Этапы разработки системы
Этапы разработки системы выделяются в соответствии с членением системотехнической деятельности по объекту. В ходе проектирования представление о сложной технической системе изменяется. Происходит последовательная конкретизация моделей этой системы.
Рассмотрим этот способ описания системотехнической деятельности на примере работы У. Гослинга "Проектирование технических систем". В ней представлены общие процедурные правила создания систем на различной материальной основе. Системотехническая деятельность рассматривается как процесс синтеза функциональной модели системы и затем ее преобразования в структурную модель (или ее реализации). Каждый этап связывается с определенными средствами символического и графического представления системы. Функциональная модель воспроизводит протекание в реальной системе субстанции (вещества, энергии или информации), т.е. преобразует входную субстанцию в выходную адекватно функционированию реальной технической системы. Гослинг назвал такую модель поточной системой. Здесь могут вводиться определенные промежуточные преобразования, т.е. описываться операции, которые выполняет каждый элемент системы по отношению к внутреннему потоку. В качестве функциональных моделей могут быть использованы, например, алгебраические модели.
Структурные модели делятся на диаграммы протекания субстанции и блок-схемы. Диаграмма протекания субстанции показывает последовательность операций (более детально, чем это дано в функциональной модели, где строгая последовательность может и не соблюдаться) и дает минимум информации о плане построения системы: идентификацию элементов и схему связей. В блок-схеме даны форма субстанции на входах одного и выходах другого элемента. Для этой цели используются особые элементы - трансдьюссеры -преобразователи формы субстанции.
Функциональные модели могут быть получены тремя способами. В первом и во втором случаях предварительно существует прототип системы. В первом случае он дан в виде блок-схемы, а во втором - в виде последовательности инструкций. На блок-схеме может быть получена диаграмма протекания субстанции, а из нее - функциональная модель. Из последовательности инструкций сначала строятся поточные диаграммы для различных групп инструкций, которые затем собираются в единую функциональную модель. В третьем случае такого прототипа системы нет. Функциональная модель может быть получена либо с помощью аналогий, либо задача сводится к подсистемам, либо модель составляется с помощью модификации некоторых элементов доступной системы. Наконец, возможно изменение проблемы, если функциональная модель не может быть получена ни одним из указанных выше способов. На этапе реализации функциональная модель представляется в виде поточной диаграммы. С помощью перестановки блоков, замены нескольких блоков одним, разделением одного блока на несколько блоков, эквивалентным изменением связей между блоками и т.п. из функциональной модели получается множество поточных диаграмм. Чтобы реализовать некоторые поточные диаграммы, проектировщику необходим каталог элементов, из которого выбираются системные элементы, имеющие свойства, как можно более близкие к свойствам идеализированных элементов поточных диаграмм. В результате получается блок-схема, соответствующая техническим условиям, сформулированным в техническом задании. Важно подчеркнуть, что для создания системы недостаточно какого-либо одного описания, необходимо сочетание блок-схемы, поточной диаграммы и функциональной модели. В процессе проектирования они постоянно корректируются и подгоняются друг к другу за счет возвращения на предыдущие стадии. В результате получается некоторое целостное описание системы, составляющие которого взаимно дополняют друг друга.
Членение системотехнической деятельности по объекту во многом зависит от того, каким образом представляется инженером-системотехником сама сложная техническая система. Такое членение определяется не только объектными характеристиками, но и возможностями проектирования, изучения, изготовления этой системы. Оно используется для организации функционирования подсистем и объединения их в единую систему. При членении системотехнической деятельности в соответствии со структурой технической системы обычно выделяются следующие ее этапы:
1. макропроектирование (или, иными словами, внешнее проектирование), микропроектирование (или внутреннее проектирование), а также проектирование окружающей среды, которое связано с формулировкой целей системы;
2. разбивка системы на подсистемы (т.е. разделение и распределение функций);
3. проектирование подсистем; изучение их взаимодействия и интеграция системы.
Фазы и операции системотехнической деятельности
Второй способ описания системотехнической деятельности заключается в выделении в ней последовательности фаз, а в самих этих фазах – цепи действий, или обобщенных операций. Это представление системотехнической деятельности используется главным образом для синхронной организации и установления алгоритма разработки системы. Оно также служит средством решения задачи автоматизации проектирования сложных технических систем.
Системотехническая деятельность как последовательность фаз, шагов и задач наиболее развернуто представлена в книге М. Азимова "Введение в проектирование". В ней подробно рассмотрены три фазы:
1. изучение осуществимости;
2. предварительное проектирование;
3. детальное проектирование.
Изучение осуществимости
Первая фаза.
1. Анализ потребностей (первый шаг). Цель данной фазы — множество пригодных решений проектной проблемы. Анализ потребностей должен продемонстрировать, действительно ли существует первоначальная потребность, имеет ли она широкое распространение или является скрытой. появляется тогда, когда становится возможной ее экономическая реализация.
2. На втором шаге исследуется проектная проблема, т.е. определяются параметры системы, ограничительные условия и главные проектные критерии. Проектируемая система рассматривается здесь как «черный ящик», содержание которого неизвестно.
3. Третий шаг представляет собой синтез возможных решений, заключающийся в «прилаживании» друг к другу частей проекта с целью получения интегрированного целого. Из полученных в результате синтеза множества внушающих доверие альтернативных решений должны быть выбраны потенциально пригодные решения проблемы.
4. Четвертый шаг заключается в определении физической реализуемости решений проблемы.
5. На пятом шаге выбираются экономически рентабельные решения.
6. В результате определения финансовой осуществимости (шестой шаг) остается множество пригодных решений, которые и являются результатом первой фазы.
Предварительное проектирование
Вторая фаза. Цель - установить, какая из предложенных на предыдущей фазе альтернатив является наилучшей проектной идеей. Результат - общая идея системы, которая будет служить руководством для детального проектирования.
1. Первый шаг заключается в выборе из множества пригодных решений наиболее перспективного решения как предварительной идеи проекта.
2. Второй шаг состоит в формулировке математических моделей как прототипов проектируемой системы.
3. В результате анализа чувствительности системы (третий шаг) за счет экспериментирования с ее входами и выходами определяются критические проектные параметры, точные пределы чувствительности системы на внешние воздействия. Определяется, какие минимальные воздействия на входы (независимые переменные) ведут к изменениям выходов (зависимые переменные).
4. На четвертом шаге — это анализ совместимости — система должна быть представлена как объект, сам являющийся комбинацией объектов на нижележащем уровне сложности, которые представляют собой подсистемы и могут быть комбинацией компонентов, в свою очередь состоящих из более мелких частей, имеющий иерархическую структуру. Точные проектные параметры, которые выявлены при анализе чувствительности, должны быть откорректированы с точки зрения приспособления друг к другу подсистем и компонентов, увеличения их взаимной совместимости. В результате этого шага получаются «пригнанные параметры». Поскольку система действует в динамической окружающей среде, она должна иметь такую стабильность, чтобы изменения в этой среде не были причиной «катастроф» в системе.
5. Цель анализа стабильности (пятый шаг) — исследовать поведение системы в необычных обстоятельствах, чтобы была уверенность, что система как целое не является нестабильной, определить области, в которых проектные параметры являются нестабильными, определить риск и последствия изменений окружающей среды, которые могли бы быть причиной «катастроф» в системе.
6. До шестого шага все главные параметры не фиксировались на определенном и едином значении. На стадии оптимизации проектного решения это необходимо сделать. Таким образом, на шестом шаге осуществляется окончательный выбор наилучшего решения среди нескольких альтернатив.
7. Седьмой шаг предварительного проектирования называется «проекция в будущее». Действительно, некоторые компоненты системы устаревают прежде, чем ее проектирование будет завершено. Поэтому проектировщик должен знать общее направление и тенденции технического развития. В проекте необходимо учитывать возможности технического прогресса, например, новые компоненты и подсистемы, которые могут быть добавлены к системе в будущем. Могут измениться также вкусы потребителей или предложения конкурентов, т. е. социально-экономические условия.
8. На восьмом шаге предполагается изучить, как сама система будет вести себя в будущем (предсказание поведения системы).
9. Девятый шаг осуществляется в испытательной лаборатории, где производится экспериментальная проверка идеи. Испытания не ограничиваются только доказательством удовлетворительности работы системы или ее компонентов. Они могут также ответить на вопрос о физической реализуемости системы, если это невозможно сделать на основе анализа или прошлого опыта.
10. Наконец, в результате ряда шагов проект становится очень сложным, поэтому десятый шаг заключается в устранении ненужной сложности, в упрощении проекта.
Детальное проектирование
Третья фаза. Цель детального проектирования — довести предварительную идею системы до физической реализации и разработать окончательную конструкцию системы. Общая идея системы зафиксирована, подсистемы точно определены, и имеется предварительное решение выполнить полный проект. Для этого необходимы специалисты, время и деньги.
1. Поэтому на первом шаге (подготовка к проектированию) обосновывается бюджет и осуществляется организация проектирования.
2. Второй шаг заключается в общем проектировании подсистем по тем же этапам, что и предварительное проектирование системы в целом. Однако требования совместимости и совместного действия подсистем накладывают на них большие ограничения, чем факторы окружающей среды на систему в целом.
3. В соответствии с предварительными планами подсистем разрабатываются проекты компонент (третий шаг), что является фактически повторением проектирования подсистем. Однако проектирование на более низких уровнях становится менее абстрактным.
4. Результаты проектирования компонентов фиксируются в предварительных планах, которые являются основой для детального проектирования частей, являющихся элементарными составляющими компонентов (четвертый шаг).
5. Наконец, возникает вопрос о физической реализации, который при проектировании подсистем и компонентов был относительно второстепенным. Необходимо решить, каковы должны быть форма, материал и набор инструкций (например, способы обработки материала) для производства частей. Все это фиксируется в детальных чертежах и в спецификациях к ним. Предварительный план компонента должен быть заменен теперь точным и окончательным сборочным чертежом. Далее должны быть вычерчены соответствующие сборочные чертежи для подсистем и, наконец, для системы в целом. Этот процесс, составляющий содержание пятого шага, является итерационным.
6. При подготовке сборочных чертежей происходит корректировка чертежей подсистем, компонентов и частей. Имея полные сборочные чертежи, экспериментальная мастерская может построить первые материализованные прототипы — экспериментальную конструкцию системы (шестой шаг). (Иногда первый прототип и является конечным продуктом).
7. На седьмом шаге, после того, как экспериментальная конструкция изготовлена, составляется программа проверки продукта. Центральным становится вопрос, хорошо ли работает система с точки зрения потребителя.
8. На основе анализа проверочных данных (восьмой шаг) производится обнаружение дефектов.
9. Обнаруженные дефекты служат основой для перепроектирования и усовершенствования системы (девятый шаг) до тех пор, пока окончательное инженерное описание проекта не будет выполнено.
Фаза детального проектирования системы на этом заканчивается, но ею не завершается системотехнический цикл. Он включает в себя еще планирование производства, распределения потребления и снятия с эксплуатации. Однако нас в данном случае интересует только пример описания системотехнической деятельности в виде фаз, шагов и задач, поэтому ограничимся уже рассмотренными фазами. Каждый шаг системотехнической деятельности представлен автором как процесс, состоящий из последовательности задач. Эта последовательность является специализированным процессом решения проблемы, включающим в себя анализ проблемной ситуации, синтез решений, оценку и выбор из альтернатив, оптимизацию, пересмотр и осуществление. На каждом шаге проектирования от анализа потребностей фазы изучения осуществимости до перепроектирования (фаза детального проектирования) иногда полностью, иногда частично, решается одна и та же последовательность задач.