Стадии проектирования

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Термины, определения, проблемы Предварительные замечания (нч.) • Любая инженерная дисциплина, будь то механика, электроника, строительство, химия, или программирование, содержит в себе элементы и науки, и искусства: "Разработка новых структур предполагает и полет фантазии, и синтез опыта и знаний: все то, что необходимо художнику для реализации своего замысла на холсте или бумаге. Предварительные замечания (пр.) • После того, как замысел созрел в голове инженера-художника, он обязательно должен быть проанализирован с точки зрения применимости данного научного метода инженером-ученым со всей тщательностью, присущей настоящему ученому”, - [Петроски]. Предварительные замечания (пр.) Под проектированием в любой инженерной дисциплине обычно понимается некий унифицированный подход, с помощью которого мы ищем пути решения определенной проблемы, обеспечивая выполнение поставленной задачи. В контексте инженерного проектирования цель проектирования определена как создание системы, которая: - удовлетворяет заданным (возможно, неформальным) функциональным спецификациям (требованиям); Предварительные замечания (пр.) • - согласована с ограничениями, накладываемыми оборудованием; - удовлетворяет явным и неявным требованиям по эксплуатационным качествам и ресурсопотреблению; - удовлетворяет явным и неявным критериям дизайна (конструкции) продукта; - удовлетворяет требованиям к самому процессу разработки (например, продолжительность и стоимость, а также привлечение дополнительных инструментальных средств). Предварительные замечания (пр.) • Предполагаемая: «Цель проектирования - выявление ясной и относительно “ простой” внутренней структуры, иногда называемой архитектурой. Проект есть окончательный продукт процесса проектирования», - [Страуструп]. Предварительные замечания (пр.) • • • • • Проектирование подразумевает учет противоречивых требований. Продуктами проектирования являются модели, позволяющие нам: - понять структуру будущей системы, - сбалансировать требования к системе, - наметить схему реализации. Проект; проектирование • По определению: • проект - это план, замысел [1.1]; • проект ирование - разработка проекта [1.1]. • Из приведённых определений следует, что проектирование составляет основу любой целенаправленной деятельности. Выработка замысла целенаправленной деятельности (в нашем контексте - проектирования) основана на априорном представлении проектируемого объекта (системы) его концептуальной моделью: - проекта (сложной технической) системы (СТС); - организации процесса ф ункционирования системы (ПФС); - стратегии операции (СО) по выполнению задачи системой (в контексте - сложной технической (СТС)); - плана, алгоритма, программы, технологии целевого функционирования системы; - управления процессом функционирования создаваемой системы. Адекватность • Основным требованием к концептуальной модели является её адекватность как объекту исследования (проектирования), так и проблеме (задаче), в рамках которой проектируется объект. Стадии проектирования В общем случае процесс проектирования распадается на две ярко выраженные стадии (фазы): • - обоснование функций, стратегий и макроструктуры проектируемого объекта; • - конструирование функциональных элементов и разработка алгоритмов и программ их целевого функционирования. • «Внешнее проектирование» • Любая разумная деятельность целенаправленна, требует для своей реализации расхода всяческих ресурсов (в т.ч. интеллекта и времени), поэтому при разработке её замысла естественно стремление сделать расходы ресурсов рациональными относительно цели деятельности, а делаемые для этого усилия эффективными. Поэтому основу методов проектирования, и в первую очередь ВНЕПР [1.2], должна составлять теория эффективности процессов [1.3]. "Теория эффективности" как научная дисциплина возникла вскоре по окончании Второй мировой войны (лет 60 - 65 тому назад), однако основополагающие результаты получены в ней сравнительно недавно (лет 25 - 30 назад), что обусловлено целым рядом объективных причин. Повышение эффективности выступает как объективное условие расширенного воспроизводства [1.4]. При ограниченных ресурсах (всех видов) необходимо стремиться к использованию этих ресурсов самым наилучшим образом. Возникает вопрос: "что значит наилучшим образом?" (вообще: "что такое — лучше!"). • Для ответа необходимо научиться: • - оценивать результаты целенаправленной деятельности; • - сопоставлять их с поставленными задачами и сопутствующими их решению затратами. Чтобы сравнивать, надо научиться измерять, т.е. иметь: - некоторую количественную меру, характеризующую результат функционирования объекта; - "инструмент" ("мерило"), позволяющий этот результат оценивать. Продолжение вопросов • • • • • • В связи с поставленным вопросом в развитие темы возникают иные естественные вопросы: - что измерять? - чем измерять? - как измерять? - как оценивать? Поскольку проблема состоит в вы боре лучшего из сравниваемы х объ ект ов, то «измерят ь» нуж но их качест во. Что измерять (нч.) • Качество любого объекта в полной мере проявляется лишь в процессе его использования по назначению (в процессе его целевого функционирования). Поэтому наиболее объ ект ивны м являет ся оценивание качест ва объ ект а по эфф ект ивност и его применения. Значит для обоснованного вы бора предпочт ит ельного объ ект а необходимо измерят ь эф ф ект ивност и целевого ф ункционирования сравниваемы х его вариант ов. Измерят ь эф ф ект ивность с этим никто не спорит (в принципе), однако в публикациях даются различные определения эффективности* (или определения вообще не даются и часто непонятно о чём речь). Часто понятие эффективности связывается с различными по сути объектами (операциями, действиями [1.5, 1.6, 1.7], системами [1.8, 1.9, 1.10], устройствами [1.11, 1.12], средствами [1.11, 1.13], техникой [1.14], решениями [1.15] и проч. [1.11, 1.16, 1.17, 1.18]); что хуже - подобные разночтения часто фигурируют в одной и той же публикации. К чему это ведёт? К «девальвации» определяемой проблемы… *Примечание (пример скверного «определения эффективности») • «Эффективность — это научная категория для обозначения единства соответствий, порождаемых действием функциональноцелевой детерминации объективных реальностей. ...Эффективность эффективна применимостью сравнимо измеряемого, ... критериальной объективностью и ... оптимизацией». *Гулько В. Некоторые вопросы методологии теории эффективности. Труды II Всесоюзного симпозиума по АСУ. — Л., 1972. Пример • При решении вопроса об оснащении транспортных судов союзников (Вторая мировая война) зенитными орудиями первоначально в качестве критерия для принятия решения фигурировало соотношение расходов и ущерба, наносимого зенитными орудиями атакующим самолетам противника, последовал вывод о нецелесообразности установки орудий, поскольку связанные с этим расходы значительно превосходили потери авиации противника. Пример (ок.) Однако темп потерь судов союзников от авиации противника рос и проблему рассмотрели иначе - расходы по установке и обслуживанию орудий были соотнесены с предотвращённым с их помощью ущербом транспортного флота (поскольку орудия предназначались для защиты судов, а не для собственно уничтожения авиации противника). Последовал противоположный вывод и было принято противоположное решение - о целесообразности установки орудий, правильность которого подтвердила последующая практика. Подобных примеров известно много. • Очевидно, что правильность решения по организации операции решающим образом зависит от используемого показателя её качества (эффективност и). • Количественное определение эффективности процесса даёт возможность действительно на научной основе, с привлечением самых современных математических методов решать проблему повышения его эффективности: "Сама идея количественного определения эффективности... с полным правом может рассматриваться как поворотный пункт истории науки, сравнимый по своей важности с некоторыми крупнейшими открытиями в физике" [1.2]. Эффективность деятельности определяется качеством решений, принимаемых управляющими органами разных уровней, поэтому важное значение приобретает задача совершенствования принципов и критериев принятия решений. • Проектирование, организация, планирование и в целом управление связаны с рассмотрением будущего и поэтому всегда содержат элемент неопределённости. • • • • • Системный подход Должны учитываться и другие особенности управленческих задач: - необходимая оперативность решения, - недостаточно полная информация для принятия решения, - необходимость учёта социальнопсихологических факторов и др. Следовательно, в основе решения задач проектирования, организации, планирования и управления должен лежать системный подход, предполагающий рассмотрение явлений в их взаимосвязи и взаимообусловленности. Системный подход Объект рассматривается не только во взаимосвязи с другими объектами, но и как система. • Изучение объекта во внешних взаимосвязях позволяет определить цели его функционирования. • Анализ внутренней структуры - оценить пути достижения поставленной цели. • При решении любой из отмеченных выше управленческих задач (проектирование, организация, планирование, управления) основной является проблема выбора (определения) наилучшего (наиболее рационального) решения, называемого оптимальным. • Вариантность Оптимизация предполагает, что имеется целое множество вариантов выбора синтезируемого объекта (систем, проектов, вариантов организации, планов, способов действий, стратегий управления и т.п.), из которых желательно выбрать наиболее предпочтительный (наилучший, оптимальный). Выбор может производиться только путём сравнения различных конкурирующих вариантов (альтернатив). Сравнение может производиться одним из двух способов. Первый способ выбора - это создание и испытание реальных конкурирующих объектов (система процессов, организаций, управлений, ...), в ходе которых производится их экспериментальное сравнение. Применительно к уникальным, сложным, дорогостоящим объектам (системам и процессам) такой путь нереален, так как в современных условиях: - резко возрастает многовариантность технических, проектных, экономических, организационных, управленческих и других решений, - весьма велика цена неверного, ошибочного решения. Второй способ сравнения и выбора (нч.) Поэтому желательно сделать выбор еще до создания реального объекта (априорно), так как после его создания выбирать уже поздно - ресурсы израсходованы. • Второй способ сравнения вариантов основан на построении достаточно адекватных (близких к оригиналу) математических моделей (аналитических или имитационных) реальных объектов и процессов их функционирования и сравнения результатов исследования этих моделей. • • Второй способ сравнения и выбора (ок.) Второй способ вариантного выбора имеет основой методологическую и математическую теорию модельного экспериментирования со сложными объектами (системами и процессами) на базе такого системного (комплексного) свойства процесса функционирования объектов (систем), как его: • - эффективность, • - количественной меры этого свойства показателя эффективности, • - принципа его оценивания - критерия эффективности. Теория эффективности искусственных процессов (далее – процессов функционирования системы (ПФС) и составляет методологическую и математическую основы модельного экспериментирования со сложными объектами (системами и процессами) на базе такого комплексного (системного) операционного свойства целенаправленного процесса функционирования объектов (систем), как его эффективность, количественной меры этого свойства - показателя эффективности и принципа его оценивания - критерия эффективности. Предмет изучения - • • • • • • наиболее общее комплексное свойство ПФС - его эффективность, «проектирование» которой: - формирует и раскрывает содержательный смысл самого понятия, - рассматривает факторы, обусловливающие эффективность ПФС, - обосновывает принципы и способы определения количественной меры эффективности ПФС показателя эффективности, - обосновывает принципы суждения об эффективности ПФС - критерии эффективности, - формулирует проблемы и задачи, требующие решения при проектировании СТС, - разрабатывает необходимые методы решения. Научное направление "Теория эффективности" (ТЭ) зародилась в военном деле и, в частности, в теории стрельбы, предметом которой является оценивание действенности применения огнестрельного оружия. Заметное развитие теории эффективности происходит в годы Второй Мировой (Отечественной) войны. ТЭ и «исследовании операций» • Особенно сильное развитие ТЭ получила во второй половине двадцатого века в основном при «исследовании операций», представляющем собой научное направление, предмет которого — анализ и оптимальная организация операций (ПФС) на этапе принятия организационных и управленческих решений. С этого времени в ТЭ прочно вошёл наиболее объективный и информативный показатель эффективности применения оружия - вероятность выполнения боевой задачи Р ВЗ (т.е. вероятность достижения цели операции Р ДЦ). Причины повышенного интереса к ТЭ при проектировании объектов военного и двойного назначения: - исключительно высокая поражающая способность; (Например, залп современной ракетной части по мощности намного превосходит мощность всех огневых средств любой из воюющих сторон во Второй мировой войне, следовательно крайне высока ответственность лиц, принимающих решение (ЛПР) о применении оружия и организующих это применение). Причины повышенного интереса к ТЭ: - большая и всё возрастающая сложность и стоимость вооружения. (Сейчас мощь вооружённых сил особенно зависит от экономики: «… армия и военный флот... стоят чертовски много денег" (Ф.Энгельса "Анти-Дюринг"). Поэтому необходимо чтобы: • - вооружение, создаваемое на выделенные средства, и способы его боевого применения были наиболее эффективными (действенными); • - вооружение было относительно экономичным (материальные затраты - приемлемыми). (Ок.) Причины повышенного интереса к ТЭ (ПФС): достижение в интересах общества наибольших результатов при допустимых затратах, т.е. дост иж ение максимальной эффект ивност и целевого функционирования всех отраслей народного хозяйства есть непрелож ны й закон государст венного ст роит ельст ва. Важность изучения ПСС (нч.) • Изучение ПСС интегрирует знания, сведения, результаты, полученные в других дисциплинах, являясь связующим звеном между общеинженерными и специальными дисциплинами, с одной стороны, и проектно -специальными - с другой, так как наиболее тесно совместно используются оперативнотактические и эксплуатационно технические характеристики СТС и проводимых ими операций. Важность изучения ПСС Изучение дисциплины «Проектирование сложных систем» имеет чрезвычайно важное значение по следующему ряду причин. • Она развивает у будущего проектировщика системное мышление, прививает навыки комплексного подхода к исследованию процессов целевого функционирования (ПФС) сложных технических систем (СТС) на всех этапах их жизненных циклов от разработки и проектирования до эксплуатации (с последующей утилизацией). • Важность изучения ПСС (Ок.) • Только на основе всесторонней, комплексной оценки конкурирующих вариантов можно выработать решение, компромиссное по отношению к различным аспектам проблемы, но максимально соответствующее целям исследуемой программы в целом. ПСС (на базе ТЭ ПФС) формирует у инженеров – проектировщиков объектов двойного и специального назначения способность "видеть за деревьями лес". Источники • 1.1 Словарь русского языка / Под ред. С.И. Ожегова. - М.: ГИИНС, 1953.-848 с. • 1.2 Гуд Г.Х., Макол Р.Э. Системотехника (введение в проектирование больших систем).- М.: Сов. радио, 1962.- 383с. • 1.3 Петухов Г.Б. Основы теории эффективности целенаправленных процессов. Часть 1. Методология, методы, модели. Учебник. - МО СССР, 1989.-660 с. • 1.4 Актуальные проблемы теории эффективности /А.Я. Иоффе, Л.М. Морозов, Г.Б. Петухов, P.M. Юсупов. - МО СССР, 1977.-37 с. • 1.5 Абчук В.А., Суздаль В.Г. Поиск объектов. - М: Сов. радио, 1977. - 334 с. • 1.6 Акоф Р., Эмери Ф . О целеустремленных системах. - М.: Сов. радио. 1974.-272 с. • 1.7 Вагнер Г. Основы исследования операций. - М.: Мир, т. I, 1972, 239 е.; т. И, 1973,488 е.; т. III, 1973, 501 с. • 1.8 Гличев А.В. Экономическая эффективность технических систем. - М.: Экономика, 1971. - 270 с. • 1.9 Надежность и эффективность в технике. Справочник, T.I /Под ред. А.И. Рембезы. - М.: Машиностроение, 1986. - 223 с. Источники • 1.10 Окунев Ю.Б., Плотников В.Г. Принципы системного подхода к проектированию в технике связи. - М.: Связь, 1976. - 183 с. • 1.11 Основы исследования операций в военной технике / Под ред. Ю.В. Чуева. – М.: Сов. радио, 1965. - 591 с. • 1.12 Чумаков Н.М., Серебряный Е.И. Оценка эффективности сложных технических устройств. - М.: Сов. радио, 1980. - 191 с. • 1.13 Чуев Ю.В. Исследование операций в военном деле. М.: Воениздат, 1970.-256 с. • 1.14 Петров В.А., Медведев Г.И. Системная оценка эффективности новой техники. - Л.: Машиностроение, 1978. - 256 с. • 1.15 Нарусбаев А.А. Введение в теорию обоснования проектных решений. - Л.: Судостроение, 1976.-223 с. • 1.16 Дружинин В.В., Конторов Д.С. Идея, алгоритм, решение. - М.: Воениздат, 1972.-326 с. • 1.17 Лебедев В.В., Кругов В.А. Техническая эффективность пилотируемых космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1985. – 253 • 1.18 Модели и методы анализа экономических целенаправленных систем / Под ред. К.А. Банриновского и ЕЛ. Берлянда. Новосибирск: Нау­ка, 1977.-238 с. Далее Л.2