- •1 Методологические основы моделирования сложных систем
- •1.1 Системность
- •Понятия общей теории систем
- •Определение понятия системы
- •Основные свойства, обязательные для любой системы.
- •Взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды.
- •Определение понятий элементов, связей, функций, внешней среды системы. Элемент
- •Внешняя среда
- •Функции системы
- •Сложность систем
- •Системный подход
- •Классификация систем
- •Развитие искусственной системы и ее жизненный цикл
- •1.2 Моделирование
- •Общая методология моделирования
- •Основные принципы моделирования:
- •Процесс моделирования
- •Анализ и синтез в моделировании
- •Примеры сложных систем Космическая система наблюдения Земли как сложная техническая система Задачи космической системы наблюдения Земли
- •Состав и структура космической системы наблюдения Земли
- •2 Построение математических моделей
- •2.1 Математическая модель, математическое моделирование – основные понятия, термины и определения
- •Цели математического моделирования
- •2.2 Общие методы построения математической модели
- •Микроподход и макроподход в исследованиях системы.
- •Формальная запись модели системы
- •Понятие вариационных принципов
- •Модульное построение моделей
- •2.3 Требования к построению модели
- •Адекватность и достоверность модели
- •Равнозначимость внешнего и внутреннего правдоподобия
- •Анализ чувствительности модели
- •Пример анализа на чувствительность экономической задачи
- •3 Математические модели состояния и структуры системы
- •3.1 Модель состояния системы Состояние системы и ее функционирование
- •Формализация процесса функционирования системы
- •3.2 Модель структуры системы Основные понятия структуры системы
- •Модель состава и структуры системы
- •Методология моделирования структуры системы
- •Виды структур
- •Формирование структуры модели с позиций структурного моделирования.
- •Построение структурных моделей
- •3.3 Модель процесса функционирования
- •Установление функциональных зависимостей
- •Неопределенность функционирования системы
- •Пути уменьшения неопределенностей
- •Основные требования к модели процесса функционирования
- •Анализ функционирования, анализ структуры технической системы
- •Функционально – физический анализ технических объектов.
- •Пример разработки моделей деятельности организации
- •Пример функционально – физического анализа технических объектов
- •Конструкция бытовой электроплитки
- •Функционально стоимостной анализ.
- •4 Этапы построения моделей
- •4.1 Постановка задачи моделирования
- •Разработка содержательной модели
- •Разработка концептуальной модели
- •Описание внешних воздействий
- •Декомпозиция системы
- •Подготовка исходных данных для математической модели
- •Содержание концептуальной модели
- •4.2 Разработка математической модели
- •Разработка функциональных соотношений
- •Выбор метода решения задачи
- •Проверка и корректировка модели
- •Анализ чувствительности модели
- •Проверка адекватности модели
- •Контроль модели
- •Корректировка модели
- •Уточнение модели проектируемого объекта
- •Реализация математической модели в виде программ для эвм
- •4.3 Практическое использование построенной модели и анализ результатов моделирования
- •Примеры построения моделей Математическая реставрация Тунгусского феномена
- •1. Сбор информации о явлении, выдвижение гипотез.
- •2. Содержательная постановка задачи исследования явления.
- •3. Математическая постановка задачи.
- •4. Анализ результатов.
- •5. Проверка адекватности модели – сравнение с натурным экспериментом.
- •6. Анализ результатов.
- •Прогноз климатических изменений
- •1. Содержательная постановка задачи
- •2. Концептуальная постановка. Построение математической модели.
- •3. Проведение вычислительного эксперимента.
- •4. Анализ результатов вычислительного эксперимента.
- •5 Виды математических моделей
- •5.1 Классификация математических моделей
- •Пример представления модели различной сложности и классификации.
- •5.2 Классификация математических моделей в зависимости от оператора модели
- •Линейные и нелинейные модели
- •Обыкновенные дифференциальные модели
- •5.3 Классификация математических моделей в зависимости от параметров модели Непрерывные и дискретные модели
- •Детерминированные и неопределенные модели
- •Дискретно-детерминированная модель
- •Статические и динамические модели
- •Стационарные и нестационарные модели.
- •Формализация системы в виде автомата
- •Формализация системы в виде агрегата
- •Моделирование процесса функционирования агрегата
- •Моделирование агрегативных систем
- •Модель сопряжения элементов
- •6 Математические модели распределения ресурсов в исследовании операций
- •6.1 Моделирование операций распределения ресурсов
- •Формулировка задачи математического программирования
- •6.2 Модели линейного программирования
- •Формулировка общей задачи линейного программирования.
- •Типовые задачи линейного программирования
- •Транспортная задача.
- •Задача коммивояжера.
- •Задача о ранце.
- •Общая задача теории расписаний.
- •Примеры сведения практических задач к канонической транспортной задаче
- •6.3 Распределительные задачи линейного программирования
- •Примеры распределительных задач.
- •Распределение транспортных единиц по линиям
- •Выбор средств доставки грузов.
- •Задача о назначениях
- •Экономическая интерпретация задач линейного программирования.
- •Перевозки взаимозаменяемых продуктов
- •Перевозка неоднородного продукта на разнородном транспорте.
- •7 Математические модели физических явлений и процессов. Универсальность моделей
- •7.1 Математические модели на основе фундаментальных законов
- •Теоретический метод составления математических моделей
- •Основные фундаментальные законы механики
- •Работа, энергия, мощность
- •7.2 Уравнения движения
- •Динамика поступательного движения.
- •7.3 Уравнения состояния
- •Термодинамическая система.
- •Упругие свойства твердых тел.
- •Жидкости.
- •7.4 Универсальность моделей
- •Модели на основе аналогий
- •Типовые математические модели элементов и подсистем
- •Модель колебательного процесса
- •Модель консервативной системы.
- •Электрическая подсистема.
- •Модели элементов гидравлических систем
- •Модели элементов пневматических систем
- •8 Моделирование производственных процессов
- •8.1 Модели систем массового обслуживания
- •Основные элементы систем массового обслуживания.
- •Характеристики потока
- •Классификация смо
- •Оценка эффективности смо
- •Аналитические и статистические модели
- •8.2 Модели производственных процессов
- •Дискретный производственный процесс
- •Непрерывный производственный процесс
- •Агрегатное представление производственного процесса
- •Имитационное моделирование процессов функционирования
- •Формализация основных операций производственного процесса Формализованная схема дискретного производственного процесса.
- •Формализация отклонения течения производственного процесса от нормального
- •Моделирование комплексного процесса обработки, сборки и управления при поточном производстве
- •Формализованная схема непрерывного производственного процесса.
- •9 Синтез модели (проекта) системы
- •9.1 Проектирование системы как процесс создания (синтеза) ее модели
- •9.2 Методология проектирования
- •Типовые проектные процедуры формирования облика системы
- •9.3 Эффективность системы Понятие эффективности системы
- •Формирование модели цели системы
- •Выбор критериев и показателей эффективности
- •Основные принципы выбора критериев эффективности:
- •Проблемы многокритериальности
- •9.4 Технология проектирования
- •9.5 Принятие решений в проектировании
- •Выбор в условиях неопределенности
- •Моделирование принятия решения
- •Прогнозирование в принятии решений
- •9.6 Анализ инвестиционной привлекательности системы Основные типы инвестиций.
- •Основные экономические концепции инвестиционного анализа.
- •Состав работ при инвестиционном проектировании
- •Конкурентоспособность проектируемой системы Оценка потенциальной емкости рынка и потенциального объема продаж
- •Оценка конкурентоспособности
- •Методы оценки эффективности инвестиций
- •Метод определения чистой текущей стоимости.
- •Метод расчета рентабельности инвестиций
- •Метод расчета внутренней нормы прибыли
- •Расчет периода окупаемости инвестиций
- •Маркетинг и управление проектом
- •Задачи управления проектами
- •9.7 Особенности синтеза модели (проекта) технических систем Этапы проектирования
- •Особенности проектирования адаптивных систем
- •Моделирование функционирования технической системы Особенности построения моделей при проектировании
- •Формирование технического облика системы
- •Формирование структуры системы
- •Выбор основных проектных параметров системы
- •Формирование множества вариантов системы
- •10 Информационное обеспечение синтеза системы
- •10.1 Основные задачи и типы информационных систем Общие свойства информационных систем
- •Файл-серверные информационные системы
- •Клиент-серверные информационные системы
- •Архитектура Интернет/Интранет
- •Хранилища данных и системы оперативной аналитической обработки данных
- •10.2 Особенности проектирования информационных систем
- •Схемы разработки проекта
- •1. Предпроектные исследования
- •2 Постановка задачи
- •3 Проектирование системы
- •Архитектура программного обеспечения
- •Подсистема администрирования.
- •Техническая архитектура
- •Организационное обеспечение системы
- •4 Реализация и внедрение системы
- •10.3 Концепции автоматизации проектирования
- •История развития сапр
- •Классификация сапр
- •Стратегическое развитие сапр Современное состояние сапр
- •Направления разработки проектной составляющей сапр
- •Разновидности сапр
- •Математическое и информационное обеспечение сапр
- •11 Моделирование процесса управления
- •11.1 Основные определения
- •Формальная запись системы с управлением
- •11.2 Модели систем автоматического управления
- •Устойчивость движения систем
- •Определение программного движения и управление движением
- •11.3 Модели автоматизированных систем управления
- •Модели автоматизированных систем управления производственными процессами
- •Модели автоматизированных систем управления предприятием
9.4 Технология проектирования
Проектирование ведется в соответствии с определенным планом – логической схемой проектирования.
Логическая схема проектирования в общем случае представляет собой иерархическую структуру, включающую декомпозицию проектируемой системы на подсистемы и декомпозицию процесса проектирования на уровни. При этом должно быть обеспечено исследование влияния принятых частных решений на проведение сложной системы в целом.
Логическая схема проектирования разрабатывается на основании принятой стратегии проектирования и устанавливает маршрут проектирования объекта – последовательность этапов и (или) проектных процедур
Реализуется логическая схема на основании опробованной последовательности действий – технологии проектирования.
Для каждого конкретного типа системы и решаемой проектной задачи на основе общих (системный подход к проектированию) и специальных методологических принципов разрабатываются логическая схема проектирования и специальная технология проектирования, учитывающие специфику решаемой задачи, традиционно используемые методы и методики проектирования.
Элементами технологии проектирования являются проектные процедуры как составные части этапа проектирования и проектные операции как составные части проектной процедуры.
Проектная процедура предполагает выполнение формализованной совокупности действий (алгоритм проектирования2), в результате которых принимается проектное решение.
Каждой проектной процедуре соответствует некоторая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры.
В обобщенном виде проектная процедура характеризуется входом (исходные данные процедуры), выходной информацией, в том числе показатели эффективности выполнения системой своих задач, множеством моделей объекта проектной процедуры, множеством методов решения проектной задачи.
Выполнение проектной процедуры заканчивается получением проектного решения.
Проектная операция - более мелкая составная часть процесса проектирования, входящая в состав проектной процедуры.
Примеры проектных процедур: расчет параметров какого-либо узла, оформление чертежа узла, выбор конструкции.
Примеры проектных операций: решение системы уравнений, описывающих функционирование какого-либо узла, вычерчивание типового графического изображения элемента узла.
Выполнение проектных операций и процедур в процессе проектирования основано на применении математических моделей, отражающих свойства объекта важные для конкретных целей проектирования на каждом этапе.
Технология проектирования определяется как совокупность составляющих:
- последовательность проектных процедур и операций, реализующих логическую схему проектирования;
- критериев и правил оценки результатов выполнения проектных операций;
- графических и текстовых средств, используемых для описания результатов проектирования.
Основное содержание технологии - технологические инструкции, описывающие последовательность проектных операций и сами операции, условия, в зависимости от которых выполняется та или иная операция.
Для каждой процедуры и операции проектирования определяются исполнители, методические, программные и технические средства, исходные данные и результат выполнения операции выдается в стандартном представлении (документы, результаты предыдущей операции).
Общие требования к технологиям проектирования:
- поддержка жизненного цикла системы;
- обеспечение гарантированного достижения целей разработки системы с заданным качеством и в установленное время;
- обеспечение возможности выполнения крупных проектов в виде подсистем отдельными проектными группами (т.е. возможность декомпозиции проекта на составные части с последующим их объединением) с координацией ведения общего проекта;
- обеспечение возможности управления конфигурацией проекта, ведения версий проекта и его составляющих;
- поддержка процесса проектирования комплексом согласованных средств, обеспечивающих автоматизацию процессов, выполняемых на всех стадиях жизненного цикла.
Реальное применение любой технологии проектирования, разработки и сопровождения системы в конкретной организации и конкретном проекте основано на ряде стандартов (правил, соглашений), которые должны соблюдаться всеми участниками проекта.
Период развития системы разделяется на два основных этапа: проектирование и ввод системы в эксплуатацию (изготовление опытных образцов, экспериментальная отработка, изготовление системы, опытная эксплуатация системы).
Особенности процесса проектирования определяются типом проекта. Проекты могут классифицироваться по масштабу (малый, средний, крупный проект), по сложности (простой, организационно сложный, технически сложный, ресурсно сложный).
Малые проекты допускают упрощения в процедуре проектирования, формировании команды проекта. Крупные проекты отличаются высокой стоимостью, капиталоемкостью, длительностью реализации.
Проектируемая система выступает, с одной стороны, как часть системы более высокого уровня, с другой – как система для объектов более низкого уровня (подсистем). В соответствии с этим процесс проектирования состоит из двух основных этапов: внешнего проектирования и внутреннего проектирования.
Разработка системы осуществляется в соответствии со стандартами ГОСТ, ЕСКД, ЕСПД, ISO.
Для каждого этапа проектирования вырабатываются некоторые типовые приемы моделирования и общие способы работы с моделями – в зависимости от целей и задач этапа.
Построение математических моделей является основой этапа внешнего проектирования – с помощью математической модели, устанавливающей связь критерия эффективности системы с ее основными проектными параметрами, формируется концепция системы и определяются ее основные проектные параметры, обеспечивающие максимальную эффективность системы.
Исследования с помощью модели на этапе внешнего проектирования:
- влияние внешних воздействий на систему;
- основные процессы в системе при ее функционировании, влияние структуры и характеристик системы на процессы и динамику их изменения;
- возможность и необходимость управления процессами в системе, основные управляющие воздействия, их тип, источник, степень влияния на систему.
В результате циклического итеративного повторения этих исследований выявляется структура системы, ее элементы, связи, значимость каждого из них.
На этапе внешнего проектирования в зависимости от степени новизны определяются задачи проектирования сложных систем (модернизация существующей или создание новой системы для решения новых задач), формируются структура и основные параметры (облик) системы и оценивается эффективность ее применения. На этапе внутреннего проектирования принимаются технические решения по основным элементам системы, их конструкции, параметрам, режимам эксплуатации.
На этапе внешнего проектирования, как правило, генерируется много вариантов системы, проводится их сравнительный анализ с точки зрения соответствия функциональному назначению системы, дается предварительная оценка эффективности вариантов, и определяются наиболее предпочтительные из них. Характеристики и параметры системы рассматриваются укрупнено, оценивается эффективность решения поставленной задачи. Важную роль при этом играет правильный прогноз развития науки и техники.
Основные особенности процесса внешнего проектирования:
- проектируемая система рассматривается как элемент системы более высокого уровня;
- отсутствие многих исходных данных, неопределенность условий применения, требований и ограничений;
- проведение исследований в широком диапазоне изменения параметров, условий применения, требований и ограничений;
- необходимость анализа большого количества вариантов;
- активное участие руководителей, что требует большой оперативности в проектных проработках и наглядного представления результатов.
Процесс согласования технического задания между заказчиком и разработчиком носит итеративный асимтотический характер. В процессе согласования разрешается конфликтная ситуация между желаемым (заказчик) и возможным (разработчик). Как правило, согласование достигается не сразу, а в результате компромисса: требования к системе не столько задаются, сколько вырабатываются в процессе взаимного обучения сторон.
Проектные решения, принятые на этапе внешнего проектирования определяют эффективность системы и весь ход ее дальнейшей разработки системы, ошибки этого этапа практически неисправимы на последующих этапах.
Проектирование отдельных компонентов сложной системы при ее частичной модернизации является традиционной задачей, решаемой каждый раз на новом уровне в соответствии с развитием техники. Существенная модернизация или создание новой системы происходит чаще всего на основе типичных, ранее созданных компонентов системы, модернизированных для решения новых задач.
Особенности современных крупных проектов сложных систем:
- сложность описания (большое количество элементов, функций, процессов, данных и сложные взаимосвязи между ними), требующая тщательного моделирования и анализа данных и процессов;
- наличие совокупности тесно взаимодействующих компонентов (подсистем), имеющих свои локальные задачи и цели функционирования;
Пример информационных систем: наличие традиционных приложений, связанных с обработкой транзакций и решением регламентных задач, и приложений аналитической обработки (поддержки принятия решений), использующих нерегламентированные запросы к данным большого объема.
- необходимость интеграции существующих и вновь разрабатываемых компонентов системы;
- разобщенность и разнородностью отдельных групп разработчиков компонентов системы по уровню квалификации и сложившимся традициям использования тех или иных средств проектирования;
- неопределенность внешней среды и условий функционирования;
Пример информационных систем: функционирование в неоднородной среде на нескольких аппаратных платформах.
- существенная временная протяженность процесса проектирования.