ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Термины определения

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]; • проектирование 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 функционирования 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 оценивать? Поскольку проблема состоит в выборе лучшего из сравниваемых объектов, то «измерять» нужно их качество.

Что измерять (нч. ) • Качество любого объекта в полной мере проявляется лишь в процессе его использования по назначению (в процессе его целевого функционирования). Поэтому наиболее объективным является оценивание качества объекта по эффективности его применения. Значит для обоснованного выбора предпочтительного объекта необходимо измерять эффективности целевого функционирования сравниваемых его вариантов.

Измерять эффективность 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 функционально целевой 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 (эффективности). •

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 социально психологических 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 РВЗ (т. е. вероятность достижения цели операции РДЦ).

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. достижение максимальной эффективности целевого функционирования всех отраслей народного хозяйства есть непреложный закон государственного строительства.

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 оперативно тактические 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. 383 с. • 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: Нау ка, 1977. 238 с.

Далее Л. 2