Главная
Веб-редактирование и типографика
1. Автоматизированные информационные системы и технологии и проектирование информационных систем
Основные понятия об автоматизированных системах

Кто не делится найденным, подобен свету в дупле секвойи (древняя индейская пословица)

Версия для печати

Библиографическая запись: Основные понятия об автоматизированных системах. — Текст : электронный // Myfilology.ru – информационный филологический ресурс : [сайт]. – URL: https://myfilology.ru//165/informaczionnye-sistemy-i-texnologii/osnovnye-ponyatiya-ob-avtomatizirovannyx-sistemax/ (дата обращения: 20.04.2024)

Основные понятия об автоматизированных системах

Содержание

Классификация автоматизированных систем

В зависимости от вида деятельности выделяют, например, следующие виды АС: автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) и др.
2. В зависимости от вида управляемого объекта (процесса) АСУ делят, например, на АСУ технологическими процессами (АСУТП), АСУ предприятиями (АСУП) и т.д.

Принято выделять простые и сложные системы. Сложность может проявляться двумя различными путями: статическим и динамическим. Статическая сложность (детальная) определяется в процессе детализации как количество рассматриваемых элементов. Динамическая сложность зависит от отношений между элементами. Информационные системы относятся к классу динамически сложных. Таким образом, информационная система состоит из множества элементов или подсистем, которые находятся в разных состояниях и могут изменяться, в зависимости от изменения других частей.

Порядок и правила проведения классификации автоматизированных систем определены в руководящем документе "Автоматизированные системы. Защита от несанкционированного доступа к информации. Классификация автоматизированных систем и требования по защите информации", утвержденном решением председателя Государственной технической комиссии при Президенте Российской Федерации от 30.03.1992 г. В соответствии с ним, установлено девять классов защищенности автоматизированных систем от несанкционированного доступа к информации. Каждый класс характеризуется определенной минимальной совокупностью требований по защите. Классы подразделяются на три группы, отличающиеся особенностями обработки информации в автоматизированной системе. В пределах каждой группы соблюдается иерархия требований по защите в зависимости от ценности (конфиденциальности) информации и, следовательно, иерархия классов защищенности автоматизированных систем.

Третья группа включает автоматизированные системы, в которых работает один пользователь, допущенный ко всей информации автоматизированной системы, размещенной на носителях одного уровня конфиденциальности. Группа содержит два класса - 3Б и 3А.

Вторая группа включает автоматизированные системы, в которых пользователи имеют одинаковые права доступа (полномочия) ко всей информации автоматизированной системы, обрабатываемой и (или) хранимой на носителях различного уровня конфиденциальности. Группа содержит два класса - 2Б и 2А.

Первая группа включает многопользовательские автоматизированные системы, в которых одновременно обрабатывается и (или) хранится информация разных уровней конфиденциальности. Не все пользователи имеют право доступа ко всей информации автоматизированной системы. Группа содержит пять классов - 1Д, 1Г, 1В, 1Б и 1А.

Следует отметить, что классы 3А, 2А, 1А, 1Б и 1В присваиваются автоматизированным системам, обрабатывающим информацию, содержащую сведения, составляющие государственную тайну (секретная - С, совершенно секретная – СС и особой важности - ОВ).

В общем, схему классификации автоматизированных систем по степени защищенности можно представить в следующем виде:

Автоматизированные системы
Класс защищенности	1А	1Б	1В	1Г	1Д	2А	2Б	3А	3Б
Режим обработки информации	Многопользовательский					Многопользовательский		Однопользовательский
Права доступа субъектов	Разные полномочия на доступ к конфиденциальной информации					Равные полномочия на доступ к конфиденциальной информации		Один пользователь имеет доступ ко всей информации
Уровень конфиденциальности информации	ОВ	СС	С	Информация ограниченного доступа		ОВ СС С	Информация ограниченного доступа	ОВ СС С	Информация ограниченного доступа

Основные выделяемые признаки, по которым осуществляется классификация автоматизированных систем:

Сфера, в которой функционирует объект управления: строительство, промышленность, непромышленная сфера, сельское хозяйство.
Вид рабочего процесса: организационный, экономический, промышленный.
Уровень в системе государственного управления.

Классификация структур автоматизированных систем в промышленной сфере:

Децентрализованная структура. Система с данной структурой применяется для автоматизации независимых объектов управления и является наиболее эффективной для этих целей. В системе имеется комплекс независимых друг от друга систем с индивидуальным набором алгоритмов и информации. Каждое выполняемое действие осуществляется исключительно для своего объекта управления.

Централизованная структура. Реализует все необходимые процессы управления в единой системе, осуществляющей сбор и структурирование информации об объектах управления. На основании полученной информации, система делает выводы и принимает соответствующее решение, которое направлено на достижение первоначальной цели.

Централизованная рассредоточенная структура. Структура функционирует по принципам централизованного способа управления. На каждый объект управления вырабатываются управляющие воздействия на основании данных обо всех объектах. Некоторые устройства могут быть общими для каналов.

Алгоритм управления основывается на комплексе общих алгоритмов управления, реализующиеся с помощью набора связанных объектов управления. При работе каждый орган управления принимает и обрабатывает данные, а также передает управляющие сигналы на объекты. Достоинством структуры является не столь строгие требования относительно производительности центров обработки и управления, не причиняя ущерба процессу управления.

Иерархическая структура. В связи с возрастанием количества поставленных задач в управлении сложными системами значительно усложняются и отрабатывающиеся алгоритмы. В результате чего появляется необходимость создания иерархической структуры. Подобное формирование значительно уменьшает трудности по управлению каждым объектом, однако, требуется согласовать принимаемые ими решения.

Типы АС

В зависимости от выполняемых функций АИС различают следующие типы автоматизированных систем:

АСУП – системы управления предприятием.
АСУТП – системы управления технологическими процессами.
АСУПП – системы подготовки производства.
ОАСУ – отраслевые системы управления.
организационно-административные.
АСК – системы контроля качества продукции.
ГПС- гибкие производственные системы.
ЧПУ – системы управления станками с числовым программным обеспечением.
группы систем или интегрированные системы.

Информационные системы классифицируются также по степени автоматизации проводимых операций:

ручные;
автоматизированные;
автоматические.

Ручные – в них отсутствуют современные средства для обработки информации, и все операции осуществляются человеком в ручном режиме.

Автоматические – абсолютно все операции по обработке информации осуществляются с применением технических средств без участия человека.

Автоматизированные информационные системы производят операции как с помощью технических средств, так и с помощью человека, однако, основная роль передается компьютеру. ИС классифицируются по степени автоматизации, а также по сфере применения и характеру деятельности.

Классификация АСУ может быть осуществлена по различным принципам и признакам, характеризующим назначение и конструкцию систем, вид применяемой энергии, используемые алгоритмы управления и функционирования и т.д.

В зависимости от характера изменения задающего воздействия во времени АСУ разделяют на три класса:

стабилизирующие;
программные;
следящие.

Стабилизирующая АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным:

x(t) ≈ const.

Знак ≈ означает, что управляемая величина поддерживается на заданном уровне с некоторой ошибкой.

Стабилизирующие АСУ самые распространенные в промышленной автоматике. Их применяют для стабилизации различных физических величин, характеризующих состояние технологических объектов.

Программная АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени fп(t):

x(t) ≈ fп(t).

Следящая АСУ –система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее неизвестной функцией времени fс(t):

x(t) ≈ fс(t).

Примером следящей АСУ является система управления активной мощностью нагрузки синхронного генератора на электрической станции в течение суток. Управляемой величиной в системе служит активная мощность нагрузки Р генератора. Закон изменения задания активной мощности Рз (задающего воздействия) определяется, например, диспетчером энергосистемы и имеет неопределенный характер в течение суток.

В стабилизирующих, программных и следящих АСУ цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x(t) к ее заданному значению xз(t). Такое управление, осуществляемое с целью поддержания x(t) ≈ xз(t), называется регулированием.

Управляющее устройство, осуществляющее регулирование, называется регулятором, а сама система – системой регулирования.

В зависимости от конфигурации цепи воздействий различают три вида АСУ:

с разомкнутой цепью воздействий (разомкнутая система);
с замкнутой цепью воздействий (замкнутая система);
с комбинированной цепью воздействий (комбинированная система).

Разомкнутая АСУ – система, в которой не осуществляется контроль управляемой величины, т.е. входными воздействиями ее управляющего устройства являются только внешние (задающее и возмущающее) воздействия.

Замкнутая АСУ (АСУ с обратной связью) – система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешнее (задающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.

В зависимости от способа выработки управляющего воздействия замкнутые АСУ разделяют на:

беспоисковые;
поисковые.

Беспоисковая АСУ – АСУ, в которой управляющее воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой величины с заданным значением.

Такие системы применяют для управления сравнительно несложными объектами, характеристики которых достаточно хорошо изучены и для которых заранее известно в каком направлении и на сколько нужно изменить управляющее воздействие при определенном отклонении управляемой величины от заданного значения.

Поисковая АСУ – АСУ, в которой управляющее воздействие формируется с помощью пробных управляющих воздействий и путем анализа результатов этих пробных воздействий.

Такую процедуру поиска правильного управляющего воздействия приходится применять в тех случаях, когда характеристики объекта управления меняются или известны не полностью; например, известен вид зависимости управляемой величины от управляющего воздействия, но неизвестны числовые значения параметров этой зависимости. Поэтому поисковые системы называют еще системами с неполной информацией.

По такому принципу можно, например, строить АСУ режимом тепловой электрической станции в условиях нестабильности теплотворной способности топлива, температуры охлаждающей воды, режима нагрузки и т.д. с целью обеспечения минимума затрат на производство тепловой и электрической энергии.

Особый класс АСУ образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта управления, обеспечивая при этом необходимое качество управления путем изменения структуры и параметров управляющего устройства. Они называются адаптивными (самоприспосабливающимися) системами. В составе адаптивной АСУ имеется дополнительное автоматическое устройство, которое меняет алгоритм управления основного управляющего устройства таким образом, чтобы АСУ в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования адаптивной АСУ предписывает обычно максимизацию показателя качества, который характеризует либо свойства процесса управления в АСУ в целом (быстродействие, точность и т.д.), либо свойства процессов, протекающих в объекте управления (производительность, достижение наивысшего коэффициента полезного действия, минимизация затрат и т. д.). Поэтому адаптивные АСУ являются, как правило, еще и оптимальными.

Классификация АСУ по дополнительным признакам АСУ

В зависимости от вида сигналов, действующих в системах, АСУ разделяют на:

непрерывные;
дискретные.

Непрерывная АСУ – АСУ, в которой действуют непрерывные (аналоговые), определенные в каждый момент времени сигналы.

Дискретная АСУ - АСУ, в которой действует хотя бы один дискретный, определенный только в некоторые моменты времени сигнал.

К дискретным АСУ относятся, например, АСУ, имеющие в своем составе цифровые вычислительные устройства: микропроцессоры, контроллеры, электронные вычислительные машины.

По виду дифференциальных уравнений, описывающих элементы АСУони делятся на:

линейные;
нелинейные.

Линейные АСУ – АСУ, все элементы которых описываются линейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.

Нелинейные АСУ – АСУ, хотя бы один элемент которой описывается нелинейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.

Определение системы, внешняя среда, структура систем

ГОСТ 34.003-90 содержит следующее определение автоматизированной системы: система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.

Согласно определению, система есть сущность, которая в результате взаимодействия ее частей (компонентов) может поддерживать свое существование и функционировать как единое целое. Из определения следует, что поведение системы зависит не от природы свойств образующих ее частей, а от того, как эти части соединены между собой.

Когда нужно дать определение автоматизированной системы, предназначенной для обработки материальных или энергетических ресурсов (изготовления, сборки, транспортирования), можно привести такое определение по ДСТУ 2960-94:

Автоматизированная система — организационно-техническая система, состоящая из средств автоматизации определенного вида или нескольких видов деятельности людей и персонала, осуществляющего эту деятельность.

Автоматизированная система (в информационных технологиях) — система, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций с помощью персонала и комплекса средств автоматизации.

По виду элементов информационная система относится к системам типа «процесс» (элементами являются информационные процессы).

Другие важные определения.

Структура — совокупность элементов и их связей.
Цель — состояние, к которому стремится система.
Среда — метасистема, в которой рассматриваемая система является составной частью.
Функционирование системы — работа системы в рамках заданной структуры.
Развитие системы — работа системы в условии острых противоречий, которые могут вызвать изменение структуры.
Управление — целенаправленный перевод системы из одного состояния в другое желаемое.

Если целью является познание уже существующей системы, то вполне пригодным оказывается дескриптивное определение системы.

Система — совокупность объектов, свойства которой определяются отношением между этими объектами.

Объекты называют подсистемами или элементами системы. Каждый объект при самостоятельном исследовании может рассматриваться как система. Функции объекта определяются его внутренним устройством. Таким образом, дескриптивное определение системы играет познавательную роль для объяснения функций, реализуемых системой. Функции системы проявляются в процессе взаимодействия ее с внешней средой. При этом важно определить границу между внешней средой и создаваемой системой. Это можно осуществить на основе конструктивного определения системы. Для технических систем особое значение имеет конструктивный подход.

Любая техническая система создается под заранее известную цель, которая обычно является субъективной, поскольку она предлагается разработчиком, но эта цель должна исходить из объективных потребностей общества. Таким образом, можно считать, что цель формируется в процессе взаимодействия между явлениями окружающей действительности. При этом возникает ситуация, которая заставляет строить новую систему. Ситуация может стать проблемной, если она не разрешается тлеющимися средствами. Могут создаваться новые недостающие средства, и в этом смысле ярким примером являются информационные технологии.

Внешняя среда

В настоящее время сформировались идеология и практика применения различных средств извлечения, передачи, хранения, обработки и представления информации. Однако разрозненное их применение или использование в ограниченной совокупности не позволяло до сих пор получить значительный системный эффект. Необходим подход к информационным технологиям как к системе. Такой подход является обоснованным ввиду того, что информационная технология обладает единой целью, а именно: необходимостью формирования информационного ресурса в обществе, имеет сопрягаемые взаимодействующие средства ее реализации, характеризуется тенденцией развития в связи с интенсивным обновлением средств вычислительной техники и техники связи. Анализ информационных технологий как системы должен выполняться на основе дескриптивного определения, разработка информационных технологий должна базироваться на конструктивном подходе. Такой подход предполагает необходимость возникновения проблемной ситуации для разработки системы. Можно считать, что возникающая проблема порождает будущую систему. Прежде всего разработчик должен определить границы системы, полагая, что цель ее функционирования известна. Необходимо в состав системы включить те элементы, которые своим функционированием обеспечат реализацию заданной цели. Значит, конструктивное определение системы состоит в следующем: система — конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, которые выделяются из окружающей среды в соответствии с поставленной целью в рамках определенного временного интервала ее реализации. Все то, что не вошло в состав системы, относят к окружающей среде. Очевидно, что окружающая среда включает в себя другие системы, которые реализуют свои цели функционирования. Входы и выходы системы связаны с внешней средой. На модельном уровне выделяют модель системы, модель внешней среды на входе системы, модель внешней среды на выходе системы и модели связей между системой и внешней средой на входе и выходе. Внешней средой для информационной технологии могут выступать производство, научное исследование, проектирование, обучение и т.д. Связи между информационной технологией и внешней средой носят чисто информационный характер. В процессе взаимодействия с внешней средой реализуются основные функции информационной технологии. Функции как проявление свойств системы во времени тесно связаны с ее структурой. Дескриптивный подход реализуется путем изучения функции или структуры системы. В соответствии с этим в теории систем получили применение функциональный и структурный подходы.

Внешняя среда, взаимодействуя с информационной технологией как с системой, может выступать как метасистема, ставя перед ней определенные задачи и формулируя цели. Внедрение информационных технологий в жизнь общества за конечный временной интервал даст эффект, если будут типизированы системы, в которые внедрены информационные технологи^, и определены типовые структуры информационной технологий. Для каждой системы существует свое территориальное распределение пользователей и средств информационной технологии. Разным может быть и комплекс решаемых задач. Характер и временной интервал реализации целей информационных технологий также зависят от того, в какой области технология используется: в промышленности, научных исследованиях, проектировании, обучении и т.д. Возникает задача создания широкого набора конкретных информационных технологий, настроенных на параметры реальных систем. Таким образом, информационные технологии становятся массовым объектом разработки.

Структура

Структура (лат. structure) — прочная, относительно устойчивая связь (отношение) и взаимодействие элементов, сторон, частей предмета, явления, процесса как целого.

Учитывая специфику ИС, структура — это совокупность конфигураций. Таким образом, структура системы определяется через множество выбранных видов элементов, множество элементов, множество рассматриваемых видов отношений и отношений и множество функций принадлежности, характеризующих количественно связи элементов.

Учитывая, что структура отображает связи между элементами системы с учетом их взаимодействия в пространстве и во времени, можно утверждать, что структурный подход есть развитие дескриптивного подхода. Он служит для изучения (познавания) какой-то существующей системы. Функциональный подход отображает функции системы, реализуемые в соответствии с поставленной перед вей целью. Поэтому функциональный подход есть развитие конструктивного. Функции системы должны быть заданы при ее построении и должны реализовываться при функционировании системы.

Структура системы описывается на концептуальном, логическом и физическом уровнях:

концептуальный уровень позволяет качественно определить основные подсистемы, элементы и связи между ними;
на логическом уровне могут быть сформированы модели, описывающие структуру отдельных подсистем и взаимодействия между ними;

Физический уровень означает реализацию структуры на известных программно-аппаратных средствах. Так как техническая система создается искусственно, то цель ее функционирования заранее субъективно известна. Можно считать, что этой цели соответствуют определенный перечень функций и некоторая оптимальная структура системы, называемая формальной структурой. Под ней понимают совокупность функциональных элементов и отношений между ними, необходимых и достаточных для достижения системой заданной цели. Формальная структура есть некоторая идеальная, не имеющая физического наполнения структура. Она реализуется различными средствами, поэтому формальной структуре может соответствовать ряд материальных физических структур.

В процессе функционирования АС является сочетанием:

комплекса технических средств автоматизации (ТСА) — совокупность взаимосогласованных компонентов и комплексов программного, технического и информационного обеспечений, которые разрабатываются, изготавливаются и поставляются как продукция производственно-технического назначения:
- - - - программное обеспечение автоматизированной системы — совокупность программ на носителях информации с программной документацией;
      - техническое обеспечение автоматизированной системы — совокупность средств реализации управляющих воздействий, средств получения, ввода, подготовки, преобразования, обработки, хранения, регистрации, вывода, отображения, использования и передачи данных с конструкторской и эксплуатационной документацией;
      - информационное обеспечение автоматизированной системы — совокупность системно-ориентированных данных, описывающих принятый в системе словарь базовых описаний (классификаторы, типовые модели, элементы автоматизации, форматы документации и т. д), и актуализированных данных о состоянии информационной модели объекта автоматизации (объекта управления, объекта проектирования) на всех этапах его жизненного цикла.
организационно-методического обеспечения автоматизированной системы — совокупность документов, определяющих: организационную структуру объекта и системы автоматизации, необходимых для выполнения конкретных функций, которые автоматизируются; деятельность в условиях функционирования системы, а также формы представления результатов деятельности;
специалистов, которые используют выше перечисленное в процессе своей профессиональной деятельности.

Внутреннее построение систем характеризуют при помощи структур, описывающих устойчивые связи между их элементами. При описании АС используют следующие виды структур, отличающиеся типами элементов и связей между ними:

функциональные (элементы — функции, задачи, процедуры; связи — информационные);
технические (элементы — устройства, компоненты и комплексы; связи — линии и каналы связи);
организационные (элементы — коллективы людей и отдельные исполнители; связи — информационные, соподчинения и взаимодействия);
документальные (элементы — неделимые составные части и документы АС; связи — взаимодействия и подчинения);
алгоритмические (элементы — алгоритмы; связи — информационные);
программные (элементы — программные модули и изделия, связи — управленческие);
информационные (элементы — формы существования и представления информации в системе; связи — операции преобразования информации в системе).

Виды обеспечения систем (техническое, программное, математическое и др.)

Математические средства включают в себя модели решения функциональных задач и модели организации информационных процессов, обеспечивающие эффективное принятие решения. Математические средства автоматически переходят в алгоритмические, обеспечивающие их реализацию.

Технические и программные средства задают уровень реализации информационных технологий, как при их создании, так и при их реализации.

Основы системного анализа

Системный анализ — это совокупность методов, основанных на использовании ЭВМ и ориентированных на исследование сложных систем — технических, экономических, экологических и т.д. Результатом системных исследований является, как правило, выбор вполне определенной альтернативы: плана развития региона, параметров конструкции и т. д. Поэтому истоки системного анализа, его методические концепции лежат в тех дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений: исследование операций и общая теория управления.

Ценность системного подхода состоит в том, что рассмотрение категорий системного анализа создает основу для логического и последовательного подхода к проблеме принятия решений. Эффективность решения проблем с помощью системного анализа определяется структурой решаемых проблем.

Согласно классификации, все проблемы подразделяются на три класса:

хорошо структурированные (well-structured), или количественно сформулированные проблемы, в которых существенные зависимости выяснены очень хорошо;
слабо структурированные (ill-structured), или смешанные проблемы, которые содержат как качественные элементы, так и малоизвестные, неопределенные стороны, которые имеют тенденцию доминировать;
неструктурированные (unstructured), или качественно выраженные проблемы, содержащие лишь описание важнейших ресурсов, признаков и характеристик, количественные зависимости между которыми совершенно неизвестны.

Методы решения

Для решения хорошо структурированных количественно выражаемых проблем используется известная методология исследования операций, которая состоит в построении адекватной математической модели (например, задачи линейного, нелинейного, динамического программирования, задачи теории массового обслуживания, теории игр и др.) и применении методов для отыскания оптимальной стратегии управления целенаправленными действиями.

Системный анализ предоставляет к использованию в различных науках, системах следующие системные методы и процедуры:

абстрагирование и конкретизация
анализ и синтез, индукция и дедукция
формализация и конкретизация
композиция и декомпозиция
линеаризация и выделение нелинейных составляющих
структурирование и реструктурирование
макетирование
реинжиниринг
алгоритмизация
моделирование и эксперимент
программное управление и регулирование
распознавание и идентификация
кластеризация и классификация
экспертное оценивание и тестирование
верификация
и другие методы и процедуры.

Процедура принятия решений

Для решения слабо структурированных проблем используется методология системного анализа, системы поддержки принятия решений (СППР). Рассмотрим технологию применения системного анализа к решению сложных задач.

Процедура принятия решений включает следующие основные этапы:

формулировка проблемной ситуации;
определение целей;
определение критериев достижения целей;
построение моделей для обоснования решений;
поиск оптимального (допустимого) варианта решения;
согласование решения;
подготовка решения к реализации;
утверждение решения;
управление ходом реализации решения;
проверка эффективности решения.

Для многофакторного анализа, алгоритм можно описать и точнее:

описание условий (факторов) существования проблем, И, ИЛИ и НЕ связывание между условиями;
отрицание условий, нахождение любых технически возможных путей. Для решения нужен хотя бы один единственный путь. Все И меняются на ИЛИ, ИЛИ меняются на И, а НЕ меняются на подтверждение, подтверждение меняется на НЕ-связывание;
рекурсивный анализ вытекающих проблем из найденных путей, то есть п. 1 и п. 2 заново для каждой подпроблемы;
оценка всех найденных путей решений по критериям исходящих подпроблем, сведенным к материальной или иной общей стоимости.

Алгоритмические, функциональные и структурные схемы АС

Структурная схема системы управления графически отображает ее состав; входящие в эту систему элементы и связи между ними.

На функциональных схемах элементы системы группируются на основании общности выполняемых ими функций, например, по принадлежности к объекту или к контроллеру. На алгоритмических схемах основное значение имеет характер преобразования сигналов в отдельных элементах. На физических схемах отражаются аппаратурные особенности и физическая природа носителей сигналов и т.д. Теория автоматического управления, как правило, абстрагируется от физической природы объекта.

В теории автоматического управления чаще всего имеют дело с функциональной и алгоритмической структурами (схемами). Функциональные и алгоритмические схемы состоят из условных изображений элементов и звеньев (обычно в виде прямоугольников) и различных связей, изображаемых в виде линий со стрелками, показывающих направление передачи воздействий. Каждая линия соответствует обычно одному сигналу или одному воздействию. Около каждой линии указывают физическую величину, характеризующую данное воздействие. Обычно вначале составляют функциональную схему АСУ, а затем – алгоритмическую.

Функциональная структура (схема) – структура (схема), отражающая функции (целевые назначения) отдельных частей АСУ. Такими функциями могут быть:

получение информации о состоянии объекта управления;
преобразование сигналов;
сравнение сигналов и т.п.

В качестве частей функциональной структуры (схемы) АСУ рассматриваются функциональные устройства. Названия устройств указывают на выполнение определенной функции. Например:

датчик;
усилитель;
блок сравнения;
управляющий блок;
исполнительное устройство и т.п.

Алгоритмическая структура (схема) – структура (схема), представляющая собой совокупность взаимосвязанных алгоритмических звеньев и характеризующая алгоритмы преобразования информации в АСУ.

При этом алгоритмическое звено - часть алгоритмической структуры АСУ, соответствующая определенному математическому или логическому алгоритму преобразования сигнала. Если алгоритмическое звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию, то его называют элементарным алгоритмическим звеном.

Различают следующие виды алгоритмических звеньев:

статическое;
динамическое;
арифметическое;
логическое.

Статическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной мгновенно (без инерции). Связь между входным и выходным сигналами статического звена описывается обычно алгебраической функцией.

Динамическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени. Связь между входным и выходным сигналами динамического звена описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями.

К классу динамических звеньев относятся элементы АСУ, обладающие способностью накапливать какой-либо вид энергии или вещества.

Арифметическое звено – звено, осуществляющее одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление. Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором.

Логическое звено – звено, выполняющее какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), логическое сложение («ИЛИ»), логическое отрицание («НЕ») и т.д. Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.

Конструктивная структура (схема) – структура (схема), отражающая конкретное схемное, конструктивное и прочее исполнение АСУ. К конструктивным схемам относятся: кинематические схемы устройств, принципиальные и монтажные схемы электрические соединений и т. д. Так как ТАУ имеет дело с математическими моделями АСУ, поэтому конструктивные схемы интересуют в значительно меньшей степени чем функциональные и алгоритмические.

Цели, критерии и ограничения автоматизированных систем: характеристики, критерии качества, целевые функции

Цели и критерии

Критерий — оценка вариантов решений.

Цель — состояние, к которому стремится система.

Средства проектирования и оценочные критерии используются на всех стадиях разработки. Любой метод проектирования (аналитический, эвристический, процедурный), реализованный в виде программы, становится инструментальным средством проектирования, практически не подверженным влиянию стиля проектирования.

В настоящее время неопределенность при выборе критериев является наиболее слабым местом в проектировании. Это связано с трудностью описания и идентификации бесконечного числа альтернативных решений. При этом следует иметь в виду, что существует много признаков оптимальности, являющихся неизмеримыми свойствами, которые трудно выразить в количественном представлении или в виде целевой функции. Поэтому оценочные критерии принято делить на количественные и качественные.

К количественным критериям оценки относятся; время ответа на запрос, стоимость модификации, стоимость памяти, время на создание, стоимость на реорганизацию. Качественные критерии оценки включают: гибкость, адаптивность, доступность для новых пользователей, совместимость с другими системами, возможность конвертирования в другую вычислительную среду, восстановления, возможность распределения и расширения.

Трудность в оценке проектных решений связана также с различной чувствительностью и временем действия критериев. Например, критерий эффективности обычно является краткосрочным и чрезвычайно чувствительным к проводимыми изменениям, а такие понятия, как адаптируемости и конвертируемость, проявляются на длительных временных интервалах и менее чувствительны к воздействию внешней среды.

Целевые функции АС

Функция АС - совокупность действий АС, направленная на достижение определенной цели.

Функции АС устанавливают в техническом задании на создание конкретной АС на основе анализа целей управления, заданных ресурсов для их достижения, ожидаемого эффекта от автоматизации и в соответствии со стандартами, распространяющимися на данный вид АС. Каждая функция АС реализуется совокупностью комплексов задач, отдельных задач и операций. Функции АСУ в общем случае включают в себя следующие элементы (действия):

планирование и прогнозирование;
учет, контроль, анализ;
координацию и регулирование.

Необходимый состав элементов выбирают в зависимости от вида конкретной АС. Функции АС можно объединять в подсистемы по функциональному и другим признакам.

Функции при формировании управляющих воздействий

Функции обработки информации (вычислительные функции) — осуществляют учет, контроль, хранение, поиск, отображение, тиражирование, преобразование формы информации;
Функции обмена (передачи) информации — связаны с доведением выработанных управляющих воздействий до ОУ и обменом информацией с ЛПР;
Группа функций принятия решения (преобразование содержания информации) — создание новой информации в ходе анализа, прогнозирования или оперативного управления объектом.

Характеристики АС

Эффективность: Свойство АС, характеризуемое степенью достижения целей, поставленных при ее создании. Примечание. К видам эффективности АС, например, относят экономическую, техническую, социальную и др.
Показатель эффективности: Мера или характеристика для оценки эффективности АС.
Совместимость: Комплексное свойство двух или более АС, характеризуемое их способностью взаимодействовать при функционировании. Примечание: совместимость АС включает техническую, программную, информационную, организационную, лингвистическую и, при необходимости, метрологическую совместимость.
Техническая совместимость: Частная совместимость АС, характеризуемая возможностью взаимодействия технических средств этих систем.
Программная совместимость: Частная совместимость АС, характеризуемая возможностью работы программ одной системы в другой и обмена программами, необходимыми при взаимодействии АС.
Информационная совместимость: Частная совместимость АС, характеризуемая возможностью использования в них одних и тех же данных и обмена данными между ними.
Организационная совместимость: Частная совместимость АС, характеризуемая согласованностью правил действия их персонала, регламентирующих взаимодействие этих АС.
Лингвистическая совместимость: Частная совместимость АС, характеризуемая возможностью использования одних и тех же языковых средств общения персонала с комплексом средств автоматизации этих АС.
Метрологическая совместимость: Частная совместимость АС, характеризуемая тем, что точность результатов измерений, полученных в одной АС, позволяет использовать их в другой.
Адаптивность: Способность АС изменяться для сохранения своих эксплуатационных показателей в заданных пределах при изменениях внешней среды.
Надежность: Комплексное свойство АС сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность АС выполнять свои функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Примечание. Надежность АС включает свойства безотказности и ремонтопригодности AC, a в некоторых случаях и долговечности технических средств АС.
Живучесть: Свойство AC, характеризуемое способностью выполнять установленный объем функций в условиях воздействий внешней среды и отказов компонентов системы в заданных пределах.
Помехоустойчивость: Свойство АС, характеризуемое способностью выполнять свои функции в условиях воздействия помех, в частности от электромагнитных полей.

Критерии качества АС

Функциональные возможности: Набор атрибутов, относящихся к сути набора функций и их конкретным свойствам. Функциями являются те, которые реализуют установленные или предполагаемые потребности.
Надежность: Набор атрибутов, относящихся к способности программного средства сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени.
Практичность: Набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для использования и индивидуальной оценки такого использования определенным или предполагаемым кругом пользователей.
Эффективность: Набор атрибутов, относящихся к соотношению между уровнем качества функционирования программного средства и объемом используемых ресурсов при установленных условиях.
Сопровождаемость (maintainability): Набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для проведения конкретных изменений.
Мобильность: Набор атрибутов, относящихся к способности программного средства быть перенесенным из одного окружения (среды) в другое.

Ограничения

Сложность. Системы могут обладать иерархией с любым числом физических компонентов, с логическим разбиением, с несколькими уровнями подсистем, структур и компонентов. Подобные иерархии часто асимметричны, а аппаратные иерархии могут не соответствовать программной архитектуре.

Унаследованные системы (компоненты). Проектируемая система может функционировать в окружении унаследованных компонентов, будь то инструменты, компьютерное оборудование, программное обеспечение, сети, протоколы, алгоритмы.

Существующие бизнес-соглашения. Иногда проекты ИС приходится реализовывать в рамках существующих соглашений с изготовителями или разработчиками компонентов. Подобные соглашения возникают в связи с тем, что существуют группы, которые в прошлом успешно работали вместе, или в силу предполагаемого слияния дополняющих друг друга возможностей.

Конфликтующие требования. При реализации проекта приходится учитывать часто не связанные друг с другом требования пользователей или учитывать меняющиеся требования к системе, а также приходится добавлять функции или отказываться от запланированных.

Существующая технология. В силу сложившихся обстоятельств при проектировании системы приходится использовать технологии, которые отвечают различным требованиям к функциональности, интерфейсу, работе и производительности, но могут оказаться недостаточно совершенными.

Чтобы разрешить эти проблемы, специалисты по системной инженерии применяют различные стратегии, специальным образом предназначенные разрешить проблемы междисциплинарного взаимодействия. Они используют ряд представлений архитектуры: например, логическое, физическое, представление данных, представление процессов. Чтобы определить и выразить различные аспекты процесса разработки, применяются такие методики, как сети Петри (помогают определить параллельность и синхронизацию), машины с конечным числом состояний (состояния и режимы), структурный анализ (потоки данных) и PSL/PSA (Problem Statement). Объединение технологий разработки ИС позволяет уменьшить диссонанс между спецификацией и реальными параметрами готовой системы.

Основы проектирования автоматизированных систем управления. Оценка экономической эффективности

Основы проектирования АСУ

Процесс системной инженерии при определении архитектуры

задание структуры объекта автоматизации;
определение структуры основных данных;
задание перечня реализуемых функций и процессов;
описание интерфейсов;
описание отчетов;
настройку авторизации доступа;
настройку системы архивирования.

Стадии разработки определяют в наиболее общей форме состав действий по проектированию ИС, их последовательность и требования к составу и содержанию проектной документации. Стадии разработки регламентируются стандартами (ГОСТами и отраслевыми стандартами).

Методология определяет в наиболее общей форме состав действий по проектированию ИС, их последовательность и требования к составу и содержанию проектной документации. Конкретное содержание процесса проектирования зависит от реального объекта. Унификация и стандартизация позволяет объединять решения по отраслевому признаку. Для каждого решения разрабатываются модели, методы и стандарты.

Оценка экономической эффективности АС

Оценку (определение) экономической эффективности АСУ проводят для:

анализа и обоснования целесообразности создания функционирования и развития АСУ;
установления основных направлений применения АСУ;
выбора наиболее экономически эффективного варианта разработки и внедрения АСУ;
отражения показателей экономической эффективности АСУ в нормах, нормативах и планах предприятий, объединений, министерств;
формирования соответствующих показателей государственной статистической отчетности;
определения размеров отчислений в фонды экономического стимулирования за создание АСУ.

Выбор наиболее экономически эффективного варианта создания АСУ проводят по максимуму народнохозяйственного экономического эффекта, представляющего собой разность между результатами деятельности и затратами за установленный для данного мероприятия расчетный период, с учетом народнохозяйственных экономических нормативов и других (социальных, экологических и пр.) установленных ограничений. В качестве начала расчетного периода, в пределах которого учитывают затраты, принимают год начала разработки АСУ. Конец расчетного периода определяют в соответствии со сроком морального старения технических средств и проектных решений АСУ.

Интегральные народнохозяйственные затраты на объекте создания АСУ определяют по формуле

где

T_t- длительность расчетного периода;

И_t - текущие издержки (себестоимость), включая затраты на эксплуатацию АСУ в году ;

К_t - все виды единовременных затрат на создание АСУ в году ;

Л_t- остаточная стоимость выбывающих в год основных фондов (при невозможности их использования - их ликвидационная стоимость);

α_t- коэффициент, используемый для приведения разновременных результатов и затрат к базисному году.

Народнохозяйственный экономический эффект при тождественности конечных результатов по сравниваемым вариантам определяют по формуле

Э = З₁ - З₂

где З_1, З₂- общие интегральные народнохозяйственные затраты в производстве и потреблении по базовому и новому вариантам на весь объем производимой продукции (работы) соответственно.

При нетождественности сравниваемых вариантов по результатам, которые могут быть приведены к стоимостной форме, изменение этих результатов должно быть дополнительно учтено в расчетах народнохозяйственного экономического эффекта в виде дополнительных экономических результатов.

За базу сравнения при определении экономической эффективности АСУ принимают:

при расчете народнохозяйственного экономического эффекта на этапе выбора наилучшего варианта - технико-экономические показатели наиболее прогрессивных способов производства продукции (работ) в действующем производстве или по имеющимся проектам (в том числе с использованием зарубежной техники, которая может быть закуплена в необходимом количестве или произведена в СССР на основе лицензий или патентов);
при расчете показателей годовой экономической эффективности - технико-экономические показатели заменяемых способов производства продукции (работ).

При этом за базовый вариант принимают:

плановые показатели производственно-хозяйственной деятельности объекта внедрения (без учета результатов функционирования АСУ) на год, следующий за годом ввода АСУ в промышленную эксплуатацию, если внедрение происходит на действующем объекте. В случае отсутствия названных плановых данных, принимаемых в качестве базового варианта, показатели последнего года перед внедрением АСУ приводят на год расчета с учетом их изменения за счет текущего совершенствования деятельности объекта применения в условиях отсутствия АСУ;
проектные технико-экономические показатели, если АСУ создают на строящемся объекте, в проекте которого не было предусмотрено ее применение;
фактические показатели объекта-аналога с лучшими показателями хозяйственной деятельности и наименьшей величиной потерь и упущений, если мероприятия по внедрению АСУ разрабатывают для проектируемого объекта.

Если заменяемый вариант исчерпал свои ресурсные возможности по совершенствованию объекта управления, то за базовый вариант принимают технико-экономические показатели других (помимо АСУ) технологически равноценных направлений достижения цели.

Обязательным условием определения экономической эффективности АСУ является следующая сопоставимость всех показателей:

во времени;
по ценам и тарифным ставкам заработной платы;
по элементам затрат;
по объемам производства и номенклатуре выпускаемой продукции или услуг;
по сокращению ручного труда за счет автоматизации;
по методам исчисления стоимостных показателей.

Оптовые цены, тарифы и ставки заработной платы определяют на основе действующих на момент расчета.

Источниками экономической эффективности являются сокращение потерь и реализация резервов улучшения деятельности объекта в результате создания, функционирования и развития АСУ.

Под факторами экономической эффективности АСУ понимают средства реализации источников эффективности. К ним относят совершенствование перспективного, годового, текущего планирования и оперативного регулирования, совершенствование управления технологическими процессами, улучшение условий труда работников предприятия (организации) и др.

В целях планирования, учета, отчетности и материального стимулирования мероприятий по созданию АСУ используют показатели годовой экономической эффективности.

Расчеты экономической эффективности АСУ выполняют на стадиях, определенных соответствующими государственными стандартами, и утверждают на предприятии (в организации) заказчика АСУ.

Основные показатели экономической эффективности АСУ

При оценке экономической эффективности АСУ используют обобщающие и частные показатели.

Основные обобщающие показатели экономической эффективности АСУ следующие:

годовой экономический эффект;
расчетный коэффициент эффективности капитальных затрат на разработку и внедрение АСУ;
срок окупаемости капитальных затрат на разработку и внедрение АСУ.

К основным частным показателям, характеризующим экономическую эффективность АСУ, относят:

годовую экономию (годовой прирост прибыли);
снижение издержек производственно-хозяйственной деятельности на объекте управления в результате разработки и внедрения АСУ;
повышение производительности труда;
экономию по видам ресурсов;
высвобождение работающих;
повышение качества выпускаемой продукции.

Годовой экономический эффект от разработки и внедрения АСУ, определяемый как разность между расчетной годовой экономией и расчетными приведенными затратами на разработку и внедрение АСУ, представляет собой расчетный годовой экономический эффект.

Годовой экономический эффект от разработки и внедрения АСУ, определяемый как разность между годовой экономией (годовым приростом прибыли) и приведенными единовременными затратами на разработку и внедрение АСУ, утвержденный в установленном порядке и зафиксированный в акте приемки в промышленную эксплуатацию, подтвержденный заказчиком (пользователем системы) на основе фактических данных опытной эксплуатации, представляет собой фактический годовой экономический эффект.

Расчетный коэффициент экономической эффективности капитальных затрат на разработку и внедрение АСУ представляет собой отношение расчетной годовой экономии (годового прироста прибыли) к капитальным затратам на разработку и внедрение АСУ.

Срок окупаемости представляет собой отношение капитальных затрат на разработку и внедрение АСУ к годовой экономии (к годовому приросту прибыли).

Годовая экономия (годовой прирост прибыли) от разработки и внедрения АСУ включает в себя:

годовой прирост прибыли, вызванный увеличением объема хозяйственной деятельности (производства, услуг или работ) при разработке и внедрении АСУ;
годовой прирост прибыли за счет сокращения сроков строительства, а также ускорения освоения новой продукции (услуг) в результате разработки и внедрения АСУ;
экономию текущих затрат на производство продукции, услуг или работ в условиях функционирования АСУ;
экономию прочих затрат, не входящих в себестоимость производства или работ, обеспечиваемую функционированием АСУ как непосредственно на объекте внедрения, так и в сопряженных сферах и отраслях.

Единовременные затраты на разработку и внедрение АСУ включают в себя:

затраты на разработку АСУ (предпроизводственные затраты);
капитальные затраты на приобретение (изготовление), транспортирование, монтаж и наладку вычислительной техники, периферийных устройств, средств связи, программных средств, вспомогательного оборудования, оргтехники, производственно-хозяйственного инвентаря;
затраты на строительство (реконструкцию) зданий, сооружений, необходимых для функционирования АСУ;
изменение оборотных средств в связи с разработкой и внедрением АСУ;
затраты на подготовку (переподготовку) кадров.

Примечание. Если автоматизированные системы управления или отдельные их элементы поставляют как продукцию производственно-технического назначения, то затраты на их разработку и приобретение определяют, исходя из действующих прейскурантных и договорных цен.

Теория информационных процессов и систем : учебник для студ. высш. учеб, заведений / [Б. Я. Советов, В. А. Дубинецкий, В.В.Цехановский и др.] ; под ред. Б.Я. Советова. — М. : Издательский центр «Академия», 2010. — 432 с.
Классификация автоматизированной системы : https://intuit.ru/studies/courses/3648/890/lecture/32381?page=1
Классификация и уровни автоматизированных систем : http://arprime.ru/avtomatizacia/klassifikaciya-i-urovni-avtomatizirovannyh-sistem
Системный анализ : https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7
ГОСТ 34.003-90 Автоматизированные системы. Термины и определения.
ГОСТ Р ИСО/МЭК 12119-2000 Информационная технология (ИТ). Пакеты программ. Требования к качеству и тестирование.
ГОСТ 24.702-85 Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Эффективность автоматизированных систем управления. Основные положения

10.10.2020, 10288 просмотров.