ВИНОКУРОВ Г З КОШКИН А А СИСТEМЫ ОПEРАТИВНОГО И УПРEЖДАЮЩEГО УПРАВЛEНИЯ ПРEДПРИЯТИEМ НОВОСИБИРСК 1997 195 С 5

Процесс обработки экономической информации в СУ как некоторый технологический процесс можно условно разбить на следующие этапы:
генерирование, сбор и подготовка к вводу в ЭВМ первичной информации. Этот этап включает регистрацию информации, т.е. фиксацию ее, а при необходимости также передачу ее на расстояние;
ввод, накопление и обработка информации. На этом этапе происходят ввод и обработка информации по заданным алгоритмам, а также накопление ее,а устройствах памяти;
вывод информации и передача результатов ее обработки пользователю. Этот этап включает вывод результатов обработки на специальные носители, позволяющие производить повторную машинную обработку, и обычные человеко-читаемые носители, а также передачу информации на расстояние;
получение, восприятие и оценка получаемой информации, а также принятие решения и выдача управляющего воздействия.
Эффективность протекания каждого из рассмотренных этапов обработки данных характеризуется некоторыми количественными и качественными показателями (например, скоростью передачи и достоверностью информации, надежностью регистрации, емкостью устройств памяти, временем обращения к накопленной информации, удобством восприятия информации и т.д.). КТС предназначен для улучшения этих показателей, т.е. выполняет следующие функции:
способствует созданию на базе его и экономико-математических методов некоторого процесса информационной технологии, основывающегося на комплексном ис пользовании первичной информации, осуществляющего оптимальную обработку экономической информации и эффективное экономическое, а также административное управление предприятием;
содействует улучшению отражения создаваемой объектом управления информации и характеристик информационного потока, а также замене человека при выполнении механических операций, что одновременно с повышением качества управления в значительной мере повышает общую культуру производства.
Основные задачи КТС:
сбор, обработка и передача информации всем подразделениям предприятия, охватываемым СУ на определенной стадии;
обеспечение достоверности информации на всех этапах переработки;
решение как периодических, так и разовых задач управления в заданные сроки;
функционирование СУ в соответствии с определенными критериями эффективности.

4.2. Параметры управляемой и
управляющей систем, влияющие на выбор
комплекса технических средств

При разработке и внедрении КТС конкретной СУ необходимо тщательное изучение и выявление таких параметров объекта управления, непосредственно влияющих на структуру КТС, как:
ассортимент выпускаемой продукции;
номенклатура материалов и комплектующих изделий;
состав и число работающих;
производственная структура предприятия, основные технико-экономические показатели работы предприятия в целом и отдельных его подразделении;
наличие аналогичных предприятий (в отрасли);
подробная планировка предприятия (с указанием размещения оборудования, прохождения и основных характеристик материального потока);
расположение технических средств контроля и управления;
кабель-план силовых, сигнальных и связных коммуникаций КТС;
климатические условия в производственных подразделениях, уровень помех, шумов, вибраций и другие особенности эксплуатации технических средств и т.д.
Практически всегда приходится иметь дело с предприятиями, заметно отличающимися друг от друга материальными и, следовательно, информационными потоками; таким образом, для каждого предприятия должен быть построен индивидуальный КТС, учитывающий все особенности управляемой и управляющей систем.
В результате изучения параметров объекта управления определяются организационно-технические характеристики системы управления:
организационная структура с указанием управленческого персонала по каждому производственному подразделению;
функциональная схема с указанием последовательности автоматизации функций управления;
связь автоматизации управления и основных экономических параметров каждой из автоматизируемых функций управления;
взаимосвязь предприятия с поставщиками и потребителями с указанием периодичности и размеров поставок по всей номенклатуре и календарных сроков поставок;
наличие и основные характеристики технических средств и возможность их использования в КТС СУ.
Вслед за организационно-техническими характеристиками определяются параметры подлежащих автоматизации функций управления:
задачи, следствием решения которых является автоматизация той или иной функции управления, с указанием по каждой из них источника запуска исходной информации и степени влияния точности ее задания на конечный результат решения, приемника результатов решений и степени их использования, объема промежуточной информации, ограничений на время решений каждой из задач;
взаимосвязь автоматизируемых и неавтоматизируемых функций управления;
ограничения на временную последовательность решения задач;
алгоритмы решения задач;
зависимость производственных потерь от степени точности результатов решения с указанием возможности контроля результирующей информации человеком;
зависимость производственных потерь от времени решения задачи и задержки исходных данных.
При построении КТС конкретной СУ необходимо также определить возможные сроки приобретения (или изготовления при самостоятельной разработке) технических средств, связь с фирмой-поставщиком, возможности подготовки кадров и т.д.

4.3.Основные подходы, методы и критерии
выбора комплекса технических средств

Общими при проектировании различных СУ с применением КТС являются анализ важнейших требований и условий основной задачи в целом, разложение основной задачи на частные, оценка возможностей решения последних и комбинирование этих решений для принятия решения по основной задаче. Для этого необходимы систематизация исходных данных, выбор совокупности критериев и взаимосвязей между ними для различных подходов, упорядочение вариантов построения и составление, если возможно, соответствующих математических моделей, а также набор алгоритмов для комбинирования вариантов и подвариантов.
Все задачи проектирования КТС обычно решаются поэтапно путем последовательных приближений к наилучшему варианту; при этом на каждом этапе применяются различные виды проектирования: системное, пространственное, информационное, блочное, алгоритмическое, логическое, схемное, надежностное и др. или их сочетание.
Системное проектирование. Главной задачей этого проектирования является определение целесообразности применения того или иного варианта КТС в целом, т.е. его эффективности. Можно рассматривать эффективность систем с различных позиций: во-первых, на конкретном предприятии; во-вторых, в связи с собственной эффективностью системы, т.е. с информационными возможностями системы и ценой их достижения; обратным этому критерию будет критерий удельных затрат.
Эффективность внедрения управляющей системы может быть определена через срок окупаемости:

Ток =Wy/Fy,

где Wy - общая стоимость системы управления; Fy - доход от внедрения системы управления.
При оценке срока окупаемости необходимо учитывать фактор времени и все единовременные и разновременные экономические расходы. С этой точки зрения эффективность применения КТС выразится так:

min (A+KB),

где А и В - соответственно разновременные и единовременные расходы; К - коэффициент приведения единовременных затрат к разновременным; на практике К принимается равным отраслевому нормативному коэффициенту сравнительной экономической эффективности или величине, обратной периоду эксплуатации КТС.
В тех случаях, когда автоматизируется существующая система управления, в качестве критерия выбора КТС может быть принят минимальный срок окупаемости капитальных затрат:
,
где ?А - величина сокращения разновременных задач при капитальных затратах.
Необходимо отметить, что на практике принято, чтобы период окупаемости капитальных затрат не превышал величину, обратную отраслевому нормативному коэффициенту сравнительной экономической эффективности.
Естественно, что характеристики технических средств оказывают существенное влияние на критерий выбора КТС. В [6] приведена таблица, показывающая влияние характеристик технических средств на критерий выбора КТС.
Основным источником эффективности производства является улучшение его упорядоченности путем ускорения движения информации о ходе производственного процесса; дополнительным источником здесь служит снижение потерь в результате уменьшения искажений и потерь информации вследствие ненадежности и неточности. Критерии оценки собственной эффективности КТС позволяют оценить качество выполнения системой заданных функций независимо от эффективности всей СУ; для этого используются различные модификации критерия удельной скорости передачи информации. Однако применение такого критерия в условиях конкретного предприятия ограниченно: при сравнении двух КТС, емкости и аппаратурные затраты которых равны, а расстояния передачи и, следовательно, затраты на линии связи различны, требуется учитывать эти расстояния. Это можно сделать путем введения понятия момента информации:
M = IL,
где I - информационная емкость системы, или максимальное количество передаваемой информации, бит; L - расстояние, км.
Момент информации М за некоторое время Т можно называть информационной мощностью системы:
G = M/T.

Если обозначить Wс суммарные затраты на аппаратуру, каналы связи и потери, то коэффициент собственной эффективности

= G/Wc.

В последнее время при оценке КТС применяют критерии, в которых вместо абсолютных значений эффективности используются функции относительных величин, выражающих "коэффициенты успеха" по базовым характеристикам системы и "весовые коэффициенты" этих характеристик; при этом идеальная эффективность КТС снижается вследствие неполной реализации требуемых функций, неидеальности функционирования (неточности, ненадежности, задержек и т.д.), затрат на реализацию.
Невозможность полной реализации заданных функций возникает, если КТС не сопрягается с некоторыми видами датчиков, исполнительных механизмов или ЭВМ, емкость системы недостаточна или передача информации на необходимое расстояние затруднена. Степень полноты выполнения системой требуемых функций с учетом веса i-й функции можно оценивать коэффициентом (i= 1, 2, ..., Lф). Относительная величина коэффициента а, выбирается либо в зависимости от доли дохода, полностью или частично связанного с выполнением i-й функции, либо на основе экспертных оценок (путем опроса специалистов). При этом необходимо, чтобы выполнялось условие

Качество функционирования КТС определяется точностью, достоверностью, быстродействием и надежностью. Так как для каждого из сравниваемых вариантов КТС эти характеристики различны, относительный "коэффициент проигрыша" по каждой j-й характеристике может быть выражен отношением

для характеристик, имеющих нижнюю границу (вероятность ошибки, средняя величина задержки и т.д.), или отношением

для характеристик, имеющих верхнюю границу (вероятность безотказной работы, пропускная способность и т.д.).
Здесь, , - полученное и наилучшее (минимальное или максимальное) значение j-й характеристики р-гo варианта. Очевидно, что -1 < ?j ? 0, причем наихудшему значению j-й характеристики соответствует большее абсолютное числовое значение ¦?j¦. Кроме того, ?j всегда отрицательна.
В зависимости от конкретных условий j-ю характеристику можно определить некоторым коэффициентом ("весом") (0 ? ? 1, j = 1, 2, ..., МB). Величина может выбираться в зависимости от приходящейся на j-ю характеристику доли снижения идеальной эффективности или на основе опроса специалистов.
Аналогичные коэффициенты и принимаются также и для характеристик системы по затратам на каналы связи, аппаратуру передачи и аппаратуру сопряжения (0 ? ? 1, 2, ..., Nk).
Выбор коэффициентов и аналогичен выбору , причем

Тогда качество р-го варианта КТС можно охарактеризовать коэффициентом относительной эффективности ?отн, который выразится следующим образом:
;
0 < ?отн ? 1.
Относительная эффективность КТС позволяет учесть все параметры с возможной точностью и выразить комплексную оценку одним числом. Расчет относительной эффективности КТС сравнительно несложен и допускает оптимизацию системы,
Изложенный материал по относительной эффективности КТС носит несколько эвристический характер. Можно утверждать, однако, что другим он и не может быть, так как определенный произвол при оценке конкретной системы неизбежен. Изложенный подход проще, чем построение математической модели, связывающей срок окупаемости системы с основными ее характеристиками. Следует отметить, что применение критерия оценки относительной эффективности системы возможно в том случае, если уже выбраны функции и объемы информации системы. Такое положение как раз возникает при проектировании КТС.
Для определения ?отн нужно прежде всего выбрать частные критерии и оценивать по ним уже имеющиеся варианты КТС или синтезировать оптимальный по частному критерию вариант.
Надежность различных вариантов функционального построения КТС с точки зрения способности выполнения системой заданных функций можно оценить с помощью критериев эффективности функционирования или средних потерь. Эффективность функционирования определяется математическим ожиданием основного выходного эффекта, обусловленного применением системы за некоторое время, а средние потери - математическим ожиданием части выходного эффекта, который теряется за расчетное время вследст вие ненадежности системы. Критерии эффективности и средних потерь связаны соотношением
FС + WП = FО,
где FС - среднее значение эффективности; WП - средние потери; FО - идеальное значение эффективности за некоторое время.
В технических системах управления выходной эффект или потери за некоторое время можно считать зависящими лишь от состояния системы, обусловливаемого комбинацией ее исправных и неисправных блоков. В этом случае эффективность системы определяется взвешенной суммой эффектов по всем возможным состояниям системы:
,
а средние потери определяются взвешенной суммой потерь:
,
где Pj - вероятность i-гo состояния системы; S - число состояний системы.
Пространственное проектирование. В процессе проектирования информационных пунктов, а также центров обслуживания в других системах может возникнуть необходимость в решении следующей задачи, носящей название частной задачи Штейнера. Пусть на плоскости задано множество пунктов (A1, A2, A3,..., Ak) с координатами каждого пункта (хi, уi).
Требуется найти координаты (хс,ус) центра Ас, для которых выполняется условие
,
где Wj - "вес" единицы длины радиальной связи 1-го пункта с центром (АС, 1i).
Были предприняты попытки упростить процесс решения этой задачи с целью широкого использования упрощенных спо собов в практике проектирования. Укажем кратко на некоторые инженерные методы решения рассматриваемой задачи. В случае k = 3 и W1 = W2 = W3 искомый центр является точкой Торри-челли треугольника А1А2А3 и находится с помощью геометрических построений по известному правилу. Если в качестве целевой функции принять
,
то оптимальные для нее координаты центра Ас (хс. ус) легко могут быть найдены по формулам, с помощью которых определяют центр тяжести механических систем. Известно также, что оптимальное размещение центра Ас совпадает с положением равновесия механической системы, в которой центр Ас притягивается к каждому из пунктов Аi с силой, пропорциональной Wi, т.е. "весу" пункта. В положении равновесия сумма векторов, пропорциональных "весам" пунктов Аi и направленных от Ас к Аi равна нулю. Из этого следует, что в случаях, когда "вес" одного из пунктов больше суммы "весов" остальных пунктов, оптимальным будет размещение центра в пункте с наибольшим "весом".
На основании описанной механической модели (ее можно также назвать векторной) оптимальное размещение центра в общем случае может быть найдено графическим способом. Направление поиска определяется направлением суммарного вектора, а шаг поиска может зависеть от величины этого вектора.
В конкретных условиях применяются более простые способы выбора координат пунктов управления, которые учитывают совокупность существующих условий и требований и сводятся к выбору наилучшего из нескольких возможных вариантов.
Наиболее актуальной для предприятия является другая задача - построение оптимальной сети, частным случаем которой является построение сети, кратчайшей по сумме длин. Известна выгодность объединения нескольких мелких линий связи в одну, особенно в случае их уплотнения. Тогда при сложных взаимосвязях между пунктами можно поставить задачу выбора таких мар шрутов передачи информации, при которых суммарная стоимость каналов связи с учетом многократности использования отдельных участков сети была бы минимальной. Эта задача проектирования сети сводится к получению на полном графе дерева с минимальным весом.
Наконец, во многих случаях ставится задача проектирования оптимальной по надежности сети при заданных координатах пунктов и надежности звеньев сети.
Информационное проектирование. Задачами информационного проектирования являются количественная оценка передаваемой информации, определение предельных информационных возможностей систем телемеханики и каналов связи, экономичное и надежное представление передаваемой информации в схемах.
Развивается несколько направлений информационного проектирования: статистическое, комбинаторное и семантическое, или смысловое. Статистическое направление позволяет дать количественную оценку собственно информации, комбинаторное направление связано прежде всего с представлением сообщений в схемах, и, наконец, семантическое направление касается надежности передачи информации. Наибольшее значение для рассматриваемых условий могут иметь два направления: комбинаторное и семантическое.
Рассмотрим комбинаторное направление информационного проектирования. Необходимость квантования величин X, функций времени Х(Т) и функций пространства X(N) приводит к получению трехмерной модели дискретного объема (полного комплекса) информации с общим количеством квантов
С = mxmTmN,
mX = Х/?Х; mT = Т/?Т; mN = N/?N ,
где X, Т, и N - реализуемые диапазоны времени и пространства; mX, mT, mN - интервалы квантования.
Часто используется только одна составляющая полного комплекса информации. Например, при интегрально-импульсном методе требуется квантование сообщений только по X. Наблюде ние за состоянием объектов двухпозиционного контроля связано с квантованием только функций времени Х(Т), а контроль местоположения подвижных многопозиционных объектов приводит к квантованию по функции пространства X(N).
В случае кодового представления сообщения в системе счисления с основанием m и разрядностью п величина С экспоненциально зависит от п:
С = mn.
Эту информацию можно передавать или хранить с помощью информационной емкости, образуемой n ячейками, каждая из которых имеет m состояний. Естественно, что информационная емкость 2n ячеек в два раза больше, 3n ячеек - в три раза больше, чем емкость одной ячейки, и т.д. Этому условию аддитивности удовлетворяет логарифмическая мера информационной емкости, или количества информации, которой могут быть заполнены рассматриваемые ячейки: I = log С = n log m .
Целесообразно выбирать двоичные ячейки и двоичный логарифм для оценки информационной емкости схем.
Тогда I= n.
Рассматривая действия двоичной схемы из п ячеек по времени за s тактов, можно информационную емкость такой схемы за это время выразить так: Vсх = nsk, где Vсх - информационный объем схемы; k < 1 - коэффициент, учитывающий неинформационные состояния схемы с точки зрения ненадежности служебных связей и т.д.
Показатели информационной емкости (информационного объема) необходимы для оценки эффективности методов передачи и соответствующих структур по критерию удельной скорости передачи или критерию информационной мощности.
Важнейшее значение при информационном проектировании имеет кодирование. В рассматриваемых условиях выбранный код, т.е. система сигналов, соответствующих набору сообщений, определяет достоверность передачи, затраты аппаратуры, а часто и число требуемых линий связи. При этом на эффективность принимаемых решений влияют все структурные характе ристики кода: правило сопоставления сообщений кодовым комбинациям, основание кода, способ комбинирования и разрядность (длина).
При семантическом направлении учитывается качество информации: "вес", ценность, эффективность. Ценность информации можно, в частности, связать с надежностью ее передачи. В случае передачи дискретной информации для обеспечения максимума качества работы цепи передачи информации нужно минимизировать средний риск или средние потери:

где Р(xi) - априорная вероятность передачи сообщения xi; Wij - числовое значение "веса" трансформации xi > xj; s - число передаваемых сообщений; g(xi > xj) - вероятность приема сообщения х когда было передано сообщение xi.
Критерий средних потерь широко применяется при проектировании КТС. Наиболее часто при информационном проектировании используются критерии вероятности пропуска сигнала, ложного сигнала, вероятности ошибки и др.
Алгоритмическое проектирование. При алгоритмическом проектировании анализируются потоки информации, разрабатываются критерии оценки динамики их передачи, проводится типизация принципов передачи с точки зрения организации процесса и применяются аналитические методы либо методы моделирования для анализа и расчета.
В качестве характеристик эффективности алгоритмического построения многих КТС в зависимости от их назначения используют различные критерии, в том числе среднее время ожидания, длину очереди, вероятность потери сообщения и т.д.
Приведем формулы, наиболее важные при алгоритмическом проектировании КТС и справедливые для простейших потоков, которые рассматриваются в теории массового обслуживания. Если в единицу времени в среднем поступает ?T требований, каждое из которых обслуживается в течение времени Т, то среднее время занятости линии связи равно ? = ?т Т. Для стационарного потока среднее время занятости равно вероятности того, что в произвольный момент времени линия окажется занятой. Среднее время ожидания определяется следующей простой формулой:
.
Вероятность того, что время ожидания будет больше kТ, где k - любое целое положительное число, при ? << 1
.
Блочное проектирование. Одной из задач блочного проектирования является создание такого набора функционально и конструктивно законченных устройств (блоков), который, во-первых, допускал бы произвольное сочетание устройств (блоков) в системе без каких-либо доработок в самих устройствах и, во-вторых, позволял бы образовывать системы, реализующие любой из алгоритмов достаточно широкого класса для контроля и управления производством при минимальной избыточности оборудования.
Задачи блочного проектирования сводятся к выбору таких схемных связей между блоками, в которых пропускная способность схемы, надежность и другие параметры структуры либо были максимальными, либо требовали минимальных затрат аппаратуры или каналов. Это обычно достигается путем многократного использования общих блоков, варьирования схемами параллельной и последовательной передачи и т.д.
Критериями структурной надежности, т.е. надежности, обусловленной выбранными схемными взаимосвязями между блоками, без учета выполняемых функций, могут быть "живучесть" или "неживучесть", связность или несвязность. Наиболее систематическими критериями надежности собственно структур являются вероятности связности или несвязности. Связным называется граф, любые вершины которого связаны цепью.
Если каждое ребро обрывается с вероятностью g = 1 - Р, вероятность связности R может быть записана в виде

или
,
где m - число ребер; Аk - число связных подграфов графа, имеющих k ребер и n вершин; Вi - число несвязных подграфов с m - i ребрами и вершинами; 1 - минимальное число ребер, необходимое для того, чтобы построить связный граф с вершинами; w - минимальное число ребер, которое надо удалить, чтобы граф стал несвязным (g = 1 - Р).
Критерий связности (несвязности) необходим для определения средних потерь и средней информационной емкости, а также имеет самостоятельное значение (например, в качестве параметра графа).
Логическое проектирование. Логическое проектирование наряду с информационным является наиболее разработанным. Упрощенно процесс логического проектирования сводится к аналитической записи условий работы схемы, преобразованию логических выражений в желаемом направлении и начертанию затем соответствующих логических схем. При этом чаще всего ставится задача минимизировать число элементов. Иногда логическая схема оценивается по надежности, например, вероятности ложного срабатывания и несрабатывания.
Основой логического проектирования является теория релейных устройств и цифровых автоматов. В этой теории рассматриваются вопросы логического синтеза двух основных классов схем: комбинационных и последовательных. Наиболее характерными для телемеханики являются комбинационные схемы - шифраторы и дешифраторы, многие преобразователи кодов.
Схемное проектирование. Основой проектирования электрических схем телемеханики являются теория электрических це пей и теория надежности схем. Значительное место среди КТС занимают схемы с распределенными параметрами, к которым относятся линейные цепи. Определенной спецификой обладают элементы временных и частотных телемеханических систем.
Телемеханические системы оцениваются по быстродействию, полосе частот, нагрузочной способности, интенсивности отказов, безопасности действия и т.д.
Надежностное проектирование. Надежностное проектирование осуществляется во всех видах проектирования; в частности, с его помощью определяются требуемые уровни надежности, а также способы введения избыточности, методы диагностики и т.д. Наиболее важными критериями надежности являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, наработка на отказ и коэффициент готовности.
Если за основу принять экспоненциальный закон распределения отказов, то для периода нормальной эксплуатации при среднем числе отказов в единицу времени ? вероятность безотказной работы P(t) для произвольного отрезка времени
P(t)= e-?t.
Если в системе содержится n 1 и n2 элементов с параметрами потока отказов ?1 , ?2 и т.д., то вероятность ее безотказной работы будет определяться формулой
Pc(t)= e(n1?1+ n2?2+...+ nn ?n)t/
Для оценки надежности непрерывно работающих систем, к которым относятся КТС, более удобно пользоваться средним временем безотказной работы - наработкой на отказ Т. Наработка на отказ и вероятность безотказной работы связаны следующей зависимостью:
.
При постоянной величине ?
.
Так как продолжительность простоя при отказе зависит от свойств аппаратуры (сложность, ремонтоспособность и т.д.), условий эксплуатации, количества и квалификации обслуживающего персонала, надежность аппаратуры оценивают также по коэффициенту надежности:
,
где ТB - среднее время восстановления.
Интересно отметить своеобразную взаимосвязь надежностного проектирования с другими видами проектирования. Так, при схемном проектировании важны, например, вероятности отказа, короткого замыкания и обрыва элемента при повреждении. Учет логических функций схемы при тех же повреждениях приводит к вероятности ложного срабатывания и несрабатывания, а учет передаваемой информации - к вероятностям ложной команды (пропуску извещений) и пропуску команд (ложным извещениям). Если имеется не простейшая связь между одним входом и одним выходом, а сложная сеть связи, например, между одним источником и несколькими приемниками, то критерий вероятности безотказной работы становится недостаточным и надежность такой схемы приходится оценивать с помощью более сложного критерия - вероятности связности. Наконец, учет выполняемых функций в такой системе приводит к определению критерия эффективности функционирования или средних потерь.
Для сложных систем, к которым можно отнести КТС, наиболее применимы методы моделирования и оптимизации.
Схема последовательности работ по созданию КТС приведена в [6]. Такой процесс построения КТС и его подсистем из большего числа вариантов на первый взгляд представляется весьма сложным. Однако он всегда происходит в условиях действия определенных ограничений, своевременное (т.е. на нужном этапе) наложение которых резко ограничивает число элементов КТС (технических средств и возможных структур) и, главное, значительно упрощает задачу.

4.4. Передача данных

Одна из проблем построения СОУУП - создание высокоэффективной системы передачи данных с учетом характера передаваемой информации. Экономическая информация состоит в основном из плановой и оперативной.. Поскольку работу предприятия можно построить таким образом, чтобы не было спешки в передаче и обработке плановой информации, основным будет требование максимальной достоверности и полноты передачи информации.
При передаче оперативной информации определяющим ее показателем является скорость ее доставки и обработки; при этом полнота и достоверность информации выступают в виде ограничений. Особенно эти ограничения актуальны именно для СОУУП, в связи с необходимостью распознавать малые отклонения от планового хода процесса производства.
При выборе каналов связи в каждом конкретном случае основными критериями должны быть удобство, простота, надежность и невысокая стоимость оборудования канала; причем надежность при прочих равных условиях должна быть решающим критерием. Желательно шире использовать существующие линии и каналы связи, так как при этом достигается прямая экономия средств, сокращается расход дефицитных материалов и оборудования.
Наиболее современным и эффективным решением проблемы передачи данных в СОУУП является построение вычислительной сети (ВС) компьютеров, задействованных в сборе и обработке информации, циркулирующей в СОУУП. В зависимости от территории, охваченной ВС. они подразделяются на локальные (ЛВС), занимающие одно или группу рядом стоящих зданий, и глобальные (ГВС), связывающие территориально разнесенные компьютеры.
Вопросы связи компьютеров проработаны очень хорошо, и существует целый ряд стандартов и соглашений, описывающих эти процессы. Базовой для большей части из них служит так называемая модель архитектуры вычислительной сети OSI.
Модель OSI
Организация ISO (International Standarls Organization -Международная организация по стандартизации) опубликовала модель архитектуры вычислительной сети, названной OSI (Open System Interconnection - Связь открытых систем). Большинство производителей стремятся придерживаться модели OSI, но до сих пор нет изделий, полностью ей удовлетворяющих. Модель OSI разделяет коммуникационные функции в ЛВС на семь уровней. Однако большинство производителей сетевых ОС применяют три или четыре уровня протоколов. Взаимосвязь между уровнями осуществляется хорошо определенными интерфейсами. На рис.4.4.1 показаны эти семь уровней, а ниже дается их описание.
Физический. В этой части модель OSI определяет физические, механические и электрические характеристики линий связи, составляющих ЛВС (кабелей, разъемов, оптоволоконных линий и т.д.). Можно считать этот уровень отвечающим за аппаратное обеспечение. Хотя функции других уровней могут быть реализованы в соответствующих микросхемах, все же они относятся к программному обеспечению.
Канальный. На этом уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной передачи данных) ошибки. Ввиду своей сложности канальный уровень подразделяется на два подуровня: MAC (Media Access Control - Контроль доступа к среде) и LLC (Logical Link Control - Контроль логической связи). Подуровень MAC связан с доступом к сети (передача маркера или обнаружение коллизий или столкно вений) и ее управлением. Подуровень LLC находится выше подуровня MAC и связан с передачей и приемом пользовательских сообщений.

Прикладной уровень Уровень представления Сеансный уровень Транспортный уровень Сетевой уровень Канальный
уровень Контроль логической связи Контроль доступа к среде Физический уровень
Рис. 4.4.1. Модель OSI
Сетевой. Этот уровень выполняет функции переключения и маршрутизации пакетов. Он отвечает за адресацию и доставку пакетов.
Транспортный. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения компонент сообщения. Если приходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень распознает это и игнорирует сообщение.
Сеансный. Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит: создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений в течение сеанса и завершение сеанса.
Уровень представления. Служит для преобразования данных из внутреннего формата компьютера в другой формат. Такая ситуация может возникнуть в ЛВС с не однотипными рабочими станциями, которым необходимо обмениваться данными.
Прикладной. Этот уровень является пограничным между прикладной программой и процессами модели OSI. Сообщение, предназначенное для передачи через компьютерную сеть, попадает в модель OSI в данной точке, проходит до уровня 1 (физического), пересылается на другую рабочую станцию, проходит от уровня 1 в обратном порядке, до достижения прикладной программы на другой рабочей станции через ее прикладной уровень.
Для объяснения работы различных уровней можно использовать аналогию с почтовой службой. Прикладной уровень представляется листом бумаги, согнутым так, чтобы он мог войти в конверт. Уровень представления - это конверт с подписанным адресом. Сеансный уровень - конверт с добавленными именами отправителя и адресата. Транспортный уровень аналогичен почтовому отделению. Сетевой уровень выполняет функции почтальона. Канальный уровень работает как почтовый ящик. Физический уровень - собственно служба доставки.
Протоколы низкого уровня
Ethernet протоколы. Протокол Ethernet в стандарте 10BaseT и его дальнейшем развитии 100BaseT является наиболее распространенным протоколом физического уровня для построения ЛВС. Это протокол, работающий по схеме обнаружения коллизий (полное название таких протоколов: CSMA/CD -Множественный доступ с проверкой несущей и обнаружением коллизий). В ЛВС, работающей по такой схеме обнаружения коллизий, адаптеры непрерывно находятся в состоянии прослушивания сети. При необходимости передачи данных узел должен "дождаться" освобождения сети, и только после этого он может приступать к передаче. Однако в этом случае передача сообщений может начаться одновременно двумя или более узлами ЛВС. Это и называется коллизией. Узлы должны будут повторить свои сообщения, причем повтор сообщений в таких случаях производится адаптером самостоятельно, без вмешательства прикладной программы. Время, затрачиваемое на обнаружение и обработку таких событий, обычно не превышает микросекунды. Номинальная пропускная способность сети с использованием стандарта 10BaseT - 10 Мбит/с.
В 1995 году был принят новый стандарт - 100BaseT, с номинальной пропускной способностью 100 Мбит/с. MAC подуровень в этом стандарте остался неизменным. Поддерживаются три спецификации среды (коаксиальные кабели исключены из числа сред, поддерживаемых 100BaseT). Большая, по сравнению с предыдущим стандартом производительность достигнута уменьшением интервала коллизий, что наложило серьезные ограничения на длину соединений ЛВС.
Наиболее серьезный недостаток Ethernet стандартов -задержки при передаче мультимедийной информации.
ATM протоколы. ATM (Asynchronous Transfer Mode - Асинхронный режим передачи) - это целая группа протоколов, определяющих метод транспортировки, мультиплексиро вания и коммутации данных. Решения, заложенные в этих протоколах, позволяют преодолеть недостатки Ethernet в области передачи мультимедийной информации.
В ATM поток бит разбивается на дискретные пакеты или ячейки, каждый из которых содержит заголовок, указывающий маршрут и другую необходимую информацию. Если размер ячеек невелик и общая пропускная способность линии высока, чувствительный к задержкам трафик может успешно передаваться вместе с неравномерным трафиком и каждый пользователь получает по каналу данных то, что он хочет. В идеале каждый потребитель данных получает нужную полосу пропускания по первому требованию.
Протоколы ATM ориентированы на предварительное установление соединений, и сеансы ATM реализуются в виртуальных сетях связи. В общем, ATM пригодна для протоколов уровней канала данных и физического, но поскольку для ориентированных на соединение протоколов не нужна маршрутизация, то ATM может непосредственно работать с протоколами верхних уровней.
Верхним уровнем стека протоколов ATM является слой адаптации ATM (AAL). Различные AAL соответствуют различным поддерживаемым ATM типам данных. Так, AAL1 позволяет устройству ATM быть похожим на звуковую линию связи с постоянной скоростью передачи; AAL3 - AAL5 используются для типов данных с переменной скоростью передачи, т. е. таких, которые обычно встречаются в компьютерных сетях. AAL также предназначен для интегрирования ориентированного на соединение ATM с источниками данных, работающими без установления соединения, что позволяет клиентам ATM эмулировать радиовещание и т.п.
Уровень ATM является ядром технологии. Имеется множество AAL и множество вариантов физических уровней, но протокол, который описывает состав заголовка ячейки и определяет действия коммутаторов над ячейками, для всех один и тот же. Уровень ATM отвечает за маршрутизацию ячейки, мультиплексирование и демультиплексирование.
На физическом уровне ATM поддерживает широкий спектр сред на пропускных способностях от 2 5 до 1544 Мбит/с.
FDDIпротоколы. FDDI (Fiber Distributed Data Interface - Оптоволоконный интерфейс распределения данных) - это топология с пропускной способностью 100 Мбит/с, основанная на двух независимых кольцах с противоположной ориентацией и протоколе передачи маркера по времени. Данные можно пересылать по обоим кольцам, но в большей части систем информация пересылается по первичному кольцу, а вторичное используется в качестве резервного. Наличие двух колец с противоположной ориентацией обеспечивает отказоустойчивость и избыточность.
Для FDDI характерны те же трудности при передаче мультимедийной информации, что и для Ethernet. Стоимость одного FDDI подключения выше Ethernet подключения в 3-4 раза.
Протоколы среднего уровня
Рассмотренные выше протоколы работают на самом низком уровне ЛВС (исключение - ATM). Ethernet и FDDI имеют дело с передачей сообщений (пакетов) между компьютерами, но ничего не знают о файл-серверах и перенаправлении файлов. Эти протоколы не включают никаких средств для обеспечения правильной последовательности приема данных, а также средств для идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.
Протоколы среднего уровня NetBIOS, IPX/SPX и ТСР/IР при классификации по модели OSI более всего соответствуют транспортному уровню с некоторыми характеристиками других уровней (таких, как сеансовый уровень). Эти протоколы позволяют компьютерам и ДВС легко обмениваться данными друг с другом.
Протоколы высокого уровня, предназначенные для выполнения функций перенаправления файлов, используют протоколы среднего уровня для передачи пакетов сообщений между рабочими станциями и серверами.
Независимо от внутренней конструкции каждого конкретного протокола они имеют определенные общие функции и свойства.
Инициализация связи. Каждый протокол имеет средства для идентификации рабочей станции по имени, номеру или по обоим этим атрибутам. Эта схема идентификации доступна как по уровню, где осуществляется перенаправление файлов, так и по уровню прикладной программы. Обмен информацией между определенными узлами активизируется после идентификации узла-адресата рабочей станцией, инициирующей диалог. Инициирующая станция также устанавливает один из типов диалога: датаграмму, в которой пакеты адресуются и передаются без гарантии или подтверждения получения, и сеанс, в котором устанавливается связь с определенной станцией и гарантируется доставка сообщений.
Отправка и получение данных. Каждый протокол предоставляет средства для отправки и получения сообщений рабочими станциями адресата и источника. Протокол накладывает определенные ограничения на длину сообщений; кроме того, он предоставляет участникам диалога сеансного типа средства для определения статуса диалога. Например, рабочая станция может быть неумышленно выключена во время диалога. Тогда остальные участники диалога могут выяснить, что возникла ошибка в сети.
Завершение обмена. Протокол предоставляет средства для "вежливого" завершения диалога.
В настоящее время, в связи с развитием глобальной сети Internet, проникновением архитектуры Internet в корпоративные сети (так называемые Intranet сети) и широким распространением Windows NT как сетевой ОС для ЛВС в качестве сетевого протокола среднего уровня все чаще используется протокол TCP/IP.

4.5. Имитационное моделирование
процесса разработки технических
средств систем, управления

Номенклатура периферийных технических средств для комплектации КТС различных СУ, выпускаемых в настоящее время промышленностью, недостаточно широка, поэтому разработчики вынуждены самостоятельно создавать технические средства, наилучшим образом соответствующие специфике конкретных предприятий. При современной динамике развития экономики СУ требуют промышленного подхода к технологии разработки технических средств. При этом привносятся соответствующие термины, определяющие процесс разработки ТС.
Процесс разработки ТС - это последовательное и согласованное изменение состояния ТС на этапах разработки, заканчивающееся получением их в виде продукта, готового к изготовлению (производству), с заданными параметрами и качеством.
Технологический процесс (ТП) разработки ТС - это часть процесса разработки ТС (или его компоненты), соответствующая и обеспечивающая получение ТС в некотором завершенном состоянии; представляется совокупностью технологических операций (TПi={TOj}), зафиксированных в карте TПi и функционально взаимосвязанных технологическим маршрутом.
Технологическая операция (ТО) - это элементарная часть технологического процесса по преобразованию частичного состояния ТС (т.е. состояния его компоненты).
Технологическая линия (ТЛ) - процесс разработки ТС определенного типа, охватывающий полный цикл преобразования ТС - от начального состояния до получения его в завершенном виде с заданным качеством; представляет собой совокупность ТП (TЛ={ТПj},j= ), объединенных технологическим маршрутом.
Технологический маршрут - это графовая структура взаимосвязи ТО в ТП (ТП в ТЛ) с последовательным, параллельным, циклическим и условным режимами выполнения элементов.
Технологическая карта процесса или линии - это спецификация ТП или ТЛ, задающая состав операций в ТП или процессов в ТЛ, специализацию исполнителей, виды входных и выходных документов и применяемых технологических методов и средств на каждой ТО или ТП.
Карта выполнения ТП - это задание на выполнение ТП: является средством связи между поставщиком и реализатором ТС по ТП (ТЛ).
Технологический метод - это совокупность принципов (правил) и способов преобразования состояния ТС.
Технологические средства - это языки описаний, средства визуального представления (бланки, схемы, диаграммы и др.) проектных решений процесса разработки ТС.
Технологический модуль - это методическая, языковая и программная поддержка разработки (методические и нормативные документы, языки спецификаций и программирования, трансляторы, редакторы текстов, системы сборки и синтеза, система планирования и контроля исполнения, оценки качества и Т.Д.).
Рассмотрим модельный подход к разработке ТС, обеспечивающий формализованное представление процесса разработки ТС.
Модель процесса проектирования приведена на рис.4.5.1. Она соответствует методу проектирования ТС сверху вниз, при котором понятия (i+1)- го уровня (ТПi+1) описываются через элементарные понятия 1-го уровня и представляют собой данные, входящие в класс понятий состояния SiТС. При этом не исключаются переходы с одного уровня абстракции на другой (сверху вниз и снизу вверх)
Этапы процесса отождествляются с технологическими процессами ТПi (i=0,..., 5), для каждого из которых фиксируется определенное состояние (S) программного средства (начальное при входе в ТП( и конечное при выходе из него). Переход состояния Si в Si+i на ТП связан с выполнением технологических операций, входящих в состав ТПi. При этом для каждого типа ТС может быть свой набор ТО для ТП, а также состояние ТС, определенное на соответствующем множестве исходных данных, характеризующих это состояние.
Модель процесса разработки. Выделение состава ТПi и содержания технологических операций зависит от класса ТС, используемой методологии и принятой организации проведения работ. При определении состава и содержания ТП решается задача обеспечения инженерной дисциплины разработки, основанной на современных принципах, методах и инструментах, способствующих полному и адекватному отображению понятий и функций реализуемой предметной области в элементы состояния S. Основная цель выделяемых ТПi ТП состоит в получении некоторого законченного полуфабриката (Si-состояния ТС), фрагментов проектной документации (ПД), экспертизы научно-технического уровня и качества разработки в соответствии с моделью качества (Мкач), разработанной на этапе анализа требований к ТС.
Для каждого ТП модели жизненного цикла в общем виде определим элементы состояния ТС, состав ТП= {}, j = , обеспечивающих преобразование исходного состояния и получение конечного состояния. Каждое состояние Si (i = 0,5) на ТП в основном определяется на следующем наборе данных:
модель ТС (или его элементов), над которой проводится преобразование;
технологические операции, обеспечивающие преобразование моделей ТС, формирование документации и контроль результата;

Анализ требований к ТС ТП0 Проектирование структуры ТС ТП1 Разработка алгоритмов ТС ТП2 Программирование ТС ТП3 Тестирование ТС ТП4 Сопровождение ТС ТП5
Рис.4.5.1.

выходной результат технологического процесса преобразования (новое состояние модели ТС);
состав исполнителей, осуществляющих процесс преобразования исходного состояния ТС в конечное.
Каждый ТП должен обеспечить:
переход продукта из одного состояния в другое;
проверку результата преобразования состояния продукта на этапах разработки на соответствие заданным показателям качества;
фиксацию деятельности исполнителей;
планирование и нормирование труда исполнителей и др.
Таким образом, технологическая модель процесса разработки является отражением модели .жизненного цикла, способов преобразования состояний ТС и может быть представлена в виде Mпр = {S, ТП (),}, i=0, ..., 5, j=1,..., k
Где S-множество состояний ТС
S = {Si}, i = 0, ..., 5) на этапах жизненного цикла; ТП={ТПi}, i=0s ..., 5, - множество преобразований (трансформаций) состояний ТС, производимых с помощью соответствующих ТО И технологических модулей (ТМ), сгруппированных но ТПi.
Множество S рассматриваемой модели включает:
S0 - исходное (начальное) состояние, т.е. описание требований заказчика к данному ТС;
S1 - состояние ТС, т.е. описание в классе языков спецификаций L1 функций (), структуры данных () и т.п.;
S2 - состояние ТС, соответствующее техническому проекту и включающее описание в класс языков L2 функций (), данных (), интерфейсов (), элементов документации (), оценочных элементов модели качества () и др.;
S3 - состояние ТС, соответствующее рабочему проекту и включающее описание в языках программирования (класс L3) текстов программ (,), модулей () и т.п.;
S4 - состояние ТС, соответствующее полученному программному продукту, которое проверяется на соответствие заданным функциям и значениям показателей качества;
S5 - состояние ТС на этапе сопровождения.
Модель частичного процесса. Технологический процесс (ТПi), входящий в состав Мпр, является промежуточным, частичным процессом, осуществляющим преобразование Si-го состояния ТС с помощью набора ТО Мпр, каждый из которых поддерживает ТМ.
Набор операций Мпр не является фиксированным, -он уточняется для каждого типа ТС и описывается в технических документах. Среди операций могут быть типовые, используемые при создании конкретной технологии разработки ТС определенного типа. Для обеспечения технологичности разработки в их состав входят операции управления качеством разработки и формирования документации на всех этапах разработки в соответствии с системой моделей, определенной выше.
Модель любого частичного ТПi в общем виде представлена на рис.4.5.2.
Состояние ТС определяется набором частичных состояний ,..., , подаваемых на вход ТОК. Данный набор для конкретного ТС конечен.
Каждый частичный процесс ТП; является абстрактным конечным автоматом, граф которого совпадает с технологическим маршрутом процесса, множество состояний которого определено по совокупности операций {}ТО.

Рис.4.5.2
Переход из состояния Si в состояние Si+] может произойти только под действием элементов технологического маршрута и осуществляется техническим диспетчером посредством выбора из множества операций процесса, зафиксированных в карте i-гo процесса, очередной операции при условии, что результат предыдущей операции проанализирован и выполнен.
Задача выполнения i-гo процесса заключается в переводе автомата из некоторого состояния Si-1 в состояние Si с удовлетворением операций преобразования, качественной и количественной оценки результата разработки и формирования фрагментов ПД по МПД.
С точки зрения теории графов эта задача эквивалентна поиску пути на графе, который начинается S0 и заканчивается Sm при ограничениях, накладываемых технологическим диспетчером и показателями качества, характеризующими состояние ПС на текущем частичном процессе МПP

<< Пред. стр. 5 (из 7) След. >>

Список литературы по разделу