Главная страница 1
Системотехника АСУ.

Общие вопросы и понятия. UMASD

М.В.Токарев, к.т.н., В.И.Мелдов



Аннотация

В докладе в кратком виде отражены основные положения системотехники применительно к (автоматизированным системам управления) АСУ. Назначение доклада – предоставить аналитикам, проектировщикам и другим заинтересованным лицам теоретическую основу для изучения и создания АСУ. Одновременно, приведенные утверждения и описания могут и должны составлять идеологическую корпоративную платформу в области описания продуктов и процесса их проектирования.


Общие понятия системотехники

Система


Система – объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе (БСЭ, Т.39, с.158).

Множество (совокупность) материальных объектов (элементов) любой, в том числе различной, физической природы и информационных объектов, взаимодействующих между собой для достижения общей цели, обладающее системным свойством (свойствами), т.е. свойством, которого не имеет ни один из элементов и ни одно из подмножеств элементов при любом способе членения. Системное свойство не выводимо непосредственно из свойств элементов и частей. (ГОСТ РД 1-001-99 "Терминологический словарь"). Систе́ма (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из частей; соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство. (http://ru.wikipedia.org).

Свойства, которыми должен обладать объект, чтобы его можно было называть системой (в контексте Системотехники):


  • Целостность и членимость - система есть целостная совокупность элементов.

Это означает, что, с одной стороны, система – целостное образование и, с другой - в ее составе отчетливо могут быть выделены целостные объекты (элементы). При этом следует иметь в виду, что элементы существуют лишь в системе. Вне системы это в лучшем случае объекты, обладающие «системозначимыми» свойствами. При вхождении в систему элемент приобретает системноопределенное свойство взамен системнозначимого.

При формировании множеств исходными будут элементы. Для системы первичным является признак целостности, т.е. она рассматривается как единое целое, состоящее из взаимодействующих частей, часто разнокачественных, но одновременно совместимых.

При определенных условиях элементы могут рассматриваться как системы.


  • Связи - наличие существенных устойчивых связей (отношений) между элементами или (и) их свойствами, превосходящих по мощности (силе) связи (отношения) этих элементов с элементами, не входящими в данную систему.

Под существенными связями понимаются такие, которые закономерно, с необходимостью определяют интегративные свойства системы. Указанное свойство отличает систему от простого конгломерата и выделяет ее из окружающей среды в виде целостного объекта.

  • Организация - наличие определенной организации, что проявляется в снижении энтропии (степени неопределенности) системы по сравнению с энтропией системоформирующих факторов, определяющих возможность создания системы.

К этим факторам относят: число элементов системы, число системозначных свойств элемента, число существенных связей, которыми может обладать элемент, число квантов пространства и времени, в которых может находиться и существовать элемент, связь и их свойства.

Возникновение организации в системе – это, по существу, актуализация (формирование) существенных связей элементов, упорядоченное распределение связей и элементов во времени и пространстве. При формировании связей складывается определенная структура системы, а свойства элементов трансформируются в функции (действия, поведение), связанные с еще одним свойством системы – ее интегративными качествами.



  • Интегративные качества – качества (свойства) системы, присущие системе в целом, но не свойственные ни одному из ее элементов в отдельности.

Их наличие показывает, что свойства системы хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью. Вывод: система не сводится к простой совокупности элементов, и, расчленяя систему на отдельные части, нельзя познать все свойства системы в целом [Лит.1.].

Элемент


Понятие элемента обычно представляется интуитивно ясным. Под элементом обычно понимают такой объект, выполняющий определенные функции, который в условиях данной задачи не подлежит расчленению на части. Однако надо иметь в виду, что для каждой данной системы это понятие не является абсолютным, однозначно определенным, поскольку исследуемая система может расчленяться существенно различными способами, и говорить об элементе можно лишь применительно к определенному из этих способов: другое расчленение может быть связано с выделением другого образования в качестве исходного элемента. При заданном способе расчленения под элементом понимается такой минимальный компонент системы, совокупность которых складывается прямо или опосредованно в систему. Поскольку элемент выступает как своеобразный предел возможного членения объекта, собственное его строение (или состав) обычно не принимается во внимание в характеристике системы: составляющие элементы уже не рассматриваются как элементы данной системы. Можно утверждать, что в общем случае элемент не может быть описан вне его функциональных характеристик: с точки зрения системы важно в первую очередь не то, каков субстрат элемента, а то, что делается, чему служит элемент в рамках целого. В органичных системах элемент и определяется прежде всего по его функции как минимальная единица, способная к относительно самостоятельному осуществлению определенной функции. С такой функциональной характеристикой связано представление об активности, самодействии элемента в системе, причем эта активность обычно рассматривается, как одна из решающих его характеристик. В гетерогенных системах природа элементов различна. В гомогенных – одинакова.

Связь


В любой системе устанавливаются те или иные связи (отношения) между элементами. Однако с системных позиций значение имеют не любые, а лишь существенные связи (отношения), которые с закономерной необходимостью определяют интегративные свойства системы. Указанное свойство отличает систему о простого конгломерата и выделяет ее из окружающей среды в виде целостного образования.

Связь можно определить как физический канал, по которому обеспечивается обмен между элементами системы и системы с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Отношение – это тоже связь между какими-либо объектами, представленная в абстрактной форме, являющейся отображением «физически наполненных», реальных связей, так что отношение можно назвать ненаполненной связью.

Основная особенность связи – преобразование некоторой величины или пространства без изменения их физической природы. К числу основных характеристик связи относятся: физическое наполнение, направленность, мощность и роль в системе.

По физическому наполнению связи можно подразделить на вещественные, энергетические, информационные, смешанные и ненаполненные (отношения). По направлению различают связи: прямые, обратные, контрсвязи и нейтральные. Важной характеристикой отношений и связей является их сила (или мощность). Система существует как некое целостное образование тогда и только тогда, когда мощность (сила) существенных связей между элементами системы на интервале времени не равном нулю, больше, чем мощность (сила) связи этих же элементов с окружающей средой. Сильные отношения оказывают большие ограничения, чем слабые.

Сравнительно просто оценивается мощность вещественных и энергетических связей по интенсивности потока вещества или энергии. Для информационных связей оценкой потенциальной мощности может служить ее пропускная способность, а реальной мощности – действительная величина потока информации. Однако в общем случае при оценке мощности информационных связей необходимо учитывать качественные характеристики передаваемой информации (ценность, полезность, верность и т.д.). роль связи в системе определяется характером ее влияния на ход процессов. В этом смысле различают связи:


  • соединительные;

  • ограничивающие;

  • усиливающие (ослабляющие);

  • запаздывающие (опережающие, мгновенные);

  • селектирующие;

  • переобразующие;

  • положительные и отрицательные обратные связи;

  • согласующие, координирующие и т.п.

Структура систем


Структура системы есть устойчивая упорядоченность в пространстве и во времени ее элементов и связей.

Системы, как правило, обладают различными структурами. Так, порядок вхождения элементов в подсистемы, а затем последовательное объединение подсистем в целостную систему образует структуру членения системы. Эта структура всегда иерархического типа и имеет не менее двух уровней: «старший» уровень – система и «младший» уровень – элементы.

В зависимости от характера организации в системе элементов и их связей можно выделить три основных типа структур: сетевую, скелетную и централистскую, отражающих последовательное повышение степени централизации системы.

Вообще же структуры могут быть самые разнообразные и включать различные комбинации взаимосвязей элементов.

В плане пространственной организации различаются структуры: плоские и объемные; рассредоточенные, когда элементы равномерно распределены в пространстве; локально сосредоточенные при наличии сгущений элементов и сосредоточенные, когда имеется одно сгущение элементов.

По временному признаку выделяются экстенсивные структуры, в которых с течением времени происходит рост числа элементов, и интенсивные, в которых происходит рост числа связей и их мощностей при неизменном составе элементов. Противоположные типы структур: редуцирующие и деградирующие. Еще один тип – стабильные структуры, в которых структура не меняется в течение всего периода «жизни» системы.

Структура является наиболее консервативной характеристикой системы: хотя состояние системы изменяется, структура ее сохраняется неизменной иногда весьма длительное время.


Функции систем


Функция есть действие, поведение, деятельность некоторого объекта. Функция элемента возникает как реализация его системоопределенных свойств при формировании элемента и его связей в системе. Функция системы (в многофункциональных системах – набор функций) возникает как специфическое для каждой системы порождение всего комплекса функций и дисфункций элементов. Любой элемент обладает огромным количеством свойств. Одни из этих свойств при формировании связей подавляются, другие, напротив, приобретают отчетливое выражение. Однако, степень подавления системнонезначимых свойств элемента, как правило, не бывает полной. В связи с этим, при формировании системы возникают не только «полезные» функции, обеспечивающие сохранение системой ее качественной особенности, но и дисфункции – функции, негативно влияющие на функционирование системы.

Основными системными характеристиками функций являются:



  • совместимость на элементом уровне;

  • изменчивость (лабильность);

  • возможность актуализации на свойствах элементов;

  • интенсивность (выраженность);

  • степень детерминированности.

Задачи управления


К числу основных задач управления в порядке их сложности можно отнести следующие:

  1. Поддержание состояния: характеристики состояния удерживаются в заданном значении из области определения

  2. Поддержание процесса: характеристики процесса (выход управляемого объекта) удерживаются в заданном значении из области определения

  3. Изменение состояния: управляемый объект переводится из одного состояния в другое из области определения

  4. Изменение хода процесса: значение характеристик процесса (выхода управляемого объекта) меняется на другое из области определения

  5. Организация поведения: смена области определения состояний и процессов (выхода управляемого объекта).

Во всех задачах управления основным является ограничение разнообразия возможных состояний и процессов. Управление снижает энтропию управляемого объекта.

Системный подход


Системный подход (СП) – это выражение процедур представления объектов как систем и способов их разработки. СП прямо противоположен расчленению сложной задачи на части. Напротив, сознательно расширяется и усложняется задача, пока все существенные взаимосвязи не вводятся в рассмотрение. Иными словами, СП сводится к охвату всей сферы познания, находящейся в ведении профессионала, а не к сосредоточению внимания на некотором частном участке, входящем в эту сферу. СП – это концептуальное методологическое направление в науке. Вообще, подход – это способ обоснования методологии решения. По одной из классификаций существуют системный, комплексный и аспектный подходы.

Отличие системного подхода от комплексного


Характеристика

Комплексный подход

Системный подход

Механизм реализации установки

Стремление к синтезу на базе различных дисциплин с последующим суммированием результатов

Стремление к синтезу в рамках одной научной дисциплины

Объект обследования

Любой

Система

Метод

Междисциплинарный – учитывает два и более показателей, влияющих на эффективность

Системный – в пространстве и времени учитывает все показатели, влияющие на эффективность.

Принципы

Отсутствуют

Системности, иерархии, интеграции, формализации

Принципы системного подхода

Принцип системности


СП представляет собой одну из форм методологического знания, связанную с исследованием и созданием объектов как систем, и относится только к системам.

Принцип иерархии


Принцип иерархии требует трехуровневого изучения предмета:

  • изучение самого предмета – «собственный» уровень;

  • изучение этого же предмета как элемента более широкой системы – «вышестоящий» уровень;

  • изучение этого же предмета в соотношении с составляющими данный предмет компонентами – «нижестоящий» уровень.

Принцип интеграции


СП направлен на изучение интегративных свойств и закономерностей систем и комплексов систем, раскрытие базисных механизмов интеграции целого.

Принцип формализации


СП нацелен на получение количественных характеристик, создание методов, сужающих неоднозначность понятий, определений, оценок.

Проблемы системного подхода


Основные проблемы СП связаны с развитием методов практической реализации указанных принципов, и в частности:

  • с выявлением законов объединения частей в целое;

  • с выявлением законов, определяющих характер структуры, функционирования, движения и развития;

  • с выявлением связи с условиями и средой существования;

  • с выявлением предельных характеристик систем;

  • с разработкой содержательных и формальных средств представления исследуемых объектов как систем;

  • с исследованием методологических оснований различных системных теорий и т.д.

Рекомендации по решению некоторых из этих вопросов для АСУП приведены в последующих разделах.

Системный анализ


Анализ системы (системный анализ) – выявление структуры (морфологии) системы (см.), т.е. состава ее компонентов, определение связей между ними и поведения системы в окружающем мире. Виды структур: функциональная, техническая, организационная, документальная, алгоритмическая, программная, информационная. При анализе системы выполняются также ее морфологическое, прагматическое и процессуальное описание.

Методики решения проблем


В зависимости от уровня структурированности решаемых задач, существуют три основные методики решения проблем:

  • Исследование операций (ИО) – применяется для хорошо структурированных задач.

ИО состоит в применении математических моделей и методов (линейного, нелинейного, динамического программирования, теории массового обслуживания, теории игр и т.д.)

  • Эвристический метод (ЭМ) – применяется для неструктурированных задач.

ЭМ состоит в принятии решений на основе субъективных выводов и заключений, построенных на опыте, профессиональной подготовке и интуиции без использования формальных алгоритмов.

  • Системный анализ (СА) – применяется для слабоструктурированных задач.

СА – это научное направление, обеспечивающее на основе системного подхода разработку методов и процедур решения слабоструктурированных проблем при наличии существенной неопределенности.

Методикой реализации концепции системного подхода является системный анализ (СА).


Современные концепции СА


Можно выделить следующие концепции СА:

  • Системный подход;

  • Построение математических моделей;

  • Процессуальное рассмотрение всех срезов системы (морфологическиого, функционального, информационного и прагматического);

  • Использование средств CASE для компьютерного моделирования.

Группы методов СА


Существуют различные группы методов СА:

  1. Эвристическое программирование – методы, основанные на анализе деятельности человека.

Среди методов этой группы значительную роль играют методы экспертных оценок, использующие ту или иную форму обобщения совокупности субъективных представлений некоторой группы специалистов (экспертов) по изучаемой проблеме. Достоинство метода – определенная простота и доступность. Недостаток – неопределенная степень достоверности экпертизы.

  1. Семиотический подход – описание объектов, процессов и явлений с помощью средств естественного языка.

Одним из методов семиотического подхода является ситуационное управление.

  1. Методы аналогий – использование аналогий поведения или строения системы из живой или неживой природы.

Примером аналогий является использование бионического подхода. При этом, образец живой природы используется в качестве прототипа строения системы как методологический совет.

  1. Аналитические методы – использование методов математического анализа.

Среди таких методов используются все схемы ИО, теории принятия решений, модели теории графов, метод агрегатов, метод «черного ящика» и др.

  1. Иммитационное моделирование – процесс формирования модели реальной системы и проведение на этой модели экспериментов в целях выявления свойств системы и определения возможных путей ее создания, модернизации и (или) эффективного использования.

Одним из широко распространенных методов иммитационного моделирования является использование средств CASE, позволяющих в частности создавать и исследовать функциональные, информационные и процессные модели систем.

Уровни и страты изучения систем


Одним из основных отличий сложных систем является невозможность полного «охвата» и представления их с единой точки зрения или уровня изучения системы.

Возникает проблема компромисса между простотой описания системы и необходимостью учета многочисленных разноплановых характеристик системы. Одним из путей решения этой проблемы является «послойное» – стратифицированное описание системы.


Уровни детализации изучения систем


Основными уровнями изучения систем являются макроскопический и микроскопический.

Макроскопический уровень


Макроскопическое изучение заключается в игнорировании детальной структуры системы и наблюдении только общего поведения системы как целого, в оценке ее интегративных характеристик. Цель состоит в создании модели изучаемой системы в ее взаимодействии с окружением (модель «вход-выход»).

К числу макроскопических характеристик относятся:



  • тип структуры

  • границы системы

  • характер взаимосвязи «вход-выход»

  • режим функционирования (дискретное или непрерывное)

  • степень организованности и высота организации

  • особенности «жизненного цикла» системы, ее эффективность

Микроскопический уровень


Микроскопическое изучение системы связано с детальным описанием каждой из компонент системы, всего комплекса внутренних процессов. Центральным для микроскопического представления является понятие элемента. В рамках микроскопического подхода изучаются:

  • связи и функции элементов;

  • эффективность элементов;

  • структура системы и др.

Общая стратификация


Основными стратами (срезами) рассмотрения систем являются:

  • Морфологическое описание.

Морфологическое описание должно дать представление о строении системы. В него входят следующие характеристики: тип структуры, иерархическая структура подсистем до уровня элементов, характер межкомпонентных связей и связей с внешней средой; характер пространственно-временной организации компонентного состава и связей; границы системы; зависимость морфологии от стадий существования системы.

  • Функциональное описание.

Основной задачей функционального описания является определение поведения системы, ее возможностей и отношения к другим системам. Функциональное описание, так же как и морфологическое имеет иерархическую схему и должно отражать иерархию функций, процессы и параметры системы. Для развивающихся систем важным аспектом функционального изучения является описание изменчивости (перестройки) функций в течение «жизни» системы.

  • Информационное описание.

Задачи информационного описания заключаются в определении характеристик организации системы и оценки ее сложности. Ведущую роль информация играет и в процессах управления. Любую целенаправленную систему характеризует информационное взаимодействие между элементами.

  • Процессуальное описание.

Процессуальные характеристики дают представление об особенностях процессов в системе, об изменчивости ее свойств. Центральным понятием здесь является понятие жизненного цикла системы.

  • Прагматическое описание.

Прагматические характеристики: назначение, цель, эффективность, показатели эффективности, критерий оптимальности и другие казуальным системам имманентно не присущи и возникают лишь в процессе деятельности целенаправленных систем.

Все страты системы, хотя и обладают определенной независимостью, полностью не обособлены. Естественно, что пренебрежение их взаимозависимостью может привести лишь к неполному пониманию поведения системы в целом, существенно снизить достоверность и сузить круг принимаемых конструктивных решений.


Особенности системотехники АСУ

Предприятие


Предприятие – это самостоятельная организация, обладающая материальными (производственными), энергетическими, кадровыми, финансовыми и другими ресурсами, осуществляющее деятельность по производству продукции или/и оказанию услуг с целью их реализации потребителям и извлечения прибыли. Обычно имеет статус юридического лица. Организационно состоит из основных и вспомогательных подразделений (Лит. 3.).

Бизнес-процесс (БП)


Совокупность последовательно или/и параллельно выполняемых операций, преобразующая материальный или/и информационный потоки в соответствующие потоки с другими свойствами. БП протекает в соответствии с управляющими директивами, вырабатываемыми на основе целей деятельности. В ходе БП потребляются финансовые, энергетические, трудовые и материальные ресурсы и выполняются ограничения со стороны других БП и внешней среды. Частными случаями БП являются организационные, технологические и другие процессы. БП всегда должен иметь владельца.

Управление предприятием


Управление предприятием – это особый вид БП предприятия, в ходе которого определяются цели предприятия, собирается и анализируется информация о ходе производственных процессов, принимаются решения и выполняются действия, направленные на достижение целей.

Автоматизированная система управления (АСУ)


Автоматизированная система управления (АСУ) – целостная организационно-техническая совокупность элементов (информационной инфраструктуры, персонала и регламента) обеспечивающих выполнение автоматизированных информационных процессов, связанных общей функциональностью, информационными потоками и целевым назначением.

АСУ является искусственной кибернетической системой. Искусственные системы – это системы, созданные человеком. Искусственные системы (в том числе – АСУ) могут быть классифицированы по нескольким признакам, главным из которых является роль человека в системе. По этому признаку выделяется два класса систем:



  • технические;

  • организационно-экономические (организационные).

В основе функционирования технических систем лежат процессы, совершаемые машинами, а в основе функционирования организационно-экономических систем лежат процессы, совершаемые человеко-машинными комплексами.

АСУ обладает признаками как класса организационно-экономических, так и технических систем. На этой основе можно говорить об АСУ как организационно-технической системе.


Прагматические характеристики АСУ

Назначение АСУ

Объект автоматизации


Объектом автоматизации АСУ всегда является предприятие. Эта характеристика должна совпадать у всех проектов АСУ на объекте.

Область применения


Для АСУ и всех подсистем – управление предприятием.

Вид автоматизируемой деятельности


Для АСУ в целом – управление предприятием. Для бизнес-приложений – соответствующий БП. Для инфраструктурных систем – укрупненная внутренняя функция, соответствующая слою инфраструктуры:

  • системы информационной среды – информационное обеспечение

  • системы вычислительной среды – вычислительная обработка, хранение, ввод-вывод информации

  • системы транспортной среды – передача информации между узлами сети

  • системы физической среды – предоставление линий связи и обеспечение режимов работы технических средств

Автоматизируемые органы управления


Органами управления предприятия являются структурные единицы, осуществляющие управление (отделы, управления, службы и т.п.)

Управляемые объекты


Только для бизнес-приложений:

  • Объекты предметной области – носители атрибутов состояния системы (банковские счета, остатки материальных запасов, незавершенное производство и т.п.)

  • Характеристики бизнес-процессов (характеристики выходных потоков) – интенсивность, графики выполнения операций, содержание выходных потоков, контрольные точки и т.п.

Показатели назначения


Предельные значения характеристик предприятия и автоматизируемых бизнес-процессов, при которых сохраняется работоспособность системы (численность персонала, объем выпуска, количество проводок за период и т.п.).

Система не может не иметь ограничений функционирования. Эти ограничения должны быть известны как заказчику, так и проектировщику. На основании этих данных можно планировать модернизацию системы.


Цели создания АСУ

Понятие цели


Целевое назначение или цель системы – стремление к более полному удовлетворению тех или иных потребностей общества, отдельных его групп, слоев или индивидуумов.

Понятие цели вводится в системотехнике исключительно для того, чтобы получить возможность сравнивать системы между собой по степени предпочтительности: считается, что одна система лучше другой только тогда, когда она в большей степени соответствует своему целевому назначению. При этом, разумеется, сравниваемые системы должны иметь одно и то же целевое назначение. Сравнение систем различного назначения бессмысленно.



Цели создания АСУ формулируются в виде перечня наименований и требуемых значений показателей автоматизируемых бизнес-процессов объекта автоматизации, которые должны быть достигнуты в результате создания системы и критериев оценки их достижения.

Принципы определения целей


Определение целей проекта – задача неформализованная. Однако можно указать несколько общих принципов, помогающих ее решить. Сами принципы при ближайшем рассмотрении выглядят достаточно очевидными (кроме 4).

  1. ДОСТИЖИМОСТЬ - Цель должна быть достижима в рамках проекта.

Если цель недостижима в рамках создания именно этого проекта, значит – это цель другого проекта.

  1. ПОЛЕЗНОСТЬ - Цель должна быть очевидно полезной заказчику.

Факт достижения цели должен быть представлен заказчику и воспринят им как адекватный положительный результат деятельности исполнителя на объекте автоматизации.

  1. МАКРООПРЕДЕЛЕНИЕ - Цель должна быть вне создаваемой системы.

Для АСУП цели проекта лежат в плоскости повышения эффективности автоматизируемых бизнес-процессов.

Конкретность целей – в существенной сравнительной разнице показателей бизнес-процессов до и после их автоматизации. Если цель оказалась сформулирована в виде одной из внутренних характеристик самой системы, то улучшения не будут отражаться на ее взаимодействии с окружающей средой, и система окажется бесцельной.

  1. ИЗМЕРИМОСТЬ - Цель должна быть измеримой.

Только измеримые цели позволяют сравнивать системы или варианты их реализации между собой по степени предпочтительности относительно данной цели.

Обоснование принципа измеримости целей и определение измеримости целей приведены в [Лит. 1 стр.143].

  1. НЕЗАВИСИМОСТЬ - Цели должны быть максимально независимы по содержанию.

Цели одного уровня для ликвидации избыточности и противоречивости должны быть максимально независимы по содержанию. Это не исключает связанности целей по методам их достижения.

  1. ПРЕДМЕТНОСТЬ – Цель (АСУ) должна формулироваться в предметной области.

Цель создания системы определяется ее назначением. Если АСУ предназначена для управления, ее цели должны относиться к управлению конкретным объектом.

Квантификация целей


Первоначально цели создания системы формулируются, как правило, на содержательном (качественном) уровне и позволяют судить лишь об общем направлении работ по ее созданию или совершенствованию. Для обеспечения необходимой проектировщикам ясности и однозначности формулировок цели проектирования лучше всего описать в терминах внешних характеристик системы (описывающих ее взаимодействие с управляемым бизнес-процессом). Чтобы добиться этого, исходную цель приходится разбивать на совокупность более частных, но и более простых и конкретных подцелей. Этот процесс разбиения принято называть квантификацией целей.

На практике квантификацию можно осуществить с помощью экспертного анализа. В ходе него специалистам, сформулировавшим исходные цели, задаются вопросы типа: «Как Вы понимаете смысл данной цели? Какие требования она предъявляет к проектируемой системе? Можно ли привести соответствующие характеристики системы, позволяющие судить о степени достижения цели?»

Таким образом, исходную цель можно разбить на совокупность подцелей, часть которых, в свою очередь, нуждается в дальнейшей квантификации. Последовательно осуществляя квантификацию, получим многоуровневое иерархическое дерево целей. В идеале на нижнем уровне дерева целей должен оказаться полный неизбыточный набор измеримых целей (Лит. 1.).

Цели нижнего уровня иерархии образуют полный набор, если их реализация достаточна для достижения исходных целей; образуют неизбыточный набор, если реализация каждой цели из этого набора необходима для достижения исходных целей.

Чтобы обеспечить полноту, в набор целей нижнего уровня приходится включать цели, характеризующие различные стороны процесса функционирования системы. В результате полный набор содержит, как правило, значительное число целей, что, естественно, усложняет проектирование системы. Полный неизбыточный набор целей адекватно отражает содержание исходных целей, причем исключение из него любой цели приводит к потере свойства полноты. Поэтому полный неизбыточный набор является минимальным по числу входящих в него целей.

Выбор критериев


После того как процесс квантификации доводится до получения набора количественно измеримых целей, возникает задача определения для каждой цели этого набора вещественной функции, сохраняющей упорядочение.

На практике обычно используется эмпирический подход к построению критериев и оценке качества систем. Сначала из набора показателей системы выделяется тот, который, по мнению заказчика, в наибольшей степени характеризует соответствие системы заданному целевому назначению. Этот показатель принято называть критерием, т.е. показателем, который признается важным в отношении поставленной цели, является общим для всех допустимых решений и характеризует общую ценность решения таким образом, что заказчик стремится получить по нему наиболее предпочтительную оценку.

Формулируют критерий так, чтобы наиболее предпочтительная оценка критерия соответствовала его максимуму или минимуму, после чего приступают к решению формальной задачи отыскания максимума, если критерий желательно максимизировать, или минимума, если критерий желательно минимизировать, целевой функции на множестве рассматриваемых систем.

Ошибки, допущенные на этапе выбора критерия, неминуемо приводят к построению неоптимальных или даже неработоспособных систем. Чтобы избежать подобных ошибок, процедуру назначения критерия следует выполнять самым тщательным образом, добиваясь четкого представления о том, какую характеристику можно, а какую нельзя использовать в качестве критерия для данной схемы, какова степень адекватности критерия для данной системы, какова степень адекватности критерия и сформулированной ранее цели, насколько максимум (минимум) критерия соответствует выбору оптимальной системы.

Погрешность и представительность – два взаимозависимых показателя качества критерия. Погрешность определяет разрешающую способность критерия и тем самым устанавливает максимально допустимый уровень ошибок при вычислении его значений для различных систем. Представительность позволяет судить о соответствии критерия и цели. Когда представительность критерия мала, установить с его помощью степень соответствия системы своему целевому назначению невозможно. В лучшем случае такой критерий оказывается бесполезным.

Морфология АСУ


Принцип иерархичности системного подхода отражает относительность строения мира: каждая система является частью чего-то большего, и в то же время сама состоит из элементов, каждый из которых, в свою очередь является системой, но может быть другой природы.

В общем понимании, морфология – это наука, рассматривающая строение каких-либо объектов, взаимосвязи и взаимооотношение составных частей.

Для АСУ, таким образом, должны быть определены следующие морфологические характеристики, позволяющие выделить ее из окружающей среды и описывающие ее строение:


  • Границы системы, т.е. определение элементов окружающей среды (окружения), не входящих в систему, но непосредственно с ней взаимодействующих.

  • Состав подсистем (для АСУ – все элементы являются системами), т.е. список входящих в АСУ элементов.

  • Связи между элементами (преимущественно – информационные)

Границы системы и ее окружение. Контекстная диаграмма


Определение границ АСУ – один из первых и важнейших шагов по проектированию ее архитектуры. Определение факта принадлежности функциональных и инфраструктурных подсистем создаваемой системе непосредственным образом влияет на процесс оптимизации характеристик АСУ и организацию процесса управления системой. Особенно важно определить границы системы в случае создания корпоративной АСУП, т.е. в случае, когда объектом автоматизации является предприятие, имеющее в своем составе несколько площадок, отличающихся организацией и степенью централизации управления. Наиболее сложным случаем является дивизиональная структура.

Контекстная диаграмма обзорная (КД) – диаграмма, отображающая объект или систему (в зависимости от стадии ЖЦ), внешние, по отношению к ним сущности и связи между ними. При этом сам объект (или система) представляется «черным ящиком».

Контекстная диаграмма (КД) - инструмент для визуализации границ и окружения системы. На ней отображаются состав внешних систем и связи системы с окружением. КД является средством макроописания системы.



Рисунок 1. Пример контекстной диаграммы системы


Информационная инфраструктура АСУ. Связи между элементами


Информационная инфраструктура (ИИ) – взаимосвязанная совокупность средств технического, программного и информационного обеспечения, представленная в виде иерархической послойной структуры объектов, обеспечивающих выполнение всех установленных функций АСУ (прикладных и обеспечивающих). Верхний уровень представления ИИ – приложение.

Трактовка термина КСА как совокупности программного, информационного и технического обеспечения и соответствующая структура частей проекта, которые описаны в ГОСТ 34, не отражают современного уровня развития системотехники и сложности систем. В настоящее время невозможно заниматься разработкой одного отдельно взятого вида обеспечения системы изолированно от остальных. Невозможно даже выделить в рамках системы все элементы одного вида обеспечения для их комплексирования. Да и само такое комплексирование невозможно. Например, невозможно рассматривать всё ПО АСУ в рамках одной проектной задачи.

Цель введения понятия ИИ – описание организации КСА в виде послойной иерархической системы для создания механизмов решения проектных задач и системного анализа.

Каждый слой представляет среду определенного уровня манипулирования информацией:



  1. Физическая среда – кабельные сети, системы электропитания, кондиционирования, видеонаблюдения, оповещения и т.п., если они являются частью АСУП

  2. Транспортная среда – канальный, сетевой и транспортный уровни информационных сетей. Включает: активное сетевое оборудование ЛВС с установленным ПО, оборудование каналов передачи, мультиплексоры, межсетевые экраны и т.п., относящиеся к АСУ

  3. Вычислительная среда – клиентские, серверные узлы информационных сетей и узлы управления. Каждый узел включает техническое обеспечение (вычислительную технику), ПО общего назначения (системное и офисное) и сетевые интерфейсы.

  4. Информационная среда – элементы информационного обеспечения АСУ (БД и СУБД).

  5. Прикладная среда – информационные приложения (бизнес-приложения, приложения безопасности и управления), относящиеся к АСУП

Информационная инфраструктура не является системой, и, следовательно – подсистемой АСУ. ИИ определяет тип элементов, входящих в АСУ, ее архитектуру и способ взаимодействия между слоями. Из всех слоев только физическая среда связана с остальными элементами преимущественно энергетическими и вещественными связями. Практически все остальные инфраструктурные взаимодействия осуществляются через информационные связи. На каждом уровне ИИ представлена конкретными видами инфраструктурных систем. Системы взаимодействуют между собой с помощью служб, предоставляя ресурсы по определенным структурным правилам. Поэтому основными взаимодействующими категориями инфраструктуры на всех уровнях являются службы, ресурсы и структуры (примеры: служба WINS, ресурс полосы канала передачи, структура данных, сетевой протокол). Системы нижних слоев в процессе функционирования АСУ предоставляют ресурсы верхним слоям.

Для того, чтобы это происходило необходимо наличие как минимум трех условий:


  • наличие достаточного количества необходимых ресурсов;

  • существование требуемой службы в необходимой конфигурации;

  • наличие согласованной структуры, обеспечивающей взаимодействие.

Состав АСУ


Состав реальных АСУ индивидуален и зависит от характеристик объекта, требований заказчика, стадии развития, используемых технологий проектирования и т.п.

В общем случае можно выделить следующие категории (классы) элементов АСУ, отличающиеся своей природой:



  1. Персонал – совокупность пользователей и обслуживающего персонала АСУ. Элементами являются конкретные люди в момент выполнения установленных в системе ролей, определенных ее регламентом.

  2. Регламент – совокупность организационных, методических и эксплуатационных документов АСУ. Элементами являются документы в бумажном или электронном виде.

  3. Приложения – совокупность программных средств, установленных в соответствующей им инфраструктуре и данных, обеспечивающих выполнение функций АСУ. Данные могут не принадлежать конкретному приложению, а являться общими для АСУ. В таком случае, несколько приложений используют данные совместно. Стандартные функции приложений как подсистем АСУ определены в стандарте Лит. 4. Приложения могут использовать и другие общие элементы, например – программное ядро. В таком случае, общее ядро является самостоятельным элементом АСУ и не принадлежит ни одному из приложений.

  4. Обеспечивающие подсистемы – системы, относящиеся к одному из слоев информационной инфраструктуры, кроме прикладной среды. К ним относятся: вычислительные узлы (клиентские станции и серверы), СУБД, БД, СКС, ЛВС, корпоративная интерсеть (интрасеть), инженерные сети и системы АСУП и т.п. Природа обеспечивающих систем и взаимодействие их с окружением определяется моделью информационной инфраструктуры. В АСУ может входить несколько обеспечивающих элементов одной природы и типа, например, СКС в нескольких зданиях или на разных площадках – каждая из них будет отдельным элементом АСУ.

Правила членения АСУ


Следующий свод правил сформирован на основе общих законов системотехники с учетом предметных особенностей АСУ:

  1. АСУ состоит из конечного множества материальных неделимых элементов - подсистем.

  2. Функции АСУ реализуются в виде автоматизированных информационных процессов (АИП), обеспечиваемых не менее, чем двумя ее инфраструктурными элементами.

  3. Подсистемы АСУ связаны существенными информационными или/и энергетическими связями функционирования и управления, определяемыми их свойствами.

  4. АСУ является организационно-технической подсистемой предприятия.

  5. Подсистемы при объединении в АСУ утрачивают свои элементы, системнозначащие свойства и независимость, и приобретают системные связи.

  6. Подсистемы АСУ могут иметь различную природу, определяемую архитектурой АСУ. Могут быть несколько подсистем одной природы (например - приложения).

  7. Существуют подсистемы АСУ, участвующие в обеспечении как одной, так и нескольких функций АСУ.

  8. Персонал АСУ является особой подсистемой, отличающейся своей природой и изменчивостью элементов.

  9. Процесс функционирования АСУ управляется регламентом. Регламент является организационной подсистемой АС.

  10. Инфраструктура АСУ не является системой (подсистемой АСУ), она отражает архитектуру АСУ, т.е. природу ее подсистем. Инфраструктурные подсистемы являются подсистемами АСУ.

Следствия


  1. АСУ имеет материальные границы.

  2. Множества элементов подсистем АСУ не пересекаются.

  3. Элементы подсистем не являются элементами АСУ.

  4. Нет ни одной подсистемы АСУ, которая бы самостоятельно реализовывала ее любую функцию.

  5. Подсистема может иметь функции, не относящиеся к АСУ.

Морфология объекта автоматизации и морфология АСУ


При рассмотрении морфологии АСУ необходимо отличать ее от морфологии объекта автоматизации, т.е. предприятия. Хотя морфология предприятия (контекстная диаграмма, организационная структура, топология и т.п.) могут непосредственным образом влиять на характеристики АСУ, эти системы и их описания не только не адекватны, но и принципиально отличаются как по объекту описания, так и по применяемым методам членения систем (Лит. 5.). Так, площадки предприятия, несомненно, являются его составными частями. Однако, для корпоративной АСУ сами площадки не являются элементами, но подсистемы площадок (например, СКС) входят в АСУ самостоятельно как отдельные элементы. В то же время, на нескольких площадках может быть развернуто одно и то же приложение, являющееся неделимым элементом АСУ.

Функции АСУ

АСУ и бизнес-процессы


ИИ АСУ представляет собой действующую информационную модель, в которой в автоматизированном режиме происходят информационные процессы, адекватно моделирующие реальные бизнес-процессы предметной области. Взаимодействуя с этой моделью, можно получать информацию о реальных процессах и состоянии управляемого объекта, а также предпринимать управляющие воздействия. Примеры: управление банковскими счетами, материальными запасами, поставкой продукции. К непосредственным функциям АСУ (не относящимся к моделированию бизнес-процессов) относятся функции передачи, хранения и обработки бизнес-информации. Эти функции включаются в реальные бизнес-процессы непосредственно и являются их неотъемлемой частью. Примеры: корпоративная электронная почта, передача данных с удаленных участков в центральную бухгалтерию, хранение личных карточек персонала.

Функции АСУ и подсистем


АСУП является одним из элементов предприятия. Как и любой другой элемент, АСУ проявляет себя через свои свойства. Системнозначимыми для предприятия являются функциональные свойства АСУ. Поэтому функциями АСУ как системы являются внешние проявления ее деятельности. Проявления внутренней деятельности АСУП не являются ее функциями, а относятся к функциям ее подсистем. Функции подсистем в своей совокупности и взаимодействии обеспечивают выполнение процессов АСУП для реализации ее функций.

Способы реализации функций АСУ


Как и любая автоматизированная система, АСУ имеет функции, выполняемые с участием человека и в автоматическом режиме. Некоторые функции могут быть автоматизированы частично. Функции, выполняемые в автоматическом режиме, могут быть реализованы в программных алгоритмах, с помощью технических средств АСУ или программно-аппаратными средствами. Функции АСУ, содержащие программные механизмы реализации, группируются в бизнес-приложениях. Под бизнес-приложением следует понимать совокупность ПО и данных, установленных в соответствующей ИИ, обеспечивающих выполнение определенной бизнес-функции или бизнес-процесса предприятия (см. Лит. 3).

Типовые функции АСУ


Определение функционального состава АСУ и именование функций может быть выполнено проектировщиком произвольно. При этом не соблюдаются принципы развития, совместимости и стандартизации. Вследствие такого подхода затруднительно обеспечить повторяемость проектов в рамках проектной организации и создать условия для управления качеством.

Решением является использование типовых функциональных структур АСУ, построенных на основе использования отраслевых стандартов. Например, в ГОСТ РД 1-001-99 "Терминологический словарь" определены следующие информационные системы:



  • 3.110 «Информационная система руководителя»;

  • 3.111 «Управление финансовыми ресурсами»;

  • 3.112 «Управление персоналом»;

  • 3.113 «Управление запасами и складами»;

  • 3.114 «Управление закупками»;

  • 3.115 «Управление продажами, заказами и дистрибуцией»;

  • 3.116 «Планирование производства»;

  • 3.117 «Оперативное управление и регистрация хода производства»;

  • 3.118 «Управление эксплуатацией оборудования»;

  • 3.119 «Управление качеством».

Очевидно, что набор этих функций не обязателен для использования в каждом проекте. В зависимости от различных факторов могут появляться уникальные функции. Однако использование подобной структуры может значительно облегчить и упростить процесс создания и развития АСУ и обеспечить предпосылки улучшения его качества. Каждая из приведенных функций управления предприятием в стандарте детализирована. Необходимо учитывать, что название системы не должно зависеть от того, все ли входящие в нее функции на данный момент реализованы и будут ли они реализованы в последствии. Такой подход обеспечит стабильность структуры членения и функциональной структуры АСУ. Использование набора стандартных функций может значительно облегчить взаимодействие с заказчиком по определению функциональных требований к системе.

Функциональная организация АСУ. ДПД


Функциональная организация АСУ определяет состав и иерархию внутренних (функций подсистем) и внешних функций АСУ (системных функций) и их взаимосвязь в процессах.

Для моделирования внутренней функциональной (функций подсистем) структуры используются иерархические функциональные модели, например, SADT/IDEF0. Их можно строить с помощью таких инструментов как BPWin. При этом, функциональная модель системы строится в виде совокупности моделей процессов, выполняемых в АСУП с участием всех взаимодействующих подсистем.

Для уровня макроописания функций системы можно применять обзорную диаграмму потоков данных (ДПД), содержащую все функциональные элементы АСУ верхнего уровня (процессы) и связи между ними.

Диаграмма потоков данных обзорная – диаграмма, изображающая функции (бизнес-процессы, подразделения предприятия и т.п.) и связи между ними. Связи могут быть как информационными, так и неинформационными.

Связь между составом элементов и функциональной организацией АСУ


Основной задачей системного проектирования является построение такой структуры элементов системы, которая наиболее эффективно позволит реализовать выполнение функций АСУ для достижения целей ее создания. При создании системы необходимо следовать концепциям системного анализа, ведущей из которых является системный подход и принципам создания АСУ.

В результате синтеза системы должна получиться структура взаимодействующих через свои функции элементов, участвующих в процессах функционирования АСУ. Таким образом, системнозначимые свойства отдельных элементов при интеграции в АСУ актуализируются в виде системных функций. Каждый элемент АСУ в отдельности не способен выполнять ни одной из функций АСУ. Так, подсистема-приложение «Управление кадрами» не способна сама по себе выполнять функции по управлению кадрами предприятия. Она не имеет собственных элементов, например таких, как кабельная сеть, вычислительная сеть, вычислительные узлы, СУБД и т.п. Эти элементы являются элементами АСУ.


Процессуальные характеристики АСУ

Жизненный цикл АСУ


Жизненный цикл проекта (ЖЦ)временной период от замысла нового проекта системы до момента прекращения ее использования и утилизации. ЖЦ представляет собой последовательность строго ограниченных этапов или специфических видов работ, имеющих на выходе законченную стандартизованную документацию.

При создании АСУ особенно важным является разработка модели ЖЦ, учитывающей как необходимость пошаговой функциональной эволюции системы, так и возможность ее модернизации в целом и по отдельным подсистемам. Учитывая сильную гетерогенность АСУ и значительные отличия в жизненных циклах подсистем по сроку жизни, стабильности, стадиям и т.п., проектирование адекватной модели ЖЦ АСУ – задача довольно непростая.

Кроме непосредственно особенностей ЖЦ АСУ, необходимо учитывать процессуальные характеристики каждого страта АСУ: функционального, морфологического, информационного и прагматического описания системы. На различных временных отрезках ЖЦ АСУ может иметь различные требования и характеристики соответствующих страт. Эти особенности должны отражаться в ТЗ, при проектировании и реализации подсистем.

Может быть принят общий ЖЦ проекта АСУ, состоящий из следующих стадий:



  • Предпроектный анализ;

  • Системное проектирование;

  • Техническое проектирование;

  • Реализация АС;

  • Ввод в действие;

  • Сопровождение АС.

Рисунок 2. Пример модели ЖЦ проекта АСУ


Принципы создания АСУ

Принцип системности


Принцип системности прямо следует из концепции системного подхода к созданию АСУП.

Принцип развития (открытости)


Возможность расширения и обновления функций и добавления структурных элементов без нарушения функционирования.

Принцип совместимости


Реализация информационных интерфейсов, обеспечивающих возможность взаимодействия между компонентами системы и с другими системами по установленным общим правилам.

Принцип стандартизации


Рациональное применение типовых, унифицированных и стандартизованных элементов, проектных решений, пакетов прикладных программ, комплексов, компонент, внутренних и внешних интерфейсов и протоколов.

Совместимость обеспечивается стандартизацией:



  • Физических параметров аппаратных модулей вычислительных комплексов

  • Кодов данных и сигналов физического уровня

  • Физических и канальных интерфейсов и протоколов

  • Сетевых интерфейсов и протоколов сетевого уровня

  • Форматов данных на уровне представлений

  • Программных интерфейсов на уровне приложений

  • Форм документов предметной области

Стандартизация во многом обеспечивает эффективность системы.

Принцип эффективности


Достижение рационального соотношения между затратами на создание АСУП и целевыми эффектами, включая конечные результаты, получаемые в результате автоматизации.

Соблюдение принципа эффективности обеспечивает целевую функцию системы.


UMASD


В 2000 году командой ученых была разработана методика проектирования АСУ, получившая аббревиатуру UMASD (Unified Methodology Automatised System Design). Эта методика в течение 12 лет проходила апробацию в различных консалтинговых ИТ-компаниях, занимающихся проектированием и внедрением АСУ.

Данная методика основана на принципах системности, перечисленных выше и включает в себя помимо описания жизненного цикла АСУ описание процессов создания системы, шаблоны проектных и технических документов, процессу обеспечения качества разработок.

Список литературы

Лит. 1. Николаев В.И., Брук В.М. «Системотехника: методы и приложения»



Лит. 2. Спицнадель В.Н. «Основы системного анализа»

Лит. 3. ГОСТ РД 1-001-99 "Терминологический словарь"


Лит. 4. ГОСТ РД 1-001-99 «CALS-ТЕХНОЛОГИИ. ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ Часть 1. Терминология, относящаяся к стадиям жизненного цикла продукции»
Лит. 5. Токарев М.В. Системный подход к проектированию информационных систем. // Системный анализ и информационные технологии: Сб. трудов 4 Междунар. конф.: Т. 2. Челябинск: Челябинский государственный университет, 2011. Стр. 75-77.
Лит. 6. www.systemotechnica.ucoz.com


Смотрите также:
Системотехника асу. Общие вопросы и понятия. Umasd м. В. Токарев, к т. н., В. И. Мелдов
347.45kb.
1 стр.
«еэс россии» общие технические требования к программно-техническим комплексам для асу тп тепловых электростанций
1739.45kb.
8 стр.
Опыт "харрис групп интернейшенл проектирование и строительство" в проектировании асу тп в цбп и энергетике
66.73kb.
1 стр.
Социология конфликта
968.9kb.
4 стр.
3 Анализ действующих схем использования контроллеров в системах асу тп компрессорных станций 4
1853.74kb.
21 стр.
Тесты для самоконтроля знаний по темам Контрольная работа Контрольные вопросы для оценки качества усвоения дисциплины
3082.99kb.
19 стр.
Закон г. Москвы «О молодежи»
304.1kb.
1 стр.
Методические рекомендации для студентов очно-заочной формы обучения 28 VII. Основные понятия курс
837.26kb.
5 стр.
Лекции Практика Лектор часы часы
49.49kb.
1 стр.
От локальных задач автоматизации к интегрированной асу комбината хлебопродуктов
95.02kb.
1 стр.
Миф, как попытка объяснить мир и человека
11.95kb.
1 стр.
Программа минимум кандидатского экзамена по специальности 08. 00. 10 «Финансы, денежное обращение и кредит». по экономическим наукам общие положения
772.17kb.
5 стр.