Казаринов Л.С., Попова О.В., Барбасова Т.А. Автоматизированные информационно-управляющие системы (часть 2)

Подождите немного. Документ загружается.

сравнению с альтернативой В. Если же при этих уровнях сравнить

альтернативы не удалось, то они объявляются несравнимыми.

С методологической точки зрения введение понятия несравнимости

было важным этапом развития теории принятия решений. Если оценки

альтернатив в значительной степени противоречивы (по одним критериям

одна намного лучше другой, а по другим – наоборот), то такие противоречия

никак не компенсируются и такие альтернативы сравнивать нельзя. Понятие

несравнимости исключительно важно и с практической точки зрения. Оно

позволяет выявить альтернативы с «контрастными» оценками, как

заслуживающие специального изучения.

Похожие идеи используются и в других методах семейства ELECTRE.

Важно подчеркнуть, что уровни коэффициентов согласия и несогласия,

при которых альтернативы сравнимы, представляют собой инструмент

анализа в руках ЛПР и консультанта. Задавая эти уровни, постепенно

понижая требуемый уровень коэффициента согласия и повышая требуемый

уровень коэффициента несогласия, они исследуют имеющееся множество

альтернатив.

При заданных уровнях на множестве альтернатив выделяется ядро

недоминируемых элементов, которые находятся либо в отношении

несравнимости, либо в отношении эквивалентности. При изменении уровней

из данного ядра выделяется меньшее ядро и т.д. Количество итераций

определяется аналитиком. В последнее ядро входят наилучшие

альтернативы, а последовательность ядер соответствует их упорядочению по

предпочтению. В конечном итоге можно получить одну лучшую

альтернативу. При этом значения индексов согласия и несогласия характери-

зуют степень «насилия», над данными, при которых делается окончательный

вывод.

Важным достоинством методов ELECTRE является поэтапность

выявления предпочтений ЛПР в процессе назначения уровней согласия и

несогласия и изучения ядер. Детальный анализ позволяет ЛПР сформировать

свои предпочтения, определить компромиссы между критериями.

Использование отношения несравнимости позволяет выделить пары

альтернатив с противоречивыми оценками, остановиться на ядре, выделение

которого достаточно обоснованно с точки зрения имеющейся информации.

Трудности при применении методов ELECTRE связаны с назначением ЛПР

весов. В ряде случаев при выделении ядер могут возникать циклы.

Каждый из представленных выше подходов — MAUT, АНР, ELECTRE -

реализован в виде компьютерных систем поддержки принятия решений,

которые широко рекламируются и имеются в продаже. Существует

несколько систем, основанных на MAUT: Logical Decisions, DECAID.

Подход АНР реализован в виде систем EXPERT CHOICE, MACBETH,

REMBRANDT. Существует несколько компьютерных систем, реализующих

методы из семейства ELECTRE.

5. Проектирование ИУС

5.1. Основные проблемы, системный подход и последовательность

разработки

Все вычислительные системы по категориям решаемых ими задач и, в

некоторой степени, по характеру взаимодействия с пользователем, можно

разделить на две большие группы: универсальные вычислительные системы

(высокопроизводительные системы, рабочие станции) и информационно-

управляющие системы.

Информационно-управляющие системы (ИУС) – это вычислительные

системы, в которых есть взаимодействие с объектом контроля или

управления и присутствует в виде ограничения временной фактор (время

выступает в качестве одного из ограничений, определяющих организацию

вычислительного процесса).

ИУС рассматриваются как область вычислительной техники (ВТ), в

которой системы можно поделить на две большие категории:

– встроенные (встраиваемые) вычислительные системы (ВсС);

– распределённые информационно-управляющие системы (РИУС).

ВсС представляют собой системы реального времени, которые обычно

основаны на программируемых компонентах (микроконтроллерах (МК),

сигнальных процессорах и т.д.), но кроме них могут содержать и

специализированную (заказную) аппаратуру (ASIC - application specific

integrated circuit). Для ВсС характерна сложность оборудования,

неоднородность систем (наличие цифровых и аналоговых аппаратных

компонент, значительный объём программного обеспечения и т. д.),

противоречивость требований заказчика к системе, сложный набор

реализуемых функций функций, работа в режиме реального времени.

Встроенная система – это система, которая непосредственно

взаимодействует с объектом контроля или управления в рамках решаемой ею

задачи.

В таком определении отсутствуют какие-либо конструктивные

ограничения. Не играет роли распределённое и пространственное разделение

системы, её удалённость от объекта, важно лишь то, что вычислительная

система логически, функционально встроена в объект управления, т.е. ВсС и

ИУС становятся эквивалентными.

На сегодняшний день в мире насчитываются миллиарды всевозможных

ИУС. Диапазон сложности этих систем очень широк: от простейшего

контроллера стиральной машины до сложных распределённых систем

управления движением железнодорожного или воздушного транспорта.

Ежегодно производятся миллиарды единиц ВсС (персональных

компьютеров, кстати, ежегодно выпускаются только лишь миллионы). В

последнее время рост сложности проектируемых ВсС составляет около 58%

в год, а ежегодный рост производительности их проектирования - всего лишь

21%. Эти цифры говорят о наличии спроса на проектировщиков ИУС в

настоящий момент, а также о необходимости совершенствования методов

проектирования.

Два основных подхода к проектированию ИУС:

1. При традиционном подходе заранее зафиксированы аппаратные

средства, и задача почти целиком решается за счёт программной

надстройки. В области ИУС такой подход даёт плохие результаты.

2. Более прогрессивный подход состоит в максимально позднем делении

системы на аппаратную и программную части. Он имеет ряд полезных

свойств: в частности, позволяет рассматривать систему инвариантно к её

реализации и, как следствие, улучшить переносимость проекта.

Стоимость разработки аппаратной части системы сильно зависит от

нижнего (самого глубокого) уровня, на который приходится спускаться при

проектировании. Иначе говоря, трудоёмкость и стоимость проектирования

аппаратуры определяются минимальными "размерами" готового

строительного блока используемого в системе.

В настоящее время процесс проектирования не формализован: не

существует готового детального алгоритма проектирования систем. Обычно

удаётся формализовать лишь следующие части этого процесса:

– формирование технического задания (ТЗ) и специфицирование системы

(создание расширенного ТЗ);

– получение моделей некоторой сгенерированной структуры,

архитектуры, функциональности системы и работа с ними с целью

проведения оценки проектных решений;

– выполнение преобразований (трансляции из одного представления в

другое) на разных уровнях;

– проведение тестирования и верификации системы (с помощью

моделирования).

По-прежнему не удаётся формализовать генерацию технических

предложений (особенно высокоуровневых), осмысленную декомпозицию

задач, перенос представления системы с одного уровня абстракции на другой.

Все эти проблемы ложатся на плечи разработчика и являются, таким образом,

творческими задачами.

Основные этапы проектирования при традиционном подходе:

1) разбиение системы на аппаратную и программную части,

производимое вручную на основании личного опыта разработчика;

2) раздельное моделирование аппаратной и программной частей

(если вообще выполняется какое-либо моделирование);

3) последовательное проектирование аппаратуры и программ

(именно в таком порядке);

4) интеграция аппаратной и программной частей (производится

вручную);

5) исправление или компенсация ошибок, обнаруженных в процессе

отладки, путём изменения программы (обычно приводит к ухудшению

характеристик системы);

6) повторное выполнение всего цикла проектирования, если

невозможно исправить ошибки за счёт программной части.

Основной недостаток, связанный с последовательным проектированием

аппаратуры и программ, состоит в растягивании сроков разработки. Частично

этот этап можно распараллелить, но эффективность такого распараллеливания

оказывается низкой, если не используются специальные средства и приёмы.

Также существует огромное количество возможных реализаций системы с

резко различающимися вариантами создания аппаратной и программной

частей. Одну и ту же задачу можно решить с помощью аппаратуры,

построенной:

-на одном вычислителе;

-на нескольких вычислителях, соединённых по шинной архитектуре;

-на нескольких вычислителях, соединённых нерегулярным образом (в виде

дерева или более сложной топологии).

В зависимости от выбранного варианта построения системы перед

проектировщиком будут возникать совершенно разные проблемы.

Определить, какой из вариантов правильнее, разработчику весьма

затруднительно, так как на раннем этапе моделирования и оценки

спрогнозировать характеристики системы тяжело, а изготовление макета

каждого из вариантов реализации приводит к неприемлемым денежным и

временным затратам. Таким образом, традиционный подход к проектированию

имеет определённые объективные недостатки.

Сейчас ведущие специалисты по вычислительной технике предлагают

выход из сложившейся ситуации, состоящий в коренном изменении процесса

проектирования. Прежде всего, система должна проектироваться на

абстрактном уровне, без априорного разделения её на аппаратную и

программную части. Проектировщик должен по максимуму отвлечься от

физической реализации. Если это удастся сделать, то есть удастся выбрать

систему понятий (систему элементов, базис), в рамках которых будет

спроектирована ВС, то на последних этапах процесса проектирования можно

будет провести реализацию этой абстрактной ВС. В рамках такого процесса

проектирования появляется много дополнительных полезных свойств.

Основная проблема такого способа проектирования состоит в том, что

разработчику трудно начать мыслить новыми (абстрактными) категориями.

Неопытному разработчику тем более тяжело воспринять новые (не очень

простые) понятия, если он, к тому же, не понимает, зачем ему это нужно. С

другой стороны, легче сразу закладывать нужную базу понятий, чем заменять

или переделывать уже имеющуюся.

Одна из наиболее существенных проблем вычислительной техники на

сегодняшний день - быстрая смена элементной базы. Элементы морально

устаревают в среднем через два-три года после начала их выпуска. Физически

они продолжают функционировать в составе различных устройств, но

промышленность либо вообще перестаёт их выпускать, либо выпускает в

минимальных объёмах, только для поддержания ремонтопригодности

существующей техники. В последнем случае цена таких элементов резко

возрастает. Проблема морального старения элементной базы, в свою очередь,

обусловливает необходимость смещения акцента на этап высокоуровневого

проектирования.

Как показывает практика, жизненный цикл ИУС составляет от 10 до 15

лет, а реально такие системы находятся в эксплуатации 25-30 лет. Если

через 10 лет эксплуатации, например, выходит из строя процессор, и такие

процессоры уже сняты с производства, то ремонт системы может оказаться

невозможным. Обычно в таких случаях делается попытка интегрировать в

систему другой процессор (из имеющихся в продаже), наиболее близкий по

характеристикам к заменяемому. Конечно, при этом может возникнуть ряд

проблем: надо электрически и конструктивно согласовать новый процессор

с существующим устройством, заставить корректно работать программное

обеспечение (в частности, учесть возможное изменение быстродействия).

Кроме того, нужно доказать эксплуатирующим и контролирующим

организациям, что система с внесёнными изменениями будет работать так

же, как и её первоначальный вариант. Таким образом, нужно выполнять

проектирование и процедуры сертификации таким образом, чтобы проект

существовал в виде, минимально завязанном на конкретную реализацию, то

есть обладал хорошей переносимостью.

В общем случае, проектирование подразумевает создание нового, ранее

неизвестного, улучшение или замена элементов ИУС.

Проектирование начинается с формулирования цели: технолог выбирает

необходимый цикл технологических подпроцессов и операций, техническая

организация которых позволит получить протекание некоторого процесса с

требуемыми показателями качества. Этот этап называется алгоритмизацией

процесса. На следующем этапе идет разработка технических требований к

ИУС, то есть разрабатывается техническое задание (ТЗ) на проектирование,

которое составляется в соответствии с гостом ГОСТ 24.201-79 «Требование к

содержанию документа «Техническое задание», который, в частности,

устанавливает, что техническое задание на создание ИУС должно содержать

следующие разделы: введение; характеристика объекта управления;

назначение ИУС; основные требования к ИУС; технико-экономические

показатели ИУС; состав, содержание и организация работ по созданию ИУС;

порядок приема. Далее специалистами АиУ осуществляется разработка

эскизного проекта ТП – выбор идеи реализации на основе некоторых

принципов проектирования и проверка работоспособности этой идеи.

Выбираются наиболее перспективные идеи методом многокритериального

анализа, осуществляемого моделированием.

Современные принципы проектирования:

1. Принципы системности.

Проектированное устройство должно проектироваться с учетом того, что

оно будет работать в составе конкретной системы

2. Принцип иерархии (при внешнем проектировании).

В любой системе есть некоторая главная технологическая операция и

реализующее ее технологическое оборудование, которое диктует требования

к другому ее технологическому оборудованию. Вначале формируются

требования к главной системе, а затем – требования соподчинения к другим

типам оборудования.

3. Принцип оптимальности.

Спроектированные устройства должны оптимально выполнять

предписанные функции в заранее обусловленном смысле; т.е. должен быть

выбран критерий оптимальности.

Критерии для аппаратуры автоматики и управления: надежность,

минимальные массогабаритные показатели, минимальная стоимость.

4. Методы резервирования:

1) горячее резервирование – элементы (силовые) выбирают по режимам

20-30% от номинальных (по энергетическим показателям)

2) Холодное резервирование – в схеме прибора (конструкции)

предусмотрено подключение параллельно нескольких резервных элементов.

5. Принципы конструктивной преемственности.

При разработке или проектировании какой-либо аппаратуры не

обязательно проектировать отдельные устройства, узлы. Нужно максимально

использовать имеющиеся в мировой практике разработки и создавать новое

лишь тогда, когда имеющиеся разработки не удовлетворяют по каким-либо

показателям качества.

6. Принцип взаимозаменяемости.

При проектировании должно быть создано не уникальное единичное

изделие, а серия изделий с одинаковыми показателями качества.

Изготовленные устройства можно взаимозаменять при эксплуатации

аппаратуры.

Этапы эскизного проектирования:

1. Проектирование технологического оборудования, для чего

привлекаются технологи, которые выбирают алгоритм работы

технологического оборудования.

2. Производится разработка ТЗ на проектирование технологического

оборудования. Назначаются требования к показателям качества.

3. Разрабатываются ТЗ на проектирование аппаратуры управления.

Независимо от отрасли, процесс управления состоит из подпроцессов:

- получения и сбор первичной информации – информационно-

измерительные системы (ИИС);

- передача полученной информации – системы телемеханики (СТМ);

- обработка полученной информации и выработка командных

управлений;

- управление (например, с помощью сервопривода).

4. Проектирование подсистем ИУС независимо друг от друга и

параллельно,

5. Дальше идет внутреннее проектирование, каждое - своим

специалистом узкой специализации. Разрабатывается функциональная схема

приборов, и, если нужно, проводится моделирование. После этого решаются

вопросы схемотехники, получается принципиальная схема. После

проведения расчетов видно, что устройство реализуемо, для проверки

проводится макетирование. На макете проводятся функциональные

испытания, в ходе которых выясняется, насколько точно спроектированный

прибор выполняет свои функции.

Далее осуществляется разработка технического проекта ТП.

Технический проект – это комплекс технической документации, по

которой промышленными методами можно изготовить, смонтировать и

запустить ИУС. Техническая документация включает правила и способы

создания того или иного технологического оборудования:

- текстовая техническая документация,

- программные документы,

- графические документы.

Текстовые документы – это пояснительная записка (пояснительная

записка дает полное текстовое описание спроектированного устройства, в

ней должно быть произведено обоснование и выбор принятого технического

решения (обоснование функциональной схемы) с привлечением

математического аппарата, выкладок, таблиц, диаграмм и так далее. В

пояснительной записке должен быть также приведен расчет принципиальной

схемы с необходимыми математическими выкладками и обоснованиями);

приложения, инструкции по эксплуатации, обслуживанию, хранению,

транспортировке; различные спецификации, перечни. Они изготавливаются

по единым правилам, которые регламентируются государственными

стандартами. Например: ГОСТ 19.404-79 Пояснительная записка. Требования

к содержанию и оформлению, устанавливает, что ПЗ должна содержать

следующие разделы: введение (содержит наименование программы и (или)

условное обозначение темы разработки, а также документы, на основании

которых ведется разработка с указанием организации и даты утверждения);

назначение и область применения; технические характеристики (постановка

задачи на разработку программы, описание применяемых математических

методов и, при необходимости, описание допущений и ограничений,

связанных с выбранным математическим материалом и т.д); ожидаемые

технико-экономические показатели (указывают технико-экономические

показатели, обосновывающие выбранного варианта технического решения, а

также, при необходимости, ожидаемые оперативные показатели); источники,

использованные при разработке. ; ГОСТ 19.105-78 Общие требования к

программным документам устанавливает требования к оформлению

программных документов для вычислительных машин, комплексов и систем,

независимо от их назначения и области применения и предусмотренных

стандартами Единой системы программной документации (ЕСПД) для

любого способа выполнения документов на различных носителях данных.;

ГОСТ 19.507-79 Ведомость эксплуатационных документов; ГОСТ 19.202-78

Спецификация. Требования к содержанию и оформлению.

Программная документация – правила изготовления регламентируются

ГОСТ 19.401-78 Текст программы. Требования к содержанию и оформлению;

ГОСТ 19.402-78 Описание программы которые в общем устанавливают, что

описание программы должно содержать следующие разделы: общие

сведения; функциональное назначение; описание логической структуры;

используемые технические средства; вызов и загрузка; входные данные;

выходные данные. Также установлены правила оформления программной

документации.

Графические документы: чертежи (схемы расположения оборудования;

общий вид, сборочный чертеж, чертеж деталей), схемы (виды: электрическая,

кинематическая, и т.д.; типы: структурная схема, функциональная,

принципиальная, схемы соединения, подключения, общие схемы, схемы

расположения). Правила выполнения регламентируются ГОСТ 24.302-80

Общие требования к выполнению схем; ГОСТ 24.304-82 Требования к

выполнению чертежей и др.

После разработки ТП осуществляется изготовление малой серии

(опытной партии) спроектированной аппаратуры промышленными методами.

Она подвергается комплексным испытаниям:

1. Функциональные испытания, чтобы определить, как качественно

функционирует аппаратуры,

2. Испытания на механическую прочность, на устойчивость к

воздействиям внешней среды. Как правило, комплексные испытания

проводятся на испытательных стендах. Один из приборов ставится на

испытание надежности. Есть определенные методы ускоренной наработки. В

проектной документации делаются необходимые поправки.

В итоге запускается серийное производство. Роль проектировщика –

сопровождение эксплуатации спроектированной аппаратуры. Иногда

проводится модернизация спроектированной аппаратуры, это должно быть

согласовано с проектировщиками.

5.2. Адаптация ИУС к области применения

В современных условиях развития техники и огромных объемов

информации особенно важной областью стало информационное обеспечение

и автоматизация труда в процессах производства и управления. Задачи

информационного обеспечения и автоматизации процессов в настоящее

время лучше всего выполняют информационно-управляющие системы

(ИУС). Они обеспечивают сбор, переработку информации, необходимой для

принятия обоснованных управленческих решений, оптимизацию

всевозможных процессов, управление технологическими процессами не

требующими участия человека и т.д.

ИУС необходима для оперативного обмена информацией об аспектах

процесса обучения, о новинках в области образования, об эффективности

внедрения новых программ обучения и т.д. Также необходима

систематизация информации о студентах, обработка документов

абитуриентов, вступительных тестов и т.д. Также существует необходимость

ИУС на предприятии для автоматизации документооборота всего

предприятия, а также для сопровождения технологического процесса,

оптимизации производства и затрат ресурсов; для отдела кадров упрощается

задача всевозможных расчетов, которые приходится делать работникам

службы; при ведении бизнеса ИУС помогает следить за наличием товара,

рассчитывать поставки, направлять заказы напрямую нужным поставщикам.

Внедрение ИУС в компании осуществляется в целях:

- обеспечения оперативной информационно-технологической и

аналитической поддержки процедур принятия решений в центральном офисе

и производственных подразделениях компании;

- повышения эффективности производственных и управленческих

процессов;

- повышения уровня надежности и безопасности производства в

подразделениях компании и минимизации потенциального ущерба от аварий

и простоев оборудования;

- ослабления негативного техногенного воздействия на окружающую

среду и снижения расходов компании на устранение его последствий.

При выборе компании производителя ИУС необходимо учитывать то, что

правильная адаптация, настройка и внедрение системы гарантируют ее

эффективную работу в дальнейшем.

При выборе ИУС для внедрения на предприятие необходимо

проработать всем коллективом (управляющие, которые будут пользоваться

системой, т.к. только они знают, какие решения являются главными и какая

информация нужна для их принятия) следующие этапы прежде чем перейти к

покупке и установке необходимого оборудования:

1. Анализ системы принятия решений. Процесс начинается с определения

всех типов решений, для принятия которых требуется информация. Должны

быть учтены потребности каждого уровня и функциональной сферы.

2. Анализ информационных требований. Определяется какой тип

информации требуется для принятия каждого решения (факты, оценки,

прогнозы, обобщенные связи, слухи).

3. Агрегирование решений. Решения, для принятия которых требуется

одна и та же или значительно перекрывающаяся информация, должны быть

сгруппированы в одну задачу управления.

4. Возможность контроля за системой при возможной выдаче неверной

информации. В пакет с ИУС должна быть приложена система, служащая для

оценки выдаваемой ИУС информации и позволяющая распознавать и

исправлять замеченные ошибки. Выбираемая система должна быть гибкой и

приспосабливаемой.

5. Эффективность решения поставленных перед ИУС задач.

6. Оптимальное сочетание цены выбираемой ИУС и качества.

7. Доступность интерфейса системы для понимания пользователей.

8. Соответствие требований ИУС к аппаратному обеспечению

предприятия.

9. Возможность модернизации ИУС с целью сбора, хранения, обработки

и распределения новой необходимой информации, постановки новых целей,

задач, способов обработки данных.

10. Достаточное быстродействие выбираемой ИУС для

своевременного выполнения поставленных перед ней задач.

После выбора подходящей по функциям и параметрам необходимо

проверить ее на совместимость работы с установленными на предприятии

операционными системами, а также с имеющемся на предприятии

оборудованием, дабы избежать неполадок, связанных с несовместимостью и

конфликтами оборудования между собой.

Управляющему аппарату ИУС обеспечивает получение информации,

ее переработку, генерирование и передачу новой производственной

информации в виде управляющих воздействий. Такие воздействия

осуществляются в оперативном и стратегических аспектах и основываются

на ранее полученных данных, от достоверности и полноты которых во

многом зависит успешное решение многих задач управления. Любые

принимаемые решения во многом зависят не столько от опыта руководителя,

сколько от владения достаточным количеством информации о быстро

меняющейся ситуации и умения ею воспользоваться.

Необходимость оперативного получения новой информации о

меняющихся процессах в производстве или на рынке – одна из главных задач

ИУС, которые ставятся перед ней, т.к. именно своевременно полученная

информация является непременным условием «выживаемости» и сохранения

конкурентоспособности в меняющемся мире.

ИУС должна выдавать информацию о прошлом, настоящем и

предполагаемом будущем. Она должна отслеживать все относящиеся к делу

события внутри организации и вне ее. Общей целью ИУС является

облегчение эффективного выполнения функций планирования, контроля,

производственной деятельности и процесса управления в целом. Самой

важной ее задачей является выдача нужной информации нужным людям в

нужное время.

ИУС, ориентированная на управляющий аппарат, должна учитывать то,

что вся управленческая деятельность условно делится на 3 категории, каждой

из которых характерен свой вид управленческой информации.

Управленческую деятельность можно условно разделить на следующие

категории:

- стратегическое планирование – процесс принятия решений

относительно целей организации, изменения этих целей, использования

ресурсов для достижения этих целей и относительно стратегий,

обуславливающих получение, использование и размещение этих ресурсов;

- управленческий контроль – процесс, посредством которого

управляющие обеспечивают получение ресурсов и их эффективное

использование для достижения общих целей организации;

- оперативный контроль – процесс обеспечения эффективного и

квалифицированного выполнения конкретных задач.