CC BY
119
Юрков Н.К.
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Традиционный путь от конструкции - к технологии во многом устарел, т.к. именно современные технологии во многом определяют конструктивное решение синтеза сложных наукоемких промышленных изделий (СНПИ). Структура предприятия меняется от традиционной иерархической к сетевой структуре, в которой определяющими факторами являются наличие ресурсов, современных технологических процессов и умение ими распоряжаться. В современной сложной системе создания СНПИ технология изготовления во многом является определяющим фактором для процесса проектирования конструкции.
В этой связи проектированием СНПИ должно вестись не по иерархическому, а по сетевому принципу, в котором техническое задание передается сразу на этапы как конструкторской, так и технологической подготовки производства. В варианте традиционных иерархических отношений рассчитывать на существенный выигрыш эффективности проектирования не приходится. В настоящее время необходимо иметь современные системы в различных предметных областях и видах обеспечения процесса синтеза СНПИ.
Специфика процесса проектирования конструкций и технологических процессов производства радиоэлектронных средств (РЭС) заключается, главным образом, в его многоплановом характере. Здесь возникают задачи исследования процессов различной физической природы, задачи проектирования и производства широкого класса объектов — от многослойных структур интегральных схем до сложных нестационарных комплексов РЭС.
В математической постановке рассматривается система N моделей, каждая которых определяется функционалом Ф(р±), 1=1,...^ где р± — переменные проектирования (управления). Выбор управлений определяется заданными возмущениями г и переменными состояниями д1. В свою очередь, состояние модели (или отклик модели) зависит от возмущений и параметров модели. Если определены множества заданных или допустимых управлений Р± переменных состояния 0± возмущений К±, то для 1-й модели задача состоит в отыскании таких значений переменных, которые доставляли бы экстремум функционалу Ф1. Однако, как уже отмечено, система моделей имеет общий функционал Фо (Р1, Р^, и параметры системы моделей
должны доставлять экстремум функционалам Ф1, Фо с учетом заданных условий. В процессе решения проектных задач результаты исследования и оптимизации 1-й модели может изменять условия для других моделей (например, ограничивать допустимые значения переменных). Здесь возможны случаи, когда оптимальное решение исходной задачи для отдельной модели может оказаться предпочтительнее оптимального решения для измененной задачи. Однако во имя общей цели приходится поступиться частью «интересов» модели. В определенном смысле можно говорить об эволюции обобщенной модели, ее адаптации к среде функционирования.
С позиций системного анализа жизненный цикл изделия рассматривается как некоторая система, где входные (X) и выходные (У) данные, внутренние параметры (0) и параметры воздействия (К) связаны функциональной зависимостью вида
У = У (X, 0, К).
К входным данным можно отнести данные технического задания. Группу внутренних параметров (или переменных состояния) составляют параметров изделия, режимы технологического процесса, условия эксплуатации. Параметры воздействия (управления) включают в себя условия, требования, критерии ограничения, накладываемые на проектирование, изготовление, эксплуатацию. Данные об эксплуатации, методах и средствах проектирования, изготовлении рассматриваются как выходные.
Совокупность взаимосвязанных моделей как система может быть поставлена в соответствие жизненному циклу изделия, т. е. можно говорить о соответствии жизненного цикла системы моделей жизненному циклу изделия. Проектные решения, принятые на уровне моделей, реализуются затем на этапах жизненного цикла изделия. Образно говоря, система математических моделей является информационным «двойником» изделия и его жизненного цикла. Процесс совершенствования системы моделей и изделия, по сути дела, неразделим и управляется изменением воздействий.
На основе технического задания производится выбор варианта проекта — либо выбирается имеющийся в банке данных прототип конструкции и соответствующая ему система моделей, либо разрабатывается новый вариант и формируется система моделей. Одновременно лицо, принимающее решение (ЛПР), формирует систему условий, требований, ограничений, включающую данные о задачах проектирования и целевых функциях, материальных ресурсах и условиях производства, предельно допустимых параметрах (материалов, элементов, процессов), среде функционирования. Фактически для каждой модели формируются функционалы и ограничения. Если параметры моделей не удовлетворяют определенным ограничениям (например, некоторые характеристики выбранных материалов не соответствуют заданному множеству переменных проектирования), то вносятся соответствующие коррективы. При выполнении ограничений реализуется этап исследования и оптимизации моделей объекта проектирования.
Успех в решении проектных задач во многом определяется выбранной схемой взаимодействия моделей.
В процессе оптимизации моделей в каждом итерационном цикле производится сравнение показателей моделей (переменных состояния) с допустимыми значениями. При невыполнении ограничений производится выбор новых переменных проектирования (из заданного множества) и корректировка моделей, после чего цикл повторяется.
Для остальных моделей системы результаты исследования и оптимизации каждой модели используются в качестве дополнительных ограничений, условий, и в этом состоит сущность взаимодействия моделей — как моделей подсистем объекта проектирования, так и моделей объекта с технологическими моделями. В процессе такого взаимодействия происходит, в определенном смысле, эволюция обобщенной модели объекта проектирования, ее адаптация к среде функционирования.
Аналогично реализуется формирование, исследование, оптимизация моделей и при проектировании технологического процесса. Здесь производится проверка ограничений, связанных с материальными ресурсами, оборудованием, технологическими режимами, условиями производства.
При невозможности выбора новых переменных в тех или иных моделях либо невозможности выполнения ограничений выбирается альтернативный вариант проекта. Окончательный выбор вариантов, с учетом результатов исследования, моделей, экспертных оценок, производит ЛПР. При необходимости оценка проектных решений может быть проведена экспериментально.
Результатом исследования и оптимизации моделей является проектная документация, содержащая полную информацию об объекте проектирования и технологическом процессе его производства. Форма представления документов может быть различной.
Построение моделей сложных систем включает в себя два этапа: формирование описания предметной
области и концептуальное проектирование.
На первом этапе осуществляется описание фрагментов предметной области, видимых отдельными пользователями или релевантных отдельным задачам технологического проектирования, в понятийном, функци-
ональном и информационном аспектах. Такое описание выражено обычно в естественном для пользователя виде [1].
На втором этапе формируется обобщенная семантическая структура предметной области, называемая концептуальной моделью и выражающая обобщенную точку зрения пользователей на предметную область в терминах выбранного формального представления. Содержание этих этапов менялось вместе с развитием информационной технологии проектирования систем обработки данных, в процессе которого можно выделить три поколения систем:
информационные системы, базирующиеся на прикладных базах данных;
информационные системы, базирующиеся на предметных базах данных;
интеллектуальные информационные системы.
Основное содержание информационных систем первого поколения связано с проектированием баз данных, адекватных отдельным приложениям. Концептуальная модель для таких баз данных является промежу-
точным средством отображения информационных потребностей пользователей в типовые СУБД-ориентированные конструкции, фиксирующие состав элементов данных для выполнения требований и отношения ассоциации между ними.
Предметные базы данных, являющиеся ядром информационных систем второго поколения, создаются на основе устойчивых связей в предметной области и являются фактически информационными моделями предметной области, а не только решаемых в ней задач. Назначение концептуальной модели для таких баз данных остается прежним, но методика построения меняется. Концептуальное проектирование начинается с построения системной модели, выражающей общие закономерности (объекты и связи между ними) в предметной области. В процессе такого построения (обобщенной модели) системная модель «обрастает» элементами данных, необходимых для реализации различных приложений.
В настоящее время развивается так называемая «новая информационная технология» [2]. Один из ее принципов заключается в том, что информационные системы становятся доступными для использования программистски неподготовленными специалистами: технологами-управленцами, плановиками и др. В условиях этой технологии им обеспечивается непосредственный доступ к системам без всякого рода посредников (программистов, математиков). Меняется роль концептуального проектирования. Концептуальная модель становится основой интеллектуального интерфейса между пользователем и базой данных, а именно
- семантической моделью предметной области, хранящей фрагменты знаний об объектах, предметах, явлениях и их взаимосвязях. Кроме того, такая семантическая модель содержит необходимую информацию для работы лингвистического процессора (словари терминов, синонимов, типовые языковые конструкции).
В связи с этим можно сформулировать следующие основные требования к концептуальной модели базы данных [3]:
понятность для пользователей и удобство использования для проектирования баз данных; отображаемость в типовые СУБД-ориентированные конструкции баз данных; высокие семантические возможности описания предметной области;
наличие эффективных средств манипулирования элементами концептуальной модели;
возможность описания лингвистических знаний и их связей с базовыми семантическими объектами модели;
адаптируемость на условии конкретного применения и расширяемость в процессе функционирования; машинная реализуемость в виде интерфейса «пользователь - база данных».
Помимо наличия в составе информационной системы интеллектуального интерфейса, новая технология предполагает также существование автоматизированных средств настройки семантической модели на конкретную область и спектр решаемых задач. Это вызвано двумя обстоятельствами: во-первых, сложностью семантической модели и, следовательно, трудоемкостью ее проектирования, и, во-вторых, обеспечением возможности пользователем самим осуществлять такую настройку, практически, без участия различных посредников.
Таким образом, можно сформулировать основные положения автоматизации построения концептуальной модели [4].
Концептуальная модель (КМ) рассматривается одновременно как средство проектирования баз данных и как основа интеллектуального интерфейса «пользователь-база данных».
Исходное описание предметной области пользователями по форме приближено к естественной, а по содержанию охватывает все разновидности знаний о предметной области (понятийные, информационные, функциональные).
Процесс проектирования концептуальной модели по исходному описанию полностью ориентирован на компьютерную реализацию, требующую привлечения экспертных знаний.
Концептуальная модель предметной области (КМПО) служит для формализации представления объекта и анализа требований к системе его моделирования. Это позволяет разделить систему требований и проект реализации, описать модель поведения объекта в терминах предметной области, обосновать правила и процедуры принятия решений и провести оценку принимаемых решений, рассмотреть механизм распределения ресурсов [5]. В КМ декларируются классы элементов предметной области (объектов, процессов, ресурсов), отношения между ними, их атрибуты, ограничения. Степень детализации описания элементов КМ зависит от решаемых задач.
Схемой концептуальной модели предметной области называется кортеж:
^кмис = < Р, О, Нр, Но, 1п, Ои1, б > , (1)
где Р = {р1} - множество процессов обработки информации;
О = {о^} - множество информационных объектов КМПО (данных);
Нр, Но - отношения иерархии процессов и информационных объектов;
1п: Р ^ В(О) - отношения «входные информационные объекты процесса - процесс»;
ОиС: Р ^ В(О) - отношения «процесс - выходные информационные объекты»; б - отношения следования процессов.
Описываемые в схеме модели предметной области отношения устанавливаются между некоторым процессом (объектом) и некоторым подмножеством множеств Р и О (элементом В(Р), В(О), где В(*) - булеан).
Отношения иерархии Нр, Но устанавливают соответствие между отдельными процессами (объектами) и множествами подчиненных им процессов (объектов). Интерпретация иерархических отношений зависит от их типа - атрибута отношения иерархии. Отношения иерархии представлены в форме функциональных отображений, частично определенных на множествах Р и О, областями значений которых являются В(Р) или В( О).
Последний компонент схемы КМПО - отношения следования, задающие частичный порядок выполнения процессов:
Б Р ^ В ( Р), {рш } = Б (Р1 ), (2)
где {рш} - множество процессов, выполнение которых должно строго предшествовать выполнению некоторого процесса р1 (рш £ б(р1 )).
Каждый из перечисленных в (1) компонентов схемы модели предметной области имеет свою семантическую интерпретацию. При обсуждении КМПО можно говорить о двух различных видах интерпретации - декларативной и процедурной. Их взаимная непротиворечивость позволяет совместить оба подхода и использовать первый при построении описаний предметной области, а второй - при получении на их основе процедурных спецификаций и самих алгоритмов.
Каждой тройке «входные объекты процесса - процесс - выходные объекты процесса» может быть поставлено в соответствие предложение вида (3), являющееся аналогом предложений вычислимости, рассматриваемых в [6].
р1
1п (р1) . оиЬ (р1) . (3)
Предложение вычислимости (3) в концептуальной модели предметной области рассматривается в двух аспектах: как аксиома вычислимости для процессов самого нижнего уровня иерархии, и как теорема вы-
числимости для процессов промежуточных уровней иерархии, существование доказательства которой является одним из условий корректности модели, проверяемых в ходе анализа разрешимости КМПО.
Описание предметной области в виде И/ИЛИ графа позволяет путем выделения фрагмента предметной области формировать корректные задания на проектирование и исполнение конкретного варианта моделирования. Последующие этапы представления концептуальной модели определяют автоматический переход к функциональной спецификации и построению системы алгоритмов моделирования.
На концептуальном уровне обеспечивается интерфейс между: заказчиком - разработчиком и предметной областью - архитектурой системы. Интерфейс заказчик - разработчик определяет функциональный проект
- информационный объект, который содержит описание проблемы и может быть положен в основу задания на проектирование и разработку. Это обеспечивает единую терминологическую базу, средства общения между заказчиком и разработчиком, определяет программную поддержку информационных, языковых функций, средств анализа и моделирования.
Интерфейс предметная область - архитектура системы включает вопросы отображения задач предметной области на архитектуру системы, которая выступает как ресурс для выполнения поставленных прикладных задач. При этом как сама предметная область, так и архитектура системы представлены с некоторой степенью абстракции, достаточной для получения основных результатов. Это обеспечивает возможность взаимодействия между системным аналитиком и разработчиками программных средств, обоснованный выбор технических средств.
Методика концептуального анализа включает [7]: выделение понятий (объектов) предметной области; определение отношений между объектами;
определение действий (процессов), ведущих к достижению результата, и условий получения результатов;
формализацию понятий предметной области в виде концептуальных моделей; формирование системы целей, достигаемых проектируемой системой; формирование системы функций и данных, обеспечивающих достижение целей;
определение системы алгоритмов, соответствующей системе целей и функций, и выбор необходимого уровня ее детализации;
формирование системы исполнителей, обеспечивающих достижение целей, с заданными требованиями и ограничениями на их реализацию.
Назначение технической системы определяется целью ее создания. Она характеризуется целесообразностью, практической осуществимостью, выступает как способ интеграции действий в систему. Формирование цели и определение способов ее достижения выполняются специалистами - постановщиками и разработчиками. Существует сходство терминов «цель» и «понятие», поэтому описание системы целей объекта исследования может выступать как описание предметной области.
Декомпозиция предметной области в виде дерева целей выполняется в соответствии с требованиями функционально-целевого подхода:
формулировка целей должна описывать желаемые результаты, а не процесс их достижения; глобальная цель развертывается в иерархическую структуру конкретных подцелей, необходимых и достаточных для достижения целей более высокого уровня иерархии;
подцели одного уровня должны быть независимы и не сводиться друг к другу;
декомпозиция прекращается при достижении некоторого элементарного уровня - уровня примитивов -задач, неделимых с точки зрения достижения глобальной цели.
Нижний уровень декомпозиции в концептуальной модели - уровень примитивов - задает структурно неделимые компоненты модели, которые в реальности могут соответствовать географически сложным составным частям объекта. Возможна и обратная ситуация, когда одному элементу в ГИС-отображении соответствует функционально сложный элемент КМ.
Количественные характеристики в КМ задаются для отдельных процессов и объектов и позволяют определять показатели надежности, эффективности проектируемой системы в целом на основе значений, заданных для отдельных ее компонентов. К числу характеристик относятся надежностные, временные, емкостные показатели, интерпретируемые в зависимости от вида элемента модели, к которому они принадлежат (объект или процесс) и от положения, занимаемого этим элементом в иерархической структуре (лист дерева или промежуточный уровень иерархии).
Для концептуальных моделей определены допустимые подмножества структур и разработаны алгоритмы анализа целостности моделей. Для фрагмента КМПО, характеризующего некоторый выбранный процесс модели, введено понятие «шаблон». Шаблон определяет преобразование входных объектов в выходные, выполняемое процессом, а также способ его реализации на следующем (нижнем) уровне иерархии [8]. Совокупность представленных в КМПО знаний может быть признана корректной, если на различных уровнях иерархии в модели действительно представлены спецификации одного и того же процесса. Использование шаблона позволяет упростить задачи анализа модели, сводить оценку корректности всей модели в целом к последовательному рассмотрению корректности отдельных ее фрагментов - шаблонов описания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Юрков Н.К., Блинов А.В., Трусов В.А. Иерархическая модель системы технологического проектирования. Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС. Межвуз. сб. науч тр., Пенза, Изд-во Пенз. гос. ун-та. 2000, Вып.9. с. 241-247
2. Юрков Н.К. Автоматизированные и информационные технологии и аппаратура. Учебное пособие. Рекомендовано Министерством образования РФ в качестве учебного пособия. Пенза, изд-во Пенз. гос. унта, 2000. - 172 с.
3. Юрков Н.К., Блинов А.В., Якимов А.Н. Иерархическая модель системы технологического проектирования. Измерительная техника, М.: 1999, № 5. с. 17-20
4. Юрков Н.К. Функционально-целевой подход к синтезу систем управления интегрированными производственными комплексами. Измерительная техника, М.: 1999, N 7, с. 19-22
5. Путилов В.А., Фильчаков В.В. Фридман А.Я. САSE-технологии вычислительного эксперимента. -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1994. Т.1 - 249 с. Т.2. - 169 с.
6. Тыугу Э.Х. Концептуальное программирование. -М.: Наука, 1984. - 255 с.
7. Концептуальное моделирование информационных систем. Под ред. В.В.Фильчакова. - СПб: СПВУРЭ
ПВО, 1998. - 356 с.
8. Юрков Н.К., Юркова А.В., Разживина Г.П. Информационная модель принятия решений управления сложными системами. Труды междун. симпоз. "Надежность и качество", Изд-во ПГУ, Пенза, 2000. с. 219221
