Моделювання та аналіз проектних рішень систем управління спеціального призначення

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО “ХАІ”

УДК 681.322

Моделювання та аналіз проектних рішень систем управління спеціального призначення

Спеціальність 05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Латкін Матвій Олексійович

Харків 2000

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі автоматизованих систем управління Державного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”.

Захист дисертації відбудеться 31 березня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.01 в Державному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” (61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” (61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17).

Автореферат розіслано 24 лютого 2000 р.

комп'ютерний проектування управління

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Процес створення складних технічних систем, до яких належать системи обробки інформації та управління спеціального призначення, є складним і тривалим. Помилки проектувальника, які виникають на початкових етапах розробки, призводять до необхідності багаторазового перепроектування, тобто до невиправданих економічних та часових витрат. Таким чином, виникла необхідність аналізу та контролю проектів систем управління спеціального призначення (СУСП) для зменшення імовірності прийняття нераціональних технічних рішень.

СУСП відносяться до класу організаційно-технічних систем, які характеризуються великою размірністю та розподіленістю у просторі, великими обсягами передаваємої та обробляємої інформації, паралельністю виконання процесів обробки інформації, функціонування та управління, процес управління в яких має людино-машинний характер і здійснюється в багатозадачному режимі колективного використання.

До класу СУСП належить наземний автоматизований комплекс управління космічними апаратами (НАКУ КА), який створюється у відповідності з планами Державної космічної програми України. Дослідження з аналізу проектних рішень розробника НАКУ КА, з метою уникнення додаткових фінансових та матеріальних витрат на перепроектування, має велике значення для народного господарства України.

Очевидно, що для вирішення ціх проблем необхідне застосування засобів комп'ютерної техніки, використання якої суттєво знижує трудомісткість, збільшує якість, ефективність процесу проектування та аналізу проектних рішень СУСП.

Аналіз державних та галузевих керівних матеріалів, що регламентують процес розробки складних технічних систем, показав, що вони не досить чітко та послідовно регламентують процес отримання технічних рішень. Тому перед замовником виникають проблеми контролю рішень розробника на початкових етапах проектування.

На сьогодні відсутні технологія та iнструментарій аналізу та контролю проведення розробником передпроектних НДР складних технічних систем, що пов'язано з труднощами системного подання, невизначеністю вхідних даних, відсутністю методик формального опису початкового обліку системи. Існуючі засоби дослідження складних технічних систем не дозволяють створити достатньо адекватні для проектувальника моделі, в яких би враховувалися різні аспекти функціонування та управління, різноманітність можливих структур системи, наявність не одного, а цілого набору критеріїв ефективності, всілякі обмеження та умови.

Тому створення інформаційної технології аналізу та контролю складних систем управління на початкових етапах проектування є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи реалізовані за темами Державної космічної програми України, які виконані в інтересах Національного космічного агентства України (Державне оборонне замовлення НТП №32). Крім того, тематика роботи пов'язана з планами державних бюджетних НДР Міністерства Освіти України (Держбюджетний НДР №302-39/97 від 1.01.97). При роботі над темами автор розробив моделі подання НАКУ КА, які використовуються для подальшого аналізу в задачах проектування окремих підсистем.

Метою роботи є підвищення ефективністі та якісті процесу проектування на початкових етапах створення СУСП шляхом розробки методів, моделей для комп'ютерного аналізу та контролю проектних рішень. Для досягнення поставленої мети необхiдно вирішити такі задачі: провести аналіз процесу проектування СУСП; виконати аналіз методів та підходів, що використовуються при дослідженні СУСП; вибрати найефективніші методи аналізу та контролю проектів СУСП, що базуються на комп'ютерних технологіях проектування; розробити методи та моделей стратифікованого подання СУСП; розробити комп'ютерну систему для дослідження проектів СУСП; застосувати запропонований підхід при аналізі та контролі проектних рішень стосовно НАКУ КА; впровадити результати досліджень в практику проектування СУСП.

Методи дослідження. Основним методом, який забезпечує досягнення поставленої мети, є системний аналіз. Даний метод використовується для структуризації моделей СУСП, аналізу процесів проектування, контролю та оцінки рішень розробника на початкових етапах проектування СУСП.

Для наочного опису моделей СУСП на всіх стратах подання використовується теорія множин та теорія графів. Для формалізованого логічного подання моделей СУСП використовується теорія алгоритмів. Для формування динамічних моделей СУСП, а також для розрахунку характеристик застосовуються методи теорії імітаційного моделювання. Комп'ютерне подання моделей СУСП базується на основних поняттях та принципах об'єктно-орієнтованого програмування та CASE-технологіях.

Наукова новизна виконаного дослідження полягає в такому:

Вперше побудовано структуроване алгоритмічне подання СУСП, яке базується на використанні відомого математичного апарата регулярних схем алгоритмів.

Удосконалено - методи формування системної моделі за рахунок стратифікованого подання СУСП.

Дістало подальший розвиток - інформаційна технологія системного моделювання та аналізу рішень розробника на початкових етапах проектування СУСП.

Наукови результати отримані автором особисто і є теоретичною основою для вирішення наукової задачі.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень. Обгрунтованість і достовірність побудованих моделей подання СУСП забезпечується коректністю використання сучасних методів дослідження, пов'язана з накопиченими знаннями та досвідом автора в галузі аналізу складних технічних систем. Достовірність розроблених методів формування та аналізу СУСП підтверджується результатами, які були отримані при проведенні у дисертаційній роботі експертно-моделюючих досліджень НАКУ КА. Запропоновані моделі та методі об'єктивно відображають процес проектування складних систем управління, ефективність яких підтверджується позитивним досвідом впровадження результатів роботи в практику аналізу та контролю проектуемих СУСП.

Наукове значення роботи. Запропоновані у дисертаційній роботі методи та моделі дозволяють проводити науково-обгрунтований аналіз проектних рішень розробника на початкових етапах створення складних систем управління. Істотний розвиток отримали методи формування системного подання складних систем управління та методи комп'ютерної обробки, які складають інформаційну технологію дослідження проектів СУСП. Доповнені існуючи наукові знання в галузі автоматизо-ваного проектування складних технічних систем.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені моделі, методи та алгоритми реалізовано у вигляді пакета прикладних програм, за допомогою якого проведено аналіз і контроль проектних рішень стасовно НАКУ КА. Результати роботи можна використати для аналізу та контролю проектів складних технічних систем різного призначення. Результати дисертаційної роботи впроваджено в НДІ радiотехнічних вимірювань, м. Харків, акт впровадження - додаток В.

Науково-технічний ефект дисертації полягає у підвищенні ефективності та якості процесу проектування складних систем управління, удосконаленні методів контролю проектних рішень розробника. Економічний ефект забезпечується зниженням матеріальних та фінансових витрат на проектування систем, скороченням термінів розробки складних систем управління. Соціальний ефект пов'язан з автоматизацією процесу аналізу та контролю на системних етапах проектування, що дозволяє зменшити ризик прийняття помилкових рішень.

Особистий внесок здобувача, в роботах, виконаних у співавторстві, полягає у наступному:

В роботі [1] розроблено методи аналізу організаційної структури управління, пріведені крите-рії оцінки ефективності організаційної структури; в роботі [2] запропоновані моделі формування та аналізу систем управління спеціального призначення; в роботі [3] розраховано методи формування імітаційної моделі організації процесів функціювання та управління у складних технічних системах; в роботі [4] запропоновано механізм проведення моделювання процесів управління в складних виробничих системах; в роботі [5] розроблено методи формування структурних та подійних моделей; в роботі [6] запропонована нова інформаційна технологія, яка містить методи візуального проектува-ння та комп'ютерної обробки; в роботі [7] розроблений механизм перетворення моделей при переході по стратам подання об'екта, що досліджується; в роботі [8] запропоновано застосування математіч-ного апарату алгебри рекурсивних подій при дослідженні систем управління, що проектуються.

Апробація роботи. Основні матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: семінарі наукової ради НАН України з проблеми “Кібернетика”, м. Харків, ХАІ, 1997 р.; 5-й міжнародній конференції "Нові технології у машинобудуванні",Рибаче-Харків, 1996 р.; 6-й міжнародній конференції "Нові технології у машинобудуванні",Рибаче-Харків, 1997 р.; науково-технічних конференціях Державного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, 1996-97 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 друкованих праць у науково-технічних виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Роботу викладено на 137 сторінках машинописного тексту, вона містить 42 рисунка, 2 таблиці, додатки А, Б, В, список викорастаних джерел із 122 найменувань. Структура дисертації відображає послідовність етапів вирішення поставлених задач.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Зміст дисертаційної роботи можна поділити на такі основні частини: аналіз процесу проектування СУСП, засобів та підходів, що використовуються для аналізу та контролю проектів СУСП; постановка задачі дослідження; розробка наочного та формалiзованого опису моделей СУСП; розробка системи правил взаємного відображення моделей СУСП; опрацювання методів аналізу проектів СУСП та формування системної моделі; розробка комп'ютерної системи моделювання; побудова системного подання НАКУ КА; проведення його експертно-моделюючих досліджень.

У вступі наведено: актуальність роботи, зв'язок роботи з науковими темами, мета роботи, методи дослідження, наукова новизна, обгрунтованість і достовірність наукових положень, наукове значення роботи, практичне значення одержаних результатів, публікації за темою роботи, особистий внесок здобувача, апробація роботи.

У першому розділі проаналізовані стадії та етапи проектування СУСП, яка має характеристики великих складних систем. Запропоновано системне подання процесу проектування СУСП. Зроблено висновок про необхідність використання автоматизованих засобів та нових інформаційних технологій для вирішення задач, пов'язаних з контролем та аналізом рішень розробника на початкових етапах проектування СУСП.

Очевидно, і це підтверджує досвід приймання основних етапів розробки проектів, що одним з методів контролю проектних рішень має бути метод експертних оцінок. Експерт, виходячи з накопиченого досвіду, своїх та запозичених знань, дає оцінку проектних рішень розробника. Іншим відомим методом перевірки правильності проектних рішень є метод моделювання, що використовується розробниками при аналізі своїх проектних рішень.

Отже, для оцінки ходу розробки СУСП необхідно застосувати комплекс експертно-моделюючих процедур для контролю правильності проектних рішень по всім рівням декомпозиції та стратам подання на кожному рівні. Під терміном “страта” будемо розуміти відображення певних аспектів, які характеризують властивості, діяльність та поведінку системи.

На основі виконаного аналізу сформульовано таку постановку задач дослідження:

- розробити методи формування та аналізу моделей СУСП;

- розробити комп'ютерну систему моделювання СУСП;

- провести аналіз проектних рішень стосовно НАКУ КА;

- опрацювати рекомендації по використанню запропонованих методів, моделей для аналізу та контролю проектування складних систем.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячено розробці математичних методів формування та подання моделей СУСП.

Виходячи зі складності об'єкта проектування і неможливості відразу описати його повно та достовірно, розробнику пропонується зафіксувати рівні декомпозицiї та запровадити ступінь підпорядкованості рівнів:

Еl -> GrEl -> UnSys -> Sys -> SSys

де Еl - елемент системи;

GrEl - група елементів системи;

UnSys - підсистема;

Sys - система;

SSys - складна система.

Також пропонується система страт, що регламентує послідовність накопичення знань про об'єкт. Відносно СУСП виділено такі страті: цільова, функціональна, організаційної структури, інформаційна, алгоритмічна, комплексу технічних засобів.

Таким чином, маючи опис об'єкта проектування на всіх рівнях та стратах подання, можна оцінити правильність кожного проектного рішення методами побудови системної моделі, методами експертних оцінок, методами iмiтаційного моделювання.

Для автоматизованого контролю СУСП на початкових етапах проектування необхідно сформу-вати комп'ютерну системну модель, яка являє собою сукупність взаємопов'язаних моделей по всім стратам подання СУСП. Процес формування комп'ютерної системної моделі полягає в послідовному переході від словесного опису, що надається розробником, до наочного та формалізованого подання, а потім до комп'ютерного подання моделей на різних стратах та рівнях СУСП (рис. 1).

Рис. 1 Процес формування комп'ютерної системної моделі СУСП

До засобів опису моделей можно висунути такі вимоги:

- наочність подання моделі, легкість побудови комп'ютерними засобами;

- можливисть проведення алгебраічних перетворень над моделямі, у тому числі комп'ютерними засобами.

Крім цього, наочність подання та зручність роботи користувача з моделями на всіх стратах подання СУСП також є основними вимогами до методів і мов подання моделей.

Аналіз об'єкта проектування на різних стратах показав, що для подання інформаційної та алгоритмічної страт необхідно сформувати подійні моделі, для подання решти страт СУСП (цільова, функціональна, організаційна, КТЗ) необхідно сформувати структурні моделі. Структурні моделі описують склад СУСП на певній страті подання. Подійні моделі описують процеси, що відбуваються в СУСП.

Структурні та подійні моделі є взаємопов'язаними, одні є прообразами для інших, як по стратам, так і по рівням декомпозиції проектних рішень. Тому необхідно використовувати єдиний засіб подання структурних та подійних моделей. Для опису структур, що задовільняють вимогам наочності, використовують апарат теорії графів. Для опису подійних процесів використовують апарат регулярних схем алгоритмів (РСА).

В своїх роботах Ілюшко В.М. на основі виконаного порівняного аналізу формалізованих мов опису структур та алгоритмів показав, що найбільш ефективним засобом для опису і перетворення моделей може бути модіфікована мова регулярних схем алгоритмів, зі створенням на його базі регулярних схем системних моделей (РССМ). Враховуючи, що РСА контекстно-вільна регулярна мова, на його базі можна будувати будь-яку іншу регулярну мову, у тому числі мову опису моделей. Було запропоновано: система аксіом тотожних перетворень алгоритмів; правила рівнозначних перетворень алгоритмів из ГСА, ЛСА, МСА в РССМ; операції склеювання и розчленування алгоритмів; побудова мінімального узагальненого алгоритма.

Формування наочного подання структурних та подійних моделей об'єкта проектування здійснується “згори-вниз”.

Наочне подання структурних моделей СУСП виконується таким чином.

1. Фіксуємо елемент на рівні SSys і проводимо його декомпозицію на елементи рівня Sys, на основі словесного опису, який надається розробником: .

2. Присвоюємо кожному елементу рівня Sys значення вузла графа . Будуємо систему вузлів графа .

3. Одержуємо графове подання структурної моделі на рівні систем:

4. Діючи відповідно п. 1-3, і вставляючи підграфи послідовних рівней декомпозиції в граф верхнього рівня, одержуємо графове подання структурної моделі на рівні підсистем, груп елементів, елементів.

Наочне подання подійних моделей СУСП виконується таким чином.

1. Фіксуємо елемент на рівні SSys і проводимо його декомпозицію на елементи рівня Sys, на основі словесного опису, який надається розробником: .

2. Присвоюємо кожному елементу рівня Sys значення вузла графа . Будуємо систему вузлів графа .

3. Розробник має визначити зв'язки між елементами рівня Sys, тобто послідовність їх виконання, починаючи з першого елемента Sys1. Можливі таки варіанти:

а) послідовне виконання елементів: ;

б) паралельне виконання елементів: ;

в) виконання елементів за умовами xk: .

4. Наносимо зв'язки між елементами рівня Sys у вигляді ребер графа на відповідні вузли графа: -> .

5. Одержуємо графове подання подійної моделі на рівні систем:

6. Діючи відповідно п. 1-5, і вставляючи підграфи послідовних рівней декомпозиції в граф верхнього рівня, одержуємо графове подання подійної моделі на рівні підсистем, груп елементів, елементів.

Формування формалізованого подання структурних та подійних моделей об'єкта проектування здійснюється “згори-вниз”, за допомогою мови РССМ.

Формалізоване подання структурних моделей СУСП виконується таким чином.

1. Фіксуємо графове подання структурної моделі на рівні Sys.

2. Ставимо у відповідність кожному вузлу графа -> оператор з РССМ.

3. Оскільки структурні моделі описують склад елементів СУСП на визначеній страті подання, то для зв'язку між операторами будемо використовувати базову операцію кон'юнкції .

Таким чином, формалізоване подання структурної моделі можна записати через оператори РССМ у вигляді: .

4. Діючи відповідно п. 1-3 і вставляючи формалізоване подання послідовних рівней декомпозиції в формалізоване подання верхнього рівня, одержуємо формалізоване подання структурної моделі на рівні підсистем, груп елементів, елементів:

Структурні моделі СУСП в РССМ можна подати у вигляді:

Формалізоване подання подійних моделей СУСП виконується таким чином.

1. Фіксуємо графове подання подійної моделі на рівні Sys.

2. Ставимо у відповідність кожному вузлу графа -> оператор з РССМ.

3. Оскільки подійні моделі описують процеси, яки відбуваються в СУСП на визначеній страті подання, то для зв'язку між операторами , починаючи з оператора , будемо використовувати базові операції:

а) множення - послідовне виконання операторів;

б) кон'юнкція - паралельне виконання операторів;

в) диз'юнкція - умовне виконання операторів.

Таким чином формалізоване подання подійної моделі можна подати через оператори РССМ у вигляді: .

4. Діючи відповідно п. 1-3, і вставляючи формалізоване подання послідовних рівней декомпозиції в формалізоване подання верхнього рівня, одержуємо формалізоване подання подійної моделі на рівні підсистем, груп елементів, елементів:

Подійні моделі СУСП в РССМ можна подати у вигляді:

Важливим аспектом виступає механізм перетворення знань при переході від однієї страті подання до іншої і опис механізма переходу між моделями шляхом формування системи відображень.

Перехід між структурними моделями СУСП здійснюється на основі словесного опису, що надається розробником, і можна подати такою системою правил:

Правило 1. На фіксуємому рівні декомпозиції структурних моделей, елемент однієї моделі Sysi відображається в елемент іншої моделі Sysi': Sysi => Sysi'.

Правило 2. На фіксуємому рівні декомпозиції структурних моделей, множина елементів однієї моделі {Sysi} відображається в елемент іншої моделі Sysi': {Sysi} => Sysi'.

У формалізованому вигляді відображення між структурними моделями пов'язано з відображення вихідного базису операторів в новий базис операторів. Для вирішення цієї задачі введемо бінарне відношення на множинах Y и Z:

Відношення виникає, коли має місце взаємно-тотожна відповідність між елементами множин Y и Z. Наявність взаємно-тотожної відповідності дозволяє одержати відображення структурної або подійної моделі в новий базис шляхом заміни елементів вихідного базису на відповідні елементи нового базису.

Перехід між подійними моделями СУСП пов'язан з накопиченням та перетворенням знань про об'єкт проектування. Використовуючи правила формування подійної моделі, можна одержати алгоритмічну модель СУСП, яка у формалізованому поданні буде записана у вигляді: .

В процесі функціонування СУСП, кожна функціональна задача приймає вхідну інформацію та видає вихідну інформацію. Позначимо в РССМ задачу прийому вхідної інформації оператором Ii, а задачу видачі вихідної інформації - оператором Oi.

Размещено на Allbest.ru