Задачи анализа и синтеза систем. Анализ и синтез в проектировании систем.

Системный подход предполагает решение системных задач, в которых объект исследования представляется в виде систем, причем системный задачи могут быть двух типов:

1) Системного анализа

2) Системного синтеза

Задача анализа предполагает определение свойств системы по известной структуре; а задача синтеза определение структуры по ее свойствам.

Под анализом систем управления понимается процесс исследования, основанный на изучении системы управления с последующим определением ее статистических и динамических характеристик, составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами и с окружающей средой.

Целью анализа систем управления является:

· детальное изучение систем управления для более эффективного использования и принятия решения по дальнейшему совершенствованию или замене.

· исследование альтернативных вариантов вновь создаваемой системы с целью выбора наилучшего варианта (при проектировании системы).

Задачи анализа систем управления:

· Определение объекта анализа.

· Определение функциональных особенностей системы управления.

· Определение количественных и качественных показателей системы управления.

· Оценка эффективности систем управления

· Обобщение и оформление результатов анализа.

Под синтезом понимается процесс создания (совершенствования, организации, проектирования) систем управления.

Целью синтеза систем управления является:

· создание новой системы управления на основе известных свойств.

· совершенствование существующей системы управления на основе выявленных недостатков, появления новых задач и требований.

Задачи синтеза:

· Формирование цели создания системы.

· Формирование вариантов облика новой системы.

· Приведение описания варианта облика системы во взаимное соответствие.

· Оценка эффективности вариантов и принятие решения о выборе облика новой системы.

· Разработка требований к системе управления.

· Реализация разработанных требований.

Проектирование систем автоматического регулирования можно вести двумя путями: методом анализа, когда при заранее выбранной структуре системы (расчетным путем или моделированием) определяют ее параметры; методом синтеза, когда по требованиям, к системе сразу же выбирают наилучшую ее структуру и параметры. Оба эти способа получили широкое практическое применение.

Определение параметров системы, когда известна ее структура и требования на всю систему в целом, относится к задаче синтеза.

Развитие методы синтеза получили на основе принципов максимума и динамического программирования, когда определяется оптимальный с точки зрения заданного критерия качества закон регулирования, обеспечивающий верхний предел качества системы, к которому необходимо стремиться при ее проектировании. Однако решение этой задачи практически не всегда возможно из-за сложности математического описания физических процессов в системе, невозможности решения самой задачи оптимизации и трудностей технической реализации найденного нелинейного закона регулирования.

Формирование систем автоматического регулирования, как правило, выполняют на основе аналитических методов анализа или синтеза. На этом этапе проектирования систем регулирования на основе принятые допущений составляют математическую модель системы и выбирают предварительную ее структуру. В зависимости от типа модели (линейная или нелинейная) выбирают метод расчета для определения параметров, обеспечивающих заданные показатели устойчивости, точности и качества. После этого уточняют математическую модель и с использованием средств математического моделирования определяют динамические процессы в системе. Снимают характеристики точности. На основании математического моделирования составляют технические требования на аппаратуру системы.

Задачи морфологического синтеза отличаются большим разнообразием и классифицируются по различным признакам, характеризующим количество и качество доступной информации.

В общем случае задачи морфологического синтеза можно представить следующим набором информации:

<Т, А, К, X, F, G, L, М, N, С, Р, Y, Q, D>

Здесь приняты следующие обозначения :

Т— постановка задачи (t1 — синтезировать и выбрать наилучший вариант системы; t2 — упорядочить весь набор синтезированных вариантов; t3 — синтезировать и выбрать вариант, наиболее близкий по свойствам к заданному техническому заданию или прототипу; t4 — синтезировать и упорядочить весь набор вариантов по степени сходства к заданному объекту);

А — множество допустимых альтернатив для реализации функций (обобщенных функциональных подсистем), a1 — альтернатива реализует одну функцию из рассматриваемой морфологической таблицы, a2 — альтернатива реализует более одной функции);

K — множество критериев оценки альтернатив и выбора варианта системы (k1 — множество содержит один критерий (скалярный критерий); k2 — множество содержит несколько критериев (векторный критерий)) ;

X— множество методов измерения предпочтений альтернатив (x1 — использование номинальной — классификационной шкалы; x2 — использование ранговой шкалы; x3 — использование количественной шкалы; x4 — экспертная оценка с помощью комментариев; x5 — экспериментальная оценка; x6 — оценка на основе продукционных правил);

F — отображение множества допустимых альтернатив, реализующих функции, в множество критериальных оценок (отображение А в К может иметь детерминированный вид (f1); вероятностный (f2); неопределенный (f3);

G — система предпочтений решающего элемента (g1 — формирование предпочтений одним лицом; g2 — формирование предпочтений коллективом);

L — способы исследования системы (l1 — исследование целостной системы ; l2 — исследование системы по частям);

М — методы оценки вариантов (m1, — оценка варианта в целом после его синтеза из частей; т2 — оценка отдельных подсистем, альтернатив и их сочетаний до начала процедуры синтеза);

N — процедуры выбора вариантов (n1 — последовательный перебор всех вариантов по принципу лексикографического упорядочения; n2 — последовательный перебор; п3 — случайное зондирование морфологического множества; n4 — детерминированное зондирование);

С — вид целевой функции (c1 – аддитивная; с2 — мультипликативная; c3 — целевая функция на основе мер сходства и различия);

Р — число рассматриваемых уровней системы (p1 — один; p2 — более одного);

Y — уровень формализации постановки и решения задачи (у1 — неформализованный эвристический подход; у2 — формально-эвристический подход; у3 — полностью формализованный подход);

Q — Уровень компьютеризации процедур (q1 — отсутствует информационно-программная поддержка процедур метода; q2 — часть или все процедуры реализованы в виде диалоговой компьютерной системы; q3 — метод реализован в виде интеллектуальной системы);

D — решающее правило, отражающее систему предпочтений.

Любой элемент данного набора может служить классификационным признаком для задач комбинаторно-морфологического синтеза.

В последующих разделах рассмотрены различные процедуры обработки информации в созданной автоматизированной системе морфологического синтеза.

Декомпозиция систем. Основные варианты декомпозиции систем. Декомпозиция систем в их проектировании.

Декомпозиция (структуризация) - расчленение системы на части при ее исследовании или проектировании.

Сложность присуща системе, состоящей из многих элементов, имеющих различные свойства, либо ведущих себя не типичным для остальных элементов образом. В случае, когда элементы, составляющие систему, обладают элементарными (не сложными) свойствами, сложность системы тем не менее может быть высокой.

Чтобы справиться с колоссальной сложностью необходимо сформировать определенный подход к разбиению системы на части и к созданию общей архитектуры системы на основе критериев декомпозиции. После выполнения декомпозиции информационной системы каждую подсистему допустимо разрабатывать независимо. Т.о., сутью декомпозиции является уменьшение сложности информационной системы, а назначением — обеспечение возможности ее наилучшего осмысления с целью воплощения в заданной техническими требованиями форме.

Существует три основных варианта декомпозиции:

· простая декомпозиция (trival),

· функциональная (functional)

· декомпозиция данных.

Вопрос об использовании того или иного типа декомпозици решается исходя из структуры самой задачи. Причем, в зависимости от условий, можно использовать сразу несколько типов.

Тривиальная (простая) декомпозиция

Тривиальная декомпозиция наиболее простой тип декомпозиции. Применяется она в том случае, когда различные копии линейного кода могут исполняться независимо друг от друга и не зависят от результатов, полученых в процессе счета других копий кода. Проиллюстрировать подобный вариант можно на примере решения задачи методом перебора или Монте-Карло.

Функциональная декомпозиция

При функциональной декомпозиции исходная задача разбивается на ряд последовательных действий, которые могут быть выполнены не зависимо от промежуточных результатов, но строго последовательно.

Предположим наша задача сводится к применению некоего функционального оператора к большому массиву данных: S[i]=F(a[i]). Предположим также, что выполнение функции F над одним элементом массива занимает достаточно большое время и нам хотелось бы это время сократить. В этом случае мы можем попытаться представить исходную функцию как композицию нескольких фунуций: S[i]=I(H(R(a[i]). Произведя декомпозицию мы получим систему последовательных задач:

x=r(a[i]);

y=h(x);

b[i]=i(y);

Декомпозиция данных

В отличие от функциональной декомпозиции, когда между процессорами распределяются различные задачи, декомпозиция данных предполагает выполнение на каждом процессоре одной и той же задачи, но над разными наборами данных. Части данных первоначально распределены между процессорами, которые обрабатывают их, после чего результаты суммируются некоторым образом в одном месте. Данные должны быть распределены так, чтобы объем работы для каждого процесора был примерно одинаков, то есть декомпозиция должна быть сбалансированной.

В случае, когда область данных задачи может быть разбита на отдельные непересекающиеся области, вычисления в которых могут идти независимо, мы имеем регулярную декомпозицию.

Декомпозиция систем в их проектировании.
Создание диаграммы того или иного типа ведет к рассмотрению системы под той или иной проекцией, или, как обычно говорят, под определенным углом зрения. Рассматривая различные диаграммы разработчик тем самым полнее осознает структуру и поведение системы, что ведет к более обдуманным проектным решениям. Т.о.:

1) по возможности создать и проанализировать как можно больше проекций рассматриваемой системы;

2) перед началом декомпозиции или уже в процессе ее проведения, наметить рамки (границы) декомпозиции, по достижению которых декомпозиция будет считаться проведенной.

3) нахождение и локализация в одном или нескольких классах или модулях абстрактной функциональности с целью использования ее в других, более специфичных классах/модулях. Абстрактная функциональность, как правило, мало связана с прикладной задачей и выполняет вспомогательные (служебные) функции.