Методологические принципы построения автоматизированных систем (лекция 1) презентация

План лекции:
1. Определение и состав автоматизированной системы
1.1 Функциональная часть АС
1.2 Обеспечивающая часть АС
2. Классификация АС
3. Основные принципы построения АС
4. Этапы разработки АС
5. Задачи, решаемые на стадиях проектирования АС

Определение и состав автоматизированной системы
В соответствии с общепринятым представлением под автоматизированной системой понимается х человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в любых сферах человеческой деятельности». В определении особо следует выделить понятие «человеко-машинная система».

В автоматических системах функции человека сводятся к разработке, отладке и контролю за работой системы. Само же управление осуществляется без участия человека. В автоматизированных системах наличие человека (коллектива людей) в контуре управления является принципиальным. Человек (коллектив людей), является главным определяющим звеном системы управления, поскольку человек принимает решения и несет за них всю ответственность- в этом принципиальная разница между автоматическими и автоматизированными системами.

Система - множество взаимодействующих элементов, объединенных единством цели или общими целенаправленными усилиями. Наличие единой цели - вот что превращает набор элементов в систему.
Элемент системы - часть системы, не подлежащая расчленению на данном уровне рассмотрения. Нас не интересует на данном уровне внутреннее содержание элемента, а интересуют лишь его связи с другими элементами.

Определение и состав автоматизированной системы
При самом общем ("глобальном рассмотрении автоматизирован-ной системы (АС") ее можно представить состоящей из двух частей: функциональная часть АС и обеспечивающая часть АС.

Функциональная часть АС
Автоматизированным системам организационного типа, например таким, как автоматизированные системы управления предприятием (АСУП), системам управления объединением, фирмой, отраслью, присуще наличие очень большого числа различных целей, которые система стремится достичь одновременно. Например, у АСУП могут быть следующие цели: повышение вероятности выполнения плана, снижение себестоимости продукции, повышение качества продукции, выход продукции

на международный рынок, повышение престижа предприятия в административно-территориальном районе и т. п. Между целями могут существовать как взаимоподдержка, так и состязательность. Взаимоподдержка выражается в том, что достижение одной цели способствует достижению другой (или других) целей; состязательность выражается в том, что ради большего достижения других целей приходится поскупиться степенью)достижения данной цели.

В свою очередь, каждая из глобальных целей может быть разбита на некоторое множество локальных целей или целей более низкого уровня. Аналогично, каждая из локальных целей может быть разбита на некоторое множество подцелей следующего уровня иерархии.
Функциональная подсистема - это часть автоматизированной системы, которой поставлена в соответствие одна или несколько целей (подцелей) системы управления.

В свою очередь, каждая из глобальных целей может быть разбита на некоторое множество локальных целей или целей более низкого уровня. Аналогично, каждая из локальных целей может быть разбита на некоторое множество подцелей следующего уровня иерархии.
Функциональная подсистема - это часть автоматизированной системы, которой поставлена в соответствие одна или несколько целей (подцелей) системы управления.

Таким образом, функциональная часть АС - это есть некоторый набор функциональных подсистем. В самом простейшем случае функциональная подсистема состоит из управляющей части и объект0а управления.
Общее представление функциональной подсистемы
Управляющая часть
Объект Управления
Команда
Обратная связь

Управляющая часть воздействует на объект управления посредством выдачи команд, желая привести объект управления в некоторое требуемое состояние.
Команды - это распорядительная информация. Поскольку управляющей части небезразлично состояние объекта управления, то всегда присутствует обратная связь, это -осведомительная информация. Взаимодействие управляющей части с объектом управления осуществляется в некоторой среде, которая в общем случае вредит управлению.

Применительно к АСУП традиционно выделяют следующие функциональные подсистемы (п/с):
- п/с технической подготовки производства;
- п/с технико-экономического планирования;
- п/с оперативного управления производством;
- п/с материально-технического снабжения;
- п/с управления кадрами;
- п/с управления качеством продукции;
- финансовая п/с и т.п.
Цели этих подсистем следуют из их названия.

Применительно к АСУ вузом можно выделить следующие функциональные подсистемы: абитуриент, расписание, текущая успеваемость, экзаменационная сессия и т.п.
Практически в любой функциональной п/с решаются следующие функциональные задачи;
- планирование, т.е. разработка расписания деятельности объекта управления на некоторый календарный отрезок времени;
- задачи контроля (или контроль), т.е. сбор первичной информации о состоянии объекта управления и внешней среды;

- задачи регулирования, т.е. сопоставления собранного круга данных с некоторыми запланированными (или нормативными) величинами;
- задачи выдачи управляющими воздействиями - команды, подаваемые на объект управления в случае отклонения реальных параметров производственного процесса от запланированных или нормативных величин.

Применительно к АСУП управляющие воздействия могут быть:
- экономические (премий, начисление штрафов),
- технологические (введение нового оборудования, изменение существующей технологии),
- административные (объявления благодарностей, административных взысканий и т.д.).
При решении любой из перечисленных глобальных функциональных задач из структуры системы может быть выделена часть, которая обеспечивает их решение.

Обеспечивающая часть АС
Она включает в себя информационное, математическое, лингвистическое, программное и техническое обеспечения. Иногда в литературе обеспечивающую часть называют автоматизированной системой обработки данных (или АСОД) или информационно-вычислительной системой (ИВС).
Информационное обеспечение
Лингвистическое обеспечение
Математическое обеспечение
Программное обеспечение
Техническое обеспечение

Информационное обеспечение применительно к АСУП - это вся информация, используемая для решения задач управления й обработки информации.
Лингвистическое обеспечение - это набор языковых средств, реализующий дружественный интерфейс между пользователем и ЭВМ в целях повышения эффективности общения человека с машиной.

Математическое обеспечение - это набор математических формул, соотношений, алгоритмов, математических моделей, методик, предназначенных для решения задач управления и обработки информации.
Программное обеспечение - это все программы, используемые для решения задач управления и обработки информации с помощью ЭВМ.
Техническое обеспечение - все технические средства, используемые для автоматизированного решения задач управления и обработки информации.

Классификация АС
Мы рассмотрим эту классификацию по виду объекта управления. С этих позиций прежде всего можно выделить два очень больших класса систем - это АСУ технологическими процессами (АСУТП) и АС организационного типа. В АСУТП объектом управления является технологический процесс, понимаемый в широком смысле этого понятия, это собственно технологический процесс, а также, например, процесс управлении полетом ракеты или самолета,

движением корабля, управление химическим процессом или ядерным реактором и т.п.
В организационных системах объектом управления является коллектив людей (предприятие, отрасль, дивизия и т.п.).
Другое различие между этими системами заключается в виде основного носителя информации. В АСУТП этим носителем является сигнал (электрический, механический, гидравлический, радиосигнал и т.п.), в организационных системах основной носитель – документ.

Следующий класс систем - интегрированные системы. Они представляют собой совокупность одной организационной системы и нескольких АСУТП, причем организационная система располагается на верхнем уровне иерархии, а. АСУТП - на одном или нескольких нижних уровнях.
Информационно-поисковые системы (ИПС) - в них объектом управления является процедура поиска требуемой информации в очень больших объемах этой информации. Типичный пример - различные библиотечные системы, системы продажи билетов на транспортные средства и т.п.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) - в них объектом управления является процесс проектирования изделий любой природы (станка, самолета, ЭВМ, АСУ и т.п.).
Следующий класс систем - АС научных исследований и комплексных испытаний (АСНИ). Здесь объектом управления является процесс исследования объекта любой работы (исследования процесса работы двигателя, полета самолета, работы реактора и т.п.).

Гибкие автоматизированные производства (ГАП).ГАП - некоторая производственная единица, функционирующая на основе безлюдной технологии и находящаяся под управлением единой программы. Переналадка производства (естественно, в некоторых пределах) с выпуска одного изделия на другое сводится к замене только программного обеспечения.
Для всех этих классов систем характерны общие черты АС,

а именно наличие всех вышеперечисленных видов обеспечения и человека как основного звена, принимающего решения.
Все вышеперечисленные классы систем оперируют с данными, или, проще говоря, с некоторыми цифрами, хранящимися в памяти системы.
Интеллектуальные системы (экспертные системы) в отличие от предыдущих систем оперируют со знаниями, хранящимися в банке знаний.

Типичные примеры - это медицинские экспертные системы, геологические экспертные системы и т.п. База знаний (или банк знаний) формируется в результате обобщения знаний ведущих ученых, практиков, а также, информации, хранящейся в монографиях, статьях, книгах, и т.п.

Основные принципы построения АС
Накопленный опыт разработки и эксплуатации АС позволяет сформулировать ряд принципов построения этих систем, соблюдение которых является необходимым условием создания эффективных систем. Мы рассмотрим эти принципы применительно к системам управления производством, но они в полной мере приемлемы и к системам других классов:
1. Принцип системного подхода. Это основополагающий принцип. Суть его заключается в том, что проектируемый объект должен рассматриваться с позиций более высокого уровня.

Так, например, проектируемая задача должна рассматриваться с позиций функциональной подсистемы, в которую она входит; проектируемая подсистема - с позиций системы и т.п.
Проектирование автоматизированной системы должно начинаться с тщательного системного анализа объекта управления, управляющей части и внешней среды. Необходимо выяснить все множество факторов, под влиянием которых находится система, а так-же все множество факторов, на которые влияет сама система.

Параллельно с этим необходимо выяснить все множество целей, стоящих перед проектируемой системой. Для каждой цели необходимо разработать один или несколько критериев эффективности, которые являются численной мерой степени достижения целей. Необходимо вскрыть весь комплекс вопросов, которые необходимо решить для того, чтобы проектируемая система наилучшим образом соответствовала бы поставленным целям и критериям эффективности. Применительно к АС организационного управления

производственными процессами в этот комплекс вопросов должны включаться не только технические вопросы; но также вопросы экономические и организационные. Внедрение АС должно сопровождаться усовершенствованием экономических показателей и методов экономического стимулирования, а также изменением существующих и узаконенных форм документов, изменением маршрутов их движения, изменением функциональных обязанностей работников аппарата управления и т.п.

2. Принцип новых задач.
Суть его заключается в том, что совершенно недостаточно ограничиться тем, что переложить на ЭВМ и другие технические средства сложившиеся формы, методы и задачи управления. Главное внимание следует уделить тем огромным возможностям, которые открывает использование современной вычислительной техники и программного обеспечения. Особое внимание следует обратить на те задачи, которые в существующей системе управления вследствие большого объема или вычислительных сложностей не решаются или решаются в неполной степени.

З. Принцип первого руководителя.
Успешная реализация двух первых принципов возможна лишь в том случае, если разработка и внедрение АС находятся в непосредственном ведении первых лиц организации заказчика (директор или главный инженер). При этом на системотехника возлагается задача четкого распределения функций между организацией заказчика и организацией разработчика.

Функциями заказчика являются:
— формулировка целей системы, критериев эффективности, общей концепции системы (совместно с руководящим составом организации разработчика),
— определение приоритетов и очередности ввода различных задач управления (совместно с разработчиками системы),
— участие в разработке информационной базы системы,
— реализация организационных мероприятий (изменение структуры и функций аппарата управления), выделение соответствующих площадей под технические средства системы,

организация финансирования разработки, выделение соответствующих штатных единиц для персонала, обслуживающего разработанную систему.
Функции разработчика (помимо перечисленных выше):
— разработка технического задания на проектируемую систему (совместно с руководством организации заказчика),
— разработка технического проекта (разработка структуры системы, алгоритмов решения задач, информационной базы каждой задачи, выбор комплекса технических средств),

— разработка рабочего проекта (разработка форм документов, разработка рабочих программ, разработка инструкций по эксплуатации),
— внедрение разработанной системы в эксплуатацию (совместно с персоналом, эксплуатирующим систему).

4. Принцип непрерывного развития системы.
Он предусматривает возможность введения новых задач и совершенствования уже внедренных задач без ухудшения качества решения эксплуатируемых задач и тем более без исключения возможности решения хотя бы одной эксплуатируемой задачи, Системы, обладающие этими качествами, называют открытыми системами.
5. Принцип разумной типизации npoeктa.
Разрабатывая столь дорогостоящие изделия, каким является автоматизированная система, системотехник, естественно, стремится к тому,

чтобы предлагаемые им решения подходили бы как можно более широкому кругу заказчиков. Однако типизация, естественно, приводит к ухудшению предлагаемых решений, поскольку она не позволяет учитывать всю специфику объекта управления. На первых этапах разработки АС была попытка разработки универсальной программы для подсистемы материально-технического снабжения. Эта программа оказалась сложной в освоении.

6. Принцип автоматизации документооборота.
В автоматизированных системах совершенно недостаточно ограничиться выполнением расчетов на ЭВМ по тем или иным моделям, необходимо автоматизировать асе стадии обработки информации, а именно сбор первичной информации, ее передачу, обработку, хранение и доведение полученных результатов до конкретных пользователей данной АС.
7. Принцип единой информационной базы.
Суть его заключается в том, что на магнитных носителях

накапливается и постоянно обновляется информация, необходимая для решения не отдельных, а всех задач управления.
8. Принцип однократности ввода и многократности использования информации.
Он непосредственно следует из предыдущего принципа. Информация о любом документе, объекте или событии должна вводиться в систему только один раз. Невыполнение этого принципа приводит к тому, что, например, об одном и том же событии может появиться

несколько противоречивых мнений, что засоряет память системы и неизбежно выводит ее из строя. Многократность использования означает, что на любой уровень управления, от министра до начальника участка, информация должна поступать из единой информационной базы. При этом, конечно, формы представления этой информации, степень ее детализации и т.п. для каждого уровня должны быть различными.
9. Принцип комплексности задачи рабочих программ.
Большинство задач, решаемых в рассматриваемых системах, тесно связаны между собой, например задачи

подсистем технико-эконономического планирования и материально-технического снабжения. Между этими подсистемами идет постоянный обмен информацией и раздельное решение этих задач существенно снижает эффективность всей системы.
10. Принцип согласованности пропускных способностей различных элементов системы.
В простейшем случае я последовательных участков системы пропускная способность каждого последующего элемента должна быть не меньше, чем у предыдущего.

Этапы разработки АС
Чрезвычайно важно при разработке АС соблюдать определенный порядок этой разработки, отражающий многочисленный на-копленный опыт.
Этапы разработки удобно иллюстрировать в виде сетевых графиков, в которых кружки отражают события, а стрелки - действия (процессы, операции). Подробный сетевой график может содержать до тысяч операций, поэтому рассмотрим укрупненный сетевой график

План министерства
Техническое задание
Прием в промышленную эксплуатацию
Технико-Экономическое обоснование
Эскизный проект
Технический проект
Рабочий проект
Прием в опытную эксплуатацию
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
13
14
11
15
16
19
17
18

Операция0>1 . Как правило, разработка АС начинается с предварительного ознакомления с существующей на данном объекте системой управления. Целью этого ознакомления является определение целесообразности разработки АС на данном объекте. Эту работу выполняет группа (4 -5системотехников высшей квалификации) . На этом этапе в самом общем виде формулируются цели предполагаемой АС и намечаются возможные пути повышения эффективности управления за счет автоматизации.

Работа заканчивается предоставлением докладной записки руководству организациям заказчика и разработчика. Этот этап может отсутствовать, если имеется директивное решение вышестоящей организации (министерства, ведомства, фирмы и т.п.).

Операциям1>2-формирование коллективов у разработчика и заказчика. Здесь осуществляется укрупненное изучение существующей системы управления. В работе принимает участие старший состав системотехников. Глобальная цель этого этапа - уточнение целей управления, анализ критериев эффективности, с помощью которых количественно оценивается степень достижения целей. Анализ ограничений как по режимам функционирования системы, так и по ресурсам, необходимым

на ее разработку (финансы, специалисты, техника, время). В результате выпускается документ Технико-экономическое обоснование», утверждаемый у руководства организаций заказчика и разработчика.
Операция 2>3- детальный анализ существующей системы управления. Работа выполняется рядовым составом системотехников. Здесь подробнейшим образом изучается организационная структура автоматизируемого объекта, его функциональная структура, все формы документов, циркулирующих

в процессе управления, все информационные потоки (способы доставки документов, частота поступления каждого документа, трудоемкость обработки каждого документа и т.п.), методы принятия управленческих решений, схема распределения ответственности, нормативная база объекта автоматизации, схема всех материальных потоков, начиная от поступления сырья и полуфабрикатов и кончая доведением готовой продукции до потребителя.

Операция 3>4- разработка технического задания (ТЗ) на создаваемую автоматизированную систему. Т3 содержит описание основных целей создания системы, критериев ее функционирования, назначение и особенности данной системы. В Т3 указывается состав и характеристики комплексов решаемых задач, а также состав информационного, математического, программного, лингвистического и технического обеспечения. ТЗ - это официальный документ, определяющий требования и сроки создания системы.

Т3 в обязательном порядке согласуется и утверждается у руководства организаций разработчика и заказчика.
Операция4>5 - эскизное проектирование системы. Этот этап имеет место только при проектировании систем, не имеющих аналогов. Основные цели эскизного проектирования: проинформировать руководство о возможных проектных решениях, подготовить сотрудников организации заказчика к переобучению, уточнить требования к структуре системы и ее обеспечивающим подсистемам.

Наличие альтернативных вариантов при эскизном проектировании обязательно.
Операция4>6- специализированные группы ведут разработку одной или нескольких функциональных подсистем (перечень задач, их постановка, алгоритмизация, информационный базис и т.п.).
Операция4>7- обоснование и выбор комплекса технических средств.
Операция4>8 - предварительный расчет экономической

эффективности.
Событие 9 - работа всех групп сводится в выпуск технического проекта, его корректировка, согласование, утверждение.
Операция9>10- разработка и отладка рабочих программ.
Операция9>11 взаимосвязанная отладка комплексов программ по задачам.
Операция9>12- разработка и выпуск инструкций по эксплуатации технических средств.

Операция9>13 разработка и выпуск рабочих инструкций для персонала автоматизированной системы.
Операция9>14 - уточненный расчет экономической эффективности.
Событие11 - выпуск рабочего проекта.
Операция11>16 - Если технические средства были подготовленызаранее, то - опытная эксплуатация системы, если нет, то Операция11>15 - монтаж и отладка технических средств.

Операция16>17 опытная эксплуатации системы на подготовленных средствах.
Операция17>18- передача в промышленную эксплуатацию.
Операция18>0 - возможна частичная модернизация и доработка системы.
Если рассматривать процесс создания системы еще более укрупненно, то можно выделить четыре ГОСТированных этапа (стадии):
1 стадия - предпроектная, (ее еще называют стадией Т3), здесь два крупных направления работ - это обследование и выпуск Т3.

2 стадия - стадия технического проектирования. Основные работы: разработка структуры системы, разработка перечня задач, решаемых в каждого функциональной подсистеме, постановка и алгоритмизация задач, обоснование и выбор комплекса технических средств, разработка схемы документооборота, разработка структуры и состава информационного, программного и лингвистического обеспечения, расчет экономической эффективности.

3 стадия - рабочее проектирование. Основные работы: программирование, отладка программ выпуск комплекта программной документации, выпуск инструкций по эксплуатации технических средств, выпуск должностных инструкций, уточненный расчет экономической эффективности.
4 стадия - внедрение. Здесь: опытная эксплуатация системы совместно с разработчиками этой системы. Затем промышленная эксплуатация, выполняемая силами работников объекта автоматизации.

Стадии создания АС
1. Системный анализ проблемной области:
1. Изучение целей проектируемой системы
2. Изучение организационной структуры
3. Изучение источников и потребителей информации
4. Изучение входной, промежуточной и выходной информации
5. Изучение методов обработки данных, решения задач и принятия решений

2. Разработка технического задания
1. Формулировка цели и назначения разработки
2. Формулировка технических требований к общей структуре, автоматизированным подсистемам и задачам, комплексу технических средств, математическому и программному обеспечения, информационному обеспечению, лингвистическому обеспечению, средствам сбора и передачи информации, технологическому процессу обработки информации
3. Формулировка специальных требований
4. Документирование

Табл. 1.5.2 посвящена перечислению задач стадии технического проектирования.
Этапы:
Проработка общесистемных решений
1. Разработка общей структурной схемы
2. Разработка способов сопряжения с внешними абонентами и друг ими системами
3. Разработка общего алгоритма функционирования
4. Документирование

Разработка функциональных подсистем и задач
1. Разработка целевого назначения и общей характеристики подсистемы
2. Разработка функциональной схемы
З. Разработка информационной базы
4. Разработка математической модели
5. Алгоритмизация
6. Документирование

Разработка информационного обеспечения
1. Разработка состава и структуры информационной базы
2. Распределение информации по базам данных
З. Организация обмена данными
4. Организация сбора, передач и обработки информации
5. Разработка системы классификации и кодирования информации
6. Разработка форм документов
7. Документирование

Разработка программного обеспечения
1. Разработка структуры общего программного обеспечения
2. Разработка алгоритмов обмена информацией с внешними абонентами по каналам связи
3. Разработка алгоритмов функционального контроля комплекса технических средств
4. Разработка алгоритмов разграничения доступа к информации
5. Разработка пакета прикладных программ
6. Документирование.

Проектирование комплекса технических средств
1. Обоснование и выбор состава и структуры комплекса технических средств
2. Разработка системы сбора и обработки
3. Разработка системы отображения информации
4. Оценка надежности комплекса технических средств
5. Документирование.

Разработка программного обеспечения
1. Разработка текстов программ
2. Разработка контрольного примера
З. Разработка программной документации: руководства пользователя
4. Документирование

В таблице 1.5.3 приведены основные направления работ, выполняемых на стадии рабочего проектирования
Этапы:
Разработка программного обеспечения
1. Разработка текстов программ
2. Разработка контрольного примера
З. Разработка программной документации: руководства пользователя
4. Документирование

Разработка техпроцесса функционирования объекта проектирования
1. Разработка технологических процессов: сбора и передачи информации, обработки данных, оценки загрузки комплекса технических средств
2. Документирование

Задачи, решаемые на стадиях проектирования АС
Целью данного параграфа является достаточно формальное изложение задач проектирования, распределенных по этапам проектирования. Параграф уточняет, дополняет и детализирует материал предыдущего параграфа. В табл.-1.5.1 приведены основные направления работ, выполняемых на стадии технического задания.