Использование комбинаторно-логических методов структурного синтеза при выборе концепции технического обеспечения автоматизированных систем

УДК 004.032.24

Г.М. Чуркин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМБИНАТОРНО-ЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ПРИ ВЫБОРЕ КОНЦЕПЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Предлагается для расширения методических возможностей концептуального проектирования автоматизированных систем (АС) использовать по возможности различные комбинаторно-логические методы структурного синтеза и формализованные задачи разработки концепции АС рассматривать как задачи выбора процесса принятия решения.

Концепция, проектирование, задачи выбора

G.M. Churkin

A COMBINATORIAL-AND-LOGICAL METHOD TO THE STRUCTURAL SYNTHESIS APPLIED TO DEFINE MAINTENANCE SUPPORT CONCEPTS FOR AUTOMATED SYSTEMS

To expand methodological possibilities for the conceptual design of automated systems (AS), it is proposed to apply a combinatorial-and-logical method of structural

synthesis. It is suggested to consider formalized tasks in defining concepts for automated systems as tasks in the decision-making process.

Concept, design, choice problem

Введение. Стандарты на создание автоматизированных систем (АС) и систем, интенсивно использующих программное обеспечение (Software Intensive Systems, SIS), имеют стадии концептуального проектирования [1, 2].

Так, на этапе 2.3 «Разработка вариантов концепции АС и выбор варианта концепции АС, удовлетворяющего требованиям пользователя» стадии «Разработка концепции АС» ГОСТ 34.601-90 проектировщики «проводят разработку альтернативных вариантов концепции создаваемой АС и планов их реализации; оценку необходимых ресурсов на их реализацию и обеспечение функционирования; оценку преимуществ и недостатков каждого варианта; определение порядка оценки качества и условий приёмки системы; оценку эффектов, получаемых от системы» [1].

В стандарте [2] представлены концептуальный каркас (контекст архитектурного описания, заинтересованные в разработке SIS лица, архитектурная деятельность в рамках жизненного цикла SIS, использование архитектурных описаний), практика архитектурных описаний (документирование архитектуры, идентификация заинтересованных лиц и их интересов, селекция архитектурных точек зрения, архитектурные виды, соответствие в совокупностях архитектурных видов, обоснования архитектур, образцы использования).

От качества решений стадии концептуального проектирования зависит как эффективность системы, так и экономическая составляющая её создания. Более того, неэффективный вариант выбранной концепции не может быть исправлен в дальнейшем.

Несмотря на практическую важность результатов этого этапа проектирования, разработка концепции АС на сегодня часто находится в области интуиции и опыта проектировщиков.

Концепция АС как концепция системы представляет собой определенную систему связанных между собой и вытекающих один из другого взглядов на её архитектуру [2, 3]. По определению IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), архитектура - это базовая организация системы, воплощённая в её компонентах, их отношениях и взаимодействиях между собой и окружением, а также принципы функционирования и развития системы [2, 3].

Формирование концепции АС касается как системы в целом, так и её отдельных компонентов. В [4] в качестве компонентов системы рассматривают элементы структуры, их функции и режимы функционирования, состав видов обеспечения.

В данном случае в качестве компонента будем рассматривать техническое обеспечение, а в качестве аспекта этого компонента - структурный аспект.

При разработке структурного аспекта(структуры) используют различные методы структурного синтеза. Так, методы структурного анализа и проектирования (синтеза) SADT (Structured Analysis & Design Technique) положены в основу взаимосвязанных методик IDEF(Integration Definition for Function Мodeling) функционального, информационного и поведенческого моделирования и проектирования [5-8]. Основу этих методик составляет графический язык описания (моделирования) систем [7]. В е [4] предлагается использовать морфологический синтез для структуризации и формализации процесса формирования структурного аспекта концепции АС.

Эти и другие публикации по обсуждаемой теме не позволяют сформировать представление о других методах структурного синтеза

В работе приводится краткая характеристика методов структурного синтеза и предлагается для расширения методических возможностей концептуального проектирования технического обеспечения АС использовать по возможности различные комбинаторно-логические методы. Формализованную задачу выбора концепции АС предлагается рассматривать как задачу выбора процесса принятия решения. Последнее означает необходимость формирования одного из важных компонентов постановки задачи выбора - конечного множества альтернативных вариантов концепции АС [8, 10].

Подходы к формированию альтернативных вариантов концепции АС

Формирование конечного множества альтернатив, которые реально реализуемы среди возможных, - необходимая часть формализации процесса принятия решений. Эти альтернативы либо могут быть заданы, либо их нужно сформировать.

Процесс формирования вариантов концепции представляют как использование возможных, различных по природе средств создания, концептуальных идей их использования с учётом требований пользователя (рис. 1) [11].

Концептуальные идеи

Возможные средства создания

Формирование концепций

Требования пользователя: социальные, системотехнические, функциональные

Рис. 1. Схема формирования концепций АС

В качестве возможных средств создания могут быть использованы не только средства вычислительной техники [4], но и, например, автоматические устройства различной природы, включаемые в АС.

Концептуальные идеи использования возможных средств создания формируются на основе опыта, знаний и интуиции. Этот процесс открытый, так как под воздействием развития науки, практики и запросов пользователей концептуальные идеи возникают и исчезают.

Формирование какой-либо концепции будем рассматривать как процесс формирования какой-либо определённой архитектуры. Процесс представляет собой проектную процедуру, целью которой является выбор элементов разных уровней по функциональному назначению, взаимодействий и отношений между ними для формирования системы как единого целого. Называют этот процесс синтезом [12].

В [12] приведена одна из возможных классификаций методов синтеза (рис. 2).

Рис. 2. Классификация методов синтеза

При синтезе конструкции материального объекта необходимо определить элементы, отношения и физические взаимодействия между элементами объекта как системы.

Параметрический синтез реализуют при задании структуры и условий функционирования.

Структурный синтез базируется на суждении о том, что синтез любого объекта заключается в определении его структуры (элементов и организации взаимодействий (связей) и отношений между ними). Структуру класса объектов, имеющих одинаковое функциональное назначение, называют обобщенной [12, 13]. При формировании обобщенной структуры осуществляется поиск новых сочетаний элементов, связей и отношений. Отношения и взаимодействия между элементами структуры могут быть бинарными и множественными. Новые сочетания составляют на основе знаний о данной предметной области, анализа существующих решений (аналогов и прототипов) и обобщения опыта проектирования.

Возможность и необходимость формирования конечного множества альтернативных структур зависит не только от функциональной возможности элементов и связей. На выбор структур могут

накладываться дополнительные условия и ограничения, которые отражают как условия физической природы (например, требования технологии, эргономики, технического дизайна и пр.), так и субъективные предпочтения экспертов. Например, приведем часто имеющие место условия [13] для элементов Х1 и Х2:

- Принуждение. Выбор Х1 влечет выбор Х2;

- Необходимость. Условием выбора Х1 служит выбор Х2;

- Бинарный запрет на сочетание. Элементы Х1 и Х2 не могут входить в одно решение;

- Двойное принуждение. Элементы Х1 и Х2 входят в решение одновременно.

Удобными средствами описания этих условий служат язык теории графов и аппарат математической логики. Отсюда и появление комбинаторно-логических методов синтеза.

Комбинаторно-логические методы синтеза позволяют:

- формализовать описание альтернативных структур,

- сформировать конечное множество альтернативных структур проектируемого объекта, имеющих одинаковое функциональное назначение,

- реализовать определённым образом организованную процедуру выбора на этом множестве.

Формализация результатов комбинаторно-логических методов синтеза обусловили их использование в системах автоматизированного проектирования.

Для выбора в качестве средств описания альтернативных структур используются табличные, алгебраические, графовые и логические модели. Используя способ описания структуры как признак классификации, в [12] приведена классификация методов комбинаторно-логического синтеза (рис. 3).

Комбинаторно-логические методы синтеза

о

Рис. 3. Классификация методов комбинаторно-логического синтеза

Морфологический синтез работает с табличными моделями, отражающими возможные бинарные отношения между элементами двух множеств. Часто это подфункции (функции) и их возможные средства реализации. Таблицы применяются на ранних стадиях проектирования и конструирования и «позволяют получать составы (структуры без связей), структуры с линейными связями и регулярные структуры, причем все решения состоят из равного количества элементов» [12].

Структурный синтез по альтернативным деревьям обладает большими выразительными возможностями по сравнению с рассмотренным морфологическим синтезом. В альтернативном графе типа «дерево» (А-дерево) вершинами могут быть функции, системы, подсистемы, элементы. Каждая вершина, кроме концевых (листья), имеет потомки, т.е. она агрегирована комбинацией потомков. Другими словами, вершина имеет свою структуру, которая отражает отношения включения. Выбор комбинации вершин при решении задачи синтеза подробно описан в [12]. Недостаток метода - невозможность формализовать дополнительные условия и ограничения.

Структурный синтез на основе Ы-дольных графов базируется на использовании в качестве модели К-дольного графа. В К-дольном графе 0=(Х, Я) множество вершин Х разбито на совокуп-

N

ность непересекающихся подмножеств Хъ Х= ^ Xi . Подмножества вида Хг- принято называть доля-

1=1

ми графа, и все доли являются независимыми множествами вершин [12]. Множество дуг R отражает связи и отношения между вершинами.

Для формирования альтернативных структур главную функцию делят на подфункции, каждой подфункции ставят в соответствие доли многодольного графа и техническую реализацию подфункций представляют в виде вершин. Далее, вводя возможные связи или отношения в виде рёбер или дуг, получаем альтернативные модели структуры, которые различаются способом реализации вершин [12].

Метод позволяет учесть бинарные запреты на сочетания, наглядно отражает бинарные отношения и не очень наглядно - множественные отношения, не позволяет выбрать способы реализации связей и отношений. Решением задачи выбора структуры из альтернативных будет любой полный N вершинный подграф графа О. Способы решения задачи выбора на модели структуры в форме N дольного графа приведены в [12].

Структурный синтез по ориентированным гиперграфам реализуется на модели обобщённой структуры в виде гиперграфа [13]. В гиперграфе О=(Х, Е) X - непустое множество вершин, Е - множество непустых (необязательно различных) подмножеств множества X, называемых рёбрами гипер-

м

графа, удовлетворяющие условию Х= ^ Е1 , где М - число ребер [14]. Если все Е[ - двухэлементные,

¿=1

то получаем обыкновенный граф без голых вершин.

Язык ориентированных гиперграфов более выразителен и гибок, нежели язык морфологических матриц, многодольных графов и альтернативных деревьев, и способен описывать многофункциональные элементы [13].

Формализацию обобщённой структуры при синтезе по альтернативным деревьям (А-деревьям, И-ИЛИ-деревьям), многодольным графам (К-дольным) и ориентированным гиперграфам можно провести более компактно. Так, в [15, 16] обобщённые элементы в заданных альтернативных структурах имеют различные способы реализации, которые рассматриваются как условия, а не как вершины. Количество вершин и связей в графе модели структуры резко сокращается. В качестве условий одновременно рассматриваются совместимость элементов (бинарные запреты) и ограничения в форме равенств и неравенств. Конфигурации (вид) обобщённых структур заданы, множество конфигураций конечно. Выбор конфигурации может быть однокритериальным и многокритериальным.

При однокритериальном выборе для каждой конфигурации определяют способы реализации элементов, доставляющие оптимальное значение выбранному критерию, и на множестве этих оценок для всех конфигураций определяется оптимальное значение критерия, т.е. соответствующая ему альтернативная структура.

При многокритериальном выборе первоначально по выбранным критериям для каждой конфигурации определяют доминирующий способ реализации элементов, а затем по полученным оценкам критериев определяют доминирующие отношения конфигураций, позволяющие выбор конкретной конфигурации.

Учёт многофункциональности элементов структуры реализуется путём формирования модели реализации каждой функции (подфункции). При однокритериальном выборе способа реализации многофункционального элемента используют шт(шах) подход, т.е. из возможных оценок конфигураций структуры реализации функций выбирают шт(шах) оценку и соответствующую реализацию многофункционального элемента [17]. Оценка доминирования способа реализации элемента при многокритериальном выборе позволяет выбрать элемент для каждой конфигурации и по оценкам доминирования между конфигурациями выбрать конкретную конфигурацию.

Выбор связей (отношений) при выборе конфигурации можно свести к задаче выбора элементов путём замены взвешенной дуги вершиной с оценками дуги и двумя не взвешенными дугами [18 ].

Все перечисленные приемы решения задачи выбора использовались при заданном конечном множестве конфигураций. При формировании множества конфигураций необходимо учитывать организацию технических средств автоматизации. Технические средства автоматизации могут быть персональными (локальными) или общего пользования (в рамках какой-либо системы).

В первом случае получаем схемы автоматизации, где совокупность локальных средств автоматизации управления, измерения, сигнализации, регистрации и др. совместно с оператором (операторами) создают АС [19]. Эти локальные средства автоматизации также могут проектироваться методами комбинаторно-логического синтеза.

В случае общего пользования (технические средства как система) для генерации исходного множества альтернатив конфигураций структуры формируются как сами функциональные элементы, так и связи между ними.

Формирование форм (видов) организационных структур базируются на следующих принципах [20].

1. Все системы (биологические, социальные, технические) построены на основе иерархического принципа. Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к низшему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной главной полезной функции уровня.

В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В технических системах при большом количестве элементов непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.

Особенности формирования обобщённого множества элементов автоматизации заключаются в следующем. Реализация искусственно созданных процессов имеет определённую организационную форму (организации, объединения, предприятия и т.п. [1]). Как сами процессы, например, исследования, проектирования, управления [1], так и их организационные формы реализуют иерархический принцип построения. Отсюда элементы автоматизации функций элементов различных иерархических уровней системы имеют иерархический (уровневый) признак. Для отображения этого признака (множественных бинарных отношений) более подходят методы, которые работают с графовыми моделями структуры.

2. Второй организационный принцип (на примере производственной системы) - горизонтальное разделение труда, которое позволяет специализировать деятельность сотрудников, повышать производительность и качество их работы. Классический образец горизонтального разделения труда ТП - основные процессы, вспомогательные процессы.

Например, по отношению к элементам технических систем функциональное назначение элементов организационной структуры технических средств по аналогии с подразделениями структуры административно-управленческой системы можно использовать следующие модели [8]:

- функциональная модель: «один элемент = одна функция»;

- процессная модель: «один элемент = один процесс»;

- матричная модель: «один процесс или один проект = группа элементов разных функциональных назначений»;

- модель, ориентированная на контрагента: «один элемент = совокупность процессов (один объект или подсистема).

В структуре системы технических средств автоматизации могут быть использованы все перечисленные виды моделей. Распространение получили функциональная и процессная модели, а также их различные модификации. Методики формирования альтернатив для иерархических и сетевых структур автоматизированных систем управления технологическими процессами предлагаются в [21-23].

Синтез на основе сетей Петри базируется на использовании в качестве модели графа сети Петри. Граф сети Петри есть двудольный ориентированный мультиграф О= (Р, Т,А), где Р = {^¿},

Т= , ¿ = 1, п, 7 = 1, т - конечные непустые множества вершин, называемые соответственно позициями (места) и переходами; А - отношение между вершинами, соответствующее дугам графа [24]. Для отображения динамики позициям (местам) графа приписываются специальные разметки, моделирующие выполнение условия, и с сетью связывают понятие ее функционирования, изменяющего эти разметки (условия) в результате срабатываний переходов. Функционирование сети Петри описывается формально с помощью множества последовательностей срабатываний и множества достижимых в сети разметок. Эти понятия определяются через правила срабатывания переходов сети [24].

Метод с использованием сетей Петри используется при проектировании программного обеспечения АС путём имитационного моделирования [5].

Логические системы синтеза базируется на использовании в качестве модели обобщённой структуры моделей дискретных конечных автоматов. Объектом в виде дискретного конечного автомата может 102

быть как отдельный элемент обобщённой структуры так и их конечная совокупность. При синтезе используются модели, применяемые при синтезе дискретных конечных автоматов [25-27].

Заключение

1. Для концептуального проектирования технического обеспечения автоматизированных систем предлагается использовать все разработанные на сегодня комбинаторно-логические методы структурного синтеза, что позволяет формализовать задачи этапа 2.3 «Разработка вариантов концепции АС и выбор варианта концепции АС, удовлетворяющего требованиям пользователя» стадии «Разработка концепции АС» ГОСТ 34.601-90.

2. Статика структурного аспекта АС достаточно полно описывается моделями в форме обыкновенного графа или гиперграфа. Для описания поведения (динамики) используют модели в форме графа Петри или графовые модели конечных автоматов.

3. Указаны способы учёта многофункциональности элементов и связей обобщённой структуры при выборе, а также методы построения конечного множества альтернатив иерархических и сетевых структур.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 34.601-90. Информационные технологии. Автоматизированные системы. Стадии создания. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1990, 21 с.

2. IEEE. IEEE Recommended Practice for Architectural Description of Software-Intensive Systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Sept. 2000. IEEE Std 1471-2000.

3. Соснин П.И. Архитектурное моделирование систем, интенсивно использующих программное обеспечение / П.И. Соснин [Электронный ресур^ Режим доступа: http://www.ict.edu.ru/ ft/005651/62328e1-st15.pdf,-93

4. Самохвалов Ю.Я. Методические аспекты автоматизированных систем / Ю.Я. Самохвалов, Е.М. Науменко,О.И. Бурба // Реестращя, збер^ання i обробка даних. 2012. Т. 14. № 4. С. 73-80.

5. Норенков И.П. Подходы к проектированию автоматизированных систем / И.П. Норенков // Наука и образование: Электронное научное издание. 2005.#6 Июнь.

6. Marka D.A. SADT: Structured Analysis and Design Technique / D.A. Marka, K.L. McGovan. N.Y.: McGraw Hill, 1988.

7. РД IDEF 0 - 2000 Mетодология функционального моделирования IDEF0. M: Госстандарт России, 2000, 75 с.

8. Integrated computer-aided manufacturing (ICAM): Information modeling manual, IDEF1 - Extended (IDEF1X). Albany, N.Y.: GEC, 1985.

9. Макаров И.М. Теория выбора и принятия решений / И.М. Макаров, Т.М. Виноградская,

A.А. Рубчинский, В.Б. Соколов. М.: Наука, 1982, 328 c.

10. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход /

B.Д. Ногин. М.: Физматлит, 2002. 144 с.

11. Скурихин В.И. О формировании концепций. Концепция «четырёх И» / В.И. Скурихин // Управляющие системы и машины. 1989. №2. С. 7-12.

12. Божко А.Н. Структурный синтез на элементах с ограниченной сочетаемостью / А.Н. Бож-ко, А.Ч. Толпаров // Наука и Образование: электронное научно-техническое издание. 2004. №5.

13. Божко А.Н. Структурный синтез как задача дискретной оптимизации / А.Н. Божко // Наука и Образование: электронное научно-техническое издание. 2010. № 09.

14. Емеличев В.А. Лекции по теории графов / В.А. Емеличев, О.И. Мельников, В.И. Сарванов, Р.И. Тышкевич. М.: Наука, 1990. С. 384 с.

15. Сафронов В.В. Методы оптимизации структур сложных систем / В.В. Сафронов. Саратов: СВВКИУ РВ, 1993. 94 с.

16. Сафронов В.В. Основы системного анализа: методы многовекторной оптимизации и многовекторного ранжирования: монография / В.В. Сафронов. Саратов: Научная книга, 2009. 329 с.

17. Семагин А.А. Выбор многофункциональных элементов структуры системы управления / А.А. Семагин, Г.М. Чуркин // Вестник СГТУ. 2010. № 4 (51). С. 95-98.

18. Тырин Е.А. Выбор конфигурации структуры системы управления при многофункциональности элементов и связей / Е.А. Тырин, Г.М. Чуркин // Вестник СГТУ. 2012. № 1 (63). С. 124-127.

19. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справ. пособие / под ред. А.С. Клюева. М.: Энергоатомиздат, 1990. 464 с.

20. Структура управления организацией и факторы, её определяющие [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?dir=2&tutindex=3&index=51&layer=2

21. Тырин Е.А. Особенности формирования иерархических структур АСУ ТП / Е.А. Тырин, А.А. Чередников, Г.М.Чуркин // Вестник СГТУ. 2012. № 3 (67). С. 198-206.

22. Чуркин Г.М. Формирование альтернатив в задаче выбора конфигураций иерархической структуры технических средств АСУ ТП / Г.М. Чуркин, А.М. Великанов, Е.А. Тырин // Вестник СГТУ. 2013. № 1 (69). С. 169-174.

23. Чуркин Г.М. Формирование альтернатив в задаче выбора конфигураций сетевой структуры технических средств АСУ ТП / Г.М. Чуркин, А.М. Великанов, К. А. Петренко // Вестник СГТУ. 2014. № 1 (74). С. 84-88.

24. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Дж Питерсон. М.: Мир, 1984.

25. Хопкрофт Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений; пер. с англ. / Д. Хопкрофт, Р. Мотвани, Дж. Ульман. М.: Вильямс, 2002. 527 с.

26. Карпов Ю.Г. Теория автоматов: учеб. для вузов / Ю.Г. Карпов. СПб.: Питер, 2002. 224 с.

27. Захаров Н.Г. Синтез цифровых автоматов: учеб. пособие / Н.Г. Захаров, В.Н. Рогов. Улья-

264 с.

новск: УлГТУ, 2003. 134 с.

Чуркин Геннадий Максимович -

доцент кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Саратовского

государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Gennady M. Churkin -

Associate Professor Department of Radio Electronics and Telecommunications,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 11.08.14, принята к опубликованию 25.09.14