается на Mj, где Mj – число дуг, связывающих переход с j–й позицией.
На рисунке 15.8 показан пример распределения маркеров по позициям перед срабатыванием, эту маркировку записывают в виде (2,2,3,1).
После срабатывания перехода маркировка становится иной: (1,0,1,4).
Можно вводить ряд дополнительных правил и условий в алгоритмы моделирования, получая ту или иную разновидность сетей Петри.
Так, прежде всего полезно ввести модельное время, чтобы моделировать не только последовательность событий, но и их привязку ко времени. Это осуществляется приданием переходам веса – продолжительности (задержки) срабатывания, которую можно определять, используя задаваемый при этом алгоритм. Полученную модель называют временной сетью Петри.
Если задержки являются случайными величинами, то сеть называют стохастической. В стохастических сетях возможно введение вероятностей срабатывания возбужденных переходов. Так, на рис. 15.9 представлен фрагмент сети Петри, иллюстрирующий конфликтную ситуацию – маркер в позиции p может запустить либо переход t1, либо переход t2. В стохастической сети предусматривается вероятностный выбор срабатывающего перехода в таких ситуациях.
Если задержки определяются как функции некоторых аргументов, которыми могут быть количества маркеров в каких–либо позициях, состояния некоторых переходов и т.п., то сеть называют функциональной.
Во многих задачах динамические объекты могут быть нескольких типов, и для каждого типа нужно вводить свои алгоритмы поведения в сети. В этом случае каждый маркер должен иметь хотя бы один параметр, обозначающий тип маркера. Такой параметр обычно называют цветом; цвет можно использовать как аргумент в функциональных сетях. Сеть Петри при этом называют цветной.
Рис.15.9. Конфликтная ситуация
Среди других разновидностей сетей Петри следует упомянуть ингибиторные сети, характеризующиеся тем, что в них возможны запрещающие (ингибиторные) дуги. Наличие маркера во входной позиции, связанной с переходом ингибиторной дугой, означает запрещение срабатывания перехода.
Поясним на следующих примерах.
1. Требуется описать с помощью сети Петри работу группы пользователей на единственной рабочей станции WS при заданных характеристиках потока запросов на пользование WS и характеристиках поступающих задач. Сеть Петри представлена на рис. 15.10.
Рис.15.10. Сеть Петри для примера 1
Здесь переходы связаны со следующими событиями: t1 – поступление запроса на использование WS, t2 – занятие станции, t3 – освобождение станции, t4 – выход обслуженной заявки; позиция р4 используется для отображения состояния WS: если в р4 имеется метка, то WS свободна и пришедшая заявка вызывает срабатывание перехода t2; пока эта заявка не будет обслужена, метки в р4 не будет, следовательно, пришедшие в позицию «1» запросы вынуждены ожидать срабатывания перехода t3.
2. Требуется описать с помощью сети Петри процессы возникновения и устранения неисправностей в некоторой технической системе, состоящей из L однотипных блоков; в запасе имеется один исправный блок; известны статистические данные об интенсивностях возникновения отказов и длительностях таких операций, как поиск неисправностей, замена и ремонт отказавшего блока. На рис.15.11 представлена соответствующая сеть Петри. Отметим, что при числе меток в позиции, равном M, можно в ней не ставить M точек, а записать в позиции значение M.
Рис.15.11. Сеть Петри для примера 2
В нашем примере значение M в позиции «2» соответствует числу имеющихся в системе блоков. Переходы отображают следующие события: t1 – отказ блока, t2 – поиск неисправного блока, t3 – его замена, t4 –окончание ремонта.
Очевидно, что при непустой позиции р2 переход t1 срабатывает, но с задержкой, равной вычисленному случайному значению моделируемого отрезка времени между отказами. После выхода маркера из t1 он попадает через р1 в t2, если имеется метка в позиции р6, это означает, что обслуживающая систему бригада специалистов свободна и может приступить к поиску возникшей неисправности. В переходе t2 метка задерживается на время, равное случайному значению длительности поиска неисправности. Далее маркер оказывается в р3 и, если имеется запасной блок (маркер в р4), то запускается переход t3, из которого маркеры выйдут в р2, р5 и в р6 через отрезок времени, требуемый для замены блока. После этого в t4 имитируется восстановление неисправного блока.
Рассматриваемая модель описывает функционирование системы в условиях, когда отказы могут возникать и в рабочем, и в неисправном состояниях системы. Поэтому не исключены ситуации, при которых более чем один маркер окажется в позиции р1.
Анализ сложных систем на базе сетей Петри можно выполнять посредством имитационного моделирования СМО, представленных моделями сетей Петри. При этом задают входные потоки заявок и определяют соответствующую реакцию системы. Выходные параметры СМО рассчитывают путем обработки накопленного при моделировании статистического материала.
Возможен и другой подход к использованию сетей Петри для анализа объектов, исследуемых на системном уровне. Он не связан с имитацией процессов и основан на исследовании таких свойств сетей Петри, как ограниченность, безопасность, сохраняемость, достижимость, живость.
Ограниченность имеет место, если число меток в любой позиции сети не может превысить значения К. При проектировании автоматизированных систем определение К позволяет обоснованно выбирать емкости накопителей. Возможность неограниченного роста числа меток свидетельствует об опасности неограниченного роста длин очередей.
Безопасность – частный случай ограниченности, а именно это
1–ограниченность. Если для некоторой позиции установлено, что она
безопасна, то ее можно представлять одним триггером.
Сохраняемость характеризуется постоянством загрузки ресурсов,
т.е.
ΣAiNi = const,
где Ni – число маркеров в i–й позиции, Ai – весовой коэффициент.
Достижимость Mk→Mj характеризуется возможностью достижения маркировки Mj из состояния сети, характеризуемого маркировкой
Mk.
Живость сети Петри определяется возможностью срабатывания любого перехода при функционировании моделируемого объекта. Отсутствие живости означает либо избыточность аппаратуры в проектируемой системе, либо свидетельствует о возможности возникновения зацикливаний, тупиков, блокировок.
В основе исследования перечисленных свойств сетей Петри лежит анализ достижимости.
Один из методов анализа достижимости любой маркировки из состояния Мо – построение графа достижимости. Начальная вершина графа отображает Мо, а остальные вершины соответствуют маркировкам. Дуга из Мi в Мj означает событие Mi→Mj и соответствует срабатыванию перехода t. В сложных сетях граф может содержать чрезмерно большое число вершин и дуг. Однако при построении графа можно не отображать все вершины, так как многие из них являются дублями (действительно, от маркировки Mk всегда порождается один и тот же подграф вне зависимости от того из какого состояния система пришла в Мk). Тупики обнаруживаются по отсутствию разрешенных переходов из какой–либо вершины, т.е. по наличию листьев – терминальных вершин. Неограниченный рост числа маркеров в какой–либо позиции свидетельствует о нарушениях ограниченности.
Рис.15.12. Сеть Петри и граф ее достижимости для примера 1
Рис.15.13. Сеть Петри и граф ее достижимости для примера 2