36

АННОТАЦИЯ

Конспект лекций предназначен для студентов третьего курса всех форм обучения специальностям 0720 «Стандартизация и сертификация» и 1908 «Метрология и метрологическое обеспечение» и является учебным пособием для углубленного изучения теоретического материала по дисциплине «Системный анализ».

Изложены теоретические основы процесса проектирования измерительных устройств, причины и значимость ошибок проектирования, показана роль системного анализа в устранении ошибок проектирования. Приведены общие сведения о системном анализе и исследовании операций. Дана классификация задач системного анализа и обзор методов их решений.

Автор

Профессор, д.т.н. Селезнева Наталия Васильевна

Учебное пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры ПР-2

«____» декабря 2007 года, протокол №____

и утверждено заведующим кафедрой Клюевым В.В.

Зав. кафедрой ПР-2 В.В. Клюев

Содержание

Лекция 1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И РОЛЬ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ . . . . . . 1. Особенности проектирования измерительных устройств . . . . . . 2. Стадии проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Ошибки проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	4 4 7 10
Лекция 2. СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Общие сведения о системных исследованиях . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Методология системного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Специфика системного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	14 14 15 18 19
Лекция 3. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА . . . . . . . 1. Классификация задач системного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Однокритериальные задачи принятия решений . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Выбор решения в детерминированных условиях . . .. . . . 2.2. Выбор решения в статистически определенных условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Выбор решения в условиях полной неопределенности 4. Многокритериальные задачи системных исследований . . . . . . . .	21 21 23 23 25 27 29
Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	35

Лекция 1.

Проблемы проектирования измерительных устройств

и роль системного анализа в повышении качества

проектирования.

1. Особенности проектирования измерительных устройств

Проектирование – это творческий процесс многомерного преобразования моделей несуществующего измерительного устройства (ИУ) в конкретизированную апробированную модель, информационно-достаточную для его серийного изготовления и эксплуатации (рис. 1).

Рисунок 1. Проектирование как процесс преобразования.

Модель ИУ – это совокупность характеристик, определяющих его свойства, зафиксированных в виде схем, алгоритмов, символов, чертежей, текста и цифр. Модель может отражать какое-либо одно свойства ИУ и представляться в виде простейшей схемы, а может быть сложной, всесторонне описывающей свойства изделия. Поскольку познание – бесконечно, то любая модель может иметь сколь угодно высокую степень детализации, однако никогда не достигает 100% определенности.

Рассмотрим, как изменяется уровень определенности ИУ в процессе его жизненного цикла. ИУ, как и любой материальный объект, созданный руками человека, также как и живые существа, имеет жизненный цикл, который включает несколько этапов: осознание потребности; проектирование; изготовление; эксплуатация; утилизация.

Причиной появления нового ИУ является либо новые потребности общества, либо новые возможности удовлетворения старых потребностей. На первых двух этапах изделие существует в виде информационной модели, а на двух последних – в виде материального объекта.

В процессе проектирования информационные модели ИУ развиваются, конкретизируются и детализируются, многократно проверяются на макетах, опытных образцах и опытных партиях, однако в готовом проекте остается некоторый уровень неопределенности: его размеры и параметры указываются в некотором диапазоне, точность измерений – в виде интервала показаний, надежность – в виде вероятности безотказной работы и т.п.

На этапе изготовления информационная модель ИУ воплощается в материальный объект, многие его размеры и параметры конкретизируются, однако остается некоторая степень неопределенности его реакции на полезный сигнал и всевозможные возмущения.

Эксплуатация – это время активной жизни ИУ. В самом начале этого периода (процесс притирки в конкретных условиях эксплуатации, когда проявляются специфические особенности конкретного изделия) уровень неопределенности ИУ снижается. Однако далее в процессе интенсивного использования ИУ он подвергается различным механическим, электромагнитным воздействиям, влиянию окружающей среды. Вследствие этого происходит увеличение люфтов, изменение упругих, оптических, магнитных и других свойств его элементов, их износ и разрегулирование. Статические и динамические характеристики ИУ изменяются, и степень его неопределенности возрастает, и ИУ отправляют на поверку.

Поверка – это измерение функциональных характеристик ИУ с целью определения его пригодности для измерений. Она осуществляется через определенные интервалы времени. В результате проведения поверки характеристики ИУ уточняются, и оно возвращается в рабочие условия.

Так происходит до тех пор, пока старение материалов и износ элементов ИУ не достигнут предельно-допустимого уровня, после чего его списывают на утилизацию – полное уничтожение.

Современные ИУ относятся к разряду сложных систем. Обусловлено это тем, что в их состав входит большое число функциональных элементов, связанных между собой большим количеством связей. Если ИУ состоит из «n» элементов, то число возможных связей между элементами в каждый момент времени равно n(n-1), а число возможных состояний ИУ, определяемое только связями между элементами, равно 2 ^n(n-1). Например, при n = 10, число возможных связей равно 90, а число возможных состояний – 10²⁷.

Вследствие большого числа составляющих элементов современные ИУ нельзя корректно описать математически, так как в каждый момент времени элементы могут быть связаны между собой неизвестным образом, а внутри ИУ могут происходить неизвестные явления природы. Для изучения и моделирования свойств таких ИУ необходимо решать задачи с непомерно большим объемом вычислений.

Современные ИУ, как большие системы, обладают следующими свойствами:

гетерогенностью – включают большое количество функциональных элементов, работающих на различных физических принципах (электромеханические, электронные, человек-оператор);

многомерностью – внутри циркулируют большие объемы разнородной информации;

разнородностью структуры – включают многообразные формы связей;

нестационарностью – в процессе работы происходят многократные изменения структуры и состава;

стохастичностью – на процесс измерения оказывают влияние случайные факторы;

многокритериальностью – качество работы определяется многими показателями.

Проектирование “в целом” сложных систем является задачей необозримо большой размерности и заведомо неосуществимо. Единственным подходом при решении такой задачи является ее расчленение (декомпозиция) на отдельные частные задачи посильной сложности.

Декомпозиция задач проектирования осуществляется в трех направлениях:

по уровням детализации (блочно-иерархическое разделение – изделие в целом; функциональные блоки; узлы; элементы; материалы);

по видам решаемых задач (функциональные, конструкторские, технологические, эргономические алгоритмические, программные, метрологические и др.);

по степени детализации модели объекта проектирования (согласование ТЗ, техническое предложение, эскизное, техническое и рабочее проектирование).

Полученные в результате декомпозиции частные проектные задачи (проектные процедуры) решаются последовательно или параллельно.

2. Стадии проектирования

Независимо от того, какая задача проектирования решается, сам процесс решения проектных задач (ПЗ) имеет все признаки системы управления (рис. 2).

Каждая ПЗ:

имеет собственную целевую функцию, которая вытекает из общего ТЗ, то есть является частью общей цели проектирования;

начинается по определенной команде, независимо от того, кто ее будет выполнять – один человек, бригада или ЭВМ;

включает строгую последовательность этапов обработки информации;

завершается только тогда, когда найденное решение обеспечит соответствие ожидаемых (расчетных) характеристик _р будущего ИУ требованиям задания _з с заданной степенью точности. Пока между требуемыми _з и ожидаемыми _р характеристиками ИУ будет рассогласование  = _р – _з , процесс поиска решения будет циклически повторяться, последовательно проходя стадии анализа, генерации идей, синтеза и оценки (так называемый итеративный процесс).

Рис. 2. Схема управления решением проектных задач.

Таким образом, поиск нового технического решения будет вестись до тех пор, пока результаты оценки качества проектного решения не удовлетворит требованиям задания:

  _доп ,

где _доп – допустимое рассогласование между требуемыми и ожидаемыми характеристиками.

Качество выполнения ПЗ определяется  – степенью совпадения требуемых и ожидаемых свойств ИУ, а время решения ПЗ – числом итераций и длительностью стадий проектирования.

Структурная схема процесса решения ПЗ представлена на рис. 2. Из схемы видно, что решение ПЗ включает строго определенную последовательность стадий:

• начальную стадию, на которой на основе вскрытых противоречий формируется и конкретизируется задание;

• стадии анализа, генерации идей, синтеза и оценки, которые образуют замкнутый цикл, обеспечивающий поиск возможных вариантов решений и выбор наиболее предпочтительного из них;

• завершающую стадию, когда найденное проектное решение оформляется в соответствии с принятыми стандартами.

Анализ (дивергенция) – “расчленение задачи на части” для формирования достаточно обширной поисковой области. На этой стадии требуется большой объем информации, и решаются следующие задачи:

• поиск прототипов изделия;

• выявление общих свойств, независящих от конкретной реализации (определение обобщенной модели изделия);

• выявление частных свойств, зависящих от конкретных условий работы прототипа (альтернативы реализации обобщенной модели);

• выявление достоинств и недостатков прототипов;

• выявление возможных изменений прототипов и определение реакции на эти изменения всех, связанных с этим изделием.

На стадии анализа ничего не оценивается и не решается, на этой стадии происходит обучение предвидению последствий внедрения проектных решений.

Генерация идей – это рождение нового, ранее не существовавшего решения какой-либо проблемы на основе специфической обработки сверхсознанием накопленного человеком опыта.

Сверхсознание является органом адаптации умственной деятельности человека к новым условиям и обеспечивает поиск новых идей, догадок, гипотез и решений. Оно работает автономно и не управляется ни сознанием, ни волевым усилием. Включается в работу сверхсознание только при возникновении устойчиво доминирующей проблемы, решением которой человек занимается несколько суток (от 3...14 в зависимости от его тренированности и индивидуальных свойств).

Поиск сверхсознанием решений проблем основан на рекомбинации нейронных связей мозга, возникших в процессе интеллектуальной деятельности человека, поэтому творчество возможно только при наличии определенного объема накопленных знаний и не может породить идею, свободную от опыта человека. Сверхсознание проводит первичную оценку рекомбинаций по неизвестным в настоящее время алгоритмам, поэтому все идеи, выдаваемые сверхсознанием, даже самые безумные, имеют вероятность реализации.

Отобранные рекомбинации выдаются на суд сознанию в виде идей и озарений. В силу одноканальности мышления это происходит в моменты, когда сознание человека не занято ни внутренним, ни внешним диалогом, то есть ночью во время сна, в дороге, при ходьбе и т.п. Если хорошую идею сразу же не зафиксировать, то она окажется навсегда потерянной, поэтому творческие люди сразу записывают возникшие идеи.

Как любая система специфической адаптации человека, сверхсознание функционирует при определенной мобилизации организма – до состояния боевого азарта. В состоянии стресса (страха, тоски, раздражения, нервозности) эти функциональные структуры мозга не работают.

Синтез (трансформация) – “соединение частей по-новому” с целью формирования проектного решения. На этой стадии проводится:

• логическая и аналитическая проверка гипотез;

• генерация возможных вариантов решений;

• определение показателей для сравнения вариантов;

• выбор рационального решения для заданных условий.

Стадия синтеза является самой ответственной и зависит от личности инженера. Именно на этом этапе решается, что победит – необузданный оптимизм, крайний пессимизм, узость мышления, консерватизм или здравомыслие – и рождаются разные решения: удачные, бесполезные, дорогостоящие или вредные.

Оценка – изучение последствий от внедрения проектного решения. Основными задачами этой стадии являются:

• обнаружение ошибок, несоответствий и дефектов решения;

• оценка эффективности внедрения проектного решения.

На этой стадии поисковая область сокращена до единственного решения, все переменные и параметры моделей изделия конкретны, уровень неопределенности сокращен до минимального, методики расчета и проведения эксперимента известны. Вследствие этого результаты, получаемые на этой стадии, мало зависят от личности инженера. От исполнителя требуется жесткость мышления, чтобы без всякого творчества с минимальными затратами времени и средств оценить эффективность найденного решения.