Направления разработки проектной составляющей САПР должны соответствовать ключевым направлениям развития проектируемых технических систем: прежде всего разрабатываются те САПР, внедрение которых в наибольшей степени повысит эффективность проектируемой системы. Особенности конкретной САПР определяются особенностями этапа проектирования, который она призвана автоматизировать: целями и задачами, которые необходимо решить на определенном этапе проектирования, особенностями процесса проектирования на этом этапе, возможными изменениями в технологии проектирования при внедрении САПР, этапностью разработки и внедрения САПР.
Очевидно, что в наибольшей степени влияет на эффективность создаваемой системы начальный этап проектирования – этап формирования концепции системы: от концепции и выбранного облика больше всего зависит эффективность системы и ошибки в формировании облика системы трудно исправимы на последующих этапах.
Автоматизация начального этапа проектирования (внешнего проектирования) – этапа формирования облика системы – наиболее важное направление разработки САПР. Несмотря на то, что стоимость этого этапа мала, здесь большую роль играет цена возможной ошибки, которую нельзя исправить на последующих этапах, и которая влияет на эффективность системы.
Важность автоматизации работ начального, концептуалльного этапа проектирования демонстрирует статистика оценки цены одной ошибки на различных этапах производства: $1 – на этапе концептуального проектирования, $10 - конструкторской проработки, $100 - изготовления макета изделия, $1000 - проектирования технологической оснастки, $10 000 - изготовления оснастки, $100 000 - выпуска установочной серии, $1000 000 – серийного производства.
Особенности этого этапа проектирования: большое количество разнообразных альтернативных вариантов, большой объем расчетных работ, разнообразие задач и математических моделей.
Автоматизация чертежных работ, инженерных расчетов, внедрение методов вычислительной математики существенно усовершенствовали проектные процедуры (задачи анализа), свели к минимуму возможные ошибки расчетов, но до сих пор не решена главная задача этапа внешнего проектирования – автоматизация синтеза – формирования облика системы.
Создание единой САПР формирования облика системы в отличие от более поздних этапов проектирования практически невозможно – речь может идти об информационном обеспечении и автоматизации отдельных проектных процедур с учетом возможности их адаптации к будущим изменениям при проектировании других подобных объектов.
Как нет единой теории проектирования, так и не может быть создана единая САПР для проектирования любых объектов, – на основе общих системных подходов для каждого типа объектов строятся отдельные подсистемы САПР, ориентированные на определенные задачи конкретного этапа проектирования. Разработка единой САПР даже для одного вида объекта для начального этапа проектирования практически невозможна, да и нецелесообразна в силу большой размерности задачи.
При этом особую важность приобретает выбор направлений разработки САПР и совокупности решаемых с использованием САПР задач.
Необходима разработка отдельных, слабо взаимосвязанных подсистем с максимальным использованием опыта разработки аналогичных подсистем САПР, созданных для проектирования объектов предыдущих поколений. Практически это может быть осуществлено, если каждая подсистема САПР будет разрабатываться с учетом возможного ее будущего использования для проектирования родственных объектов или объектов следующего поколения. Причем, каждая подсистема дорабатывается с учетом новых особенностей проектируемого объекта (построена по открытой схеме). Принципы построения каждой вновь вводимой подсистемы должны разрабатываться на основе общих принципов построения САПР с максимальным выделением инвариантных компонент в каждом из обеспечений САПР. Информационное, техническое, организационное обеспечения САПР могут быть полностью инвариантными при разработке каждой новой подсистемы они, при необходимости, могут расширяться и дорабатываться под новые требования.
Понимание важности анализа информации при изготовлении высокотехнологичных изделий приводит к пониманию необходимости перехода к новым, информационным технологиям проектирования и производства.
Именно это формирует объективные предпосылки целесообразных направлений развития САПР в широком смысле этого понятия.
Инженерный труд, как традиционно не связанный с торговыми операциями, оплачивается низко, сейчас тем более - вкладывание средств в автоматизацию инженерного труда (освобождения от тяжелой рутинной работы, улучшения качества проекта и уменьшение стоимости проектных работ, быстрое получение более дешевых чертежей) не эффективно.
Но современное проектирование сложных объектов может быть выполнено только при:
полном представлении всей сложности объекта во всех деталях,
предоставлении разным исполнителям различной, но взаимоувязанной информации (в связи с разделением труда),
предоставлении возможности анализа функционирования объекта в различных условиях применения.
САПР сложного объекта, вообще не может быть создана в виде программы, только обрабатывающей данные: необходимо электронное моделирование объекта и условий его функционирования с механизмом обмена информацией – необходим глобальный переход от бумажного описания объекта к структурированной электронной информации.
Таким образом, автоматизация инженерного труда может стать целью создания САПР на современном этапе только лишь как промежуточный этап – подготовка предпосылок для перехода к повсеместной электронной информации, которая в будущем станет основой производства (как сейчас бумажные носители информации).
Именно эта комплексная цель и является стратегической основой развития современных САПР. Выбирать можно лишь между тактическими моментами при решении вопросов, связанных с автоматизацией инженерного труда. Стратегически выбора нет - так же как когда-то не было выбора при переходе в проектировании от словесного описания (от отца к сыну) на бумажные носители.
Современное развитие САПР – это только тактические решения, которые принципиально не ведут к прорывным технологиям.
Разновидности САПР
Современные САПР предоставляют широкий спектр интегрированных и изолированных программных продуктов, которые могут решать различные задачи при автоматизации проектирования, подготовке производства, управления:
- создание трехмерной модели изделия;
- создание конструкторской документации на изделие;
- создание технологической документации на изделие;
- анализ изделия (прочностной, динамический анализ и т.д.);
- управление проектами и техническим документооборотом;
- создание технологической оснастки для изготовления изделия;
- изготовление изделия.
Прежде всего появились (70-е годы) и успешно в некоторых случаях применяются до сих пор автономные чертежно-ориентированные системы двумерного моделирования, затем возможности таких систем расширились - создание трехмерной электронной модели объекта, что дает возможность решения задач моделирования вплоть до момента изготовления.
Это CAD-системы (Computer Aided Design — компьютерная поддержка проектирования), предназначенные для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации. Эти системы не изменяют самой технологии проектирования объекта и подготовки производства, представляющие собой, по сути дела, электронный кульман (двухмерное моделирование).
Требование сокращения сроков проектирования, подготовки производства новых видов изделий и разработки таких технологических процессов, которые в условиях конкретного производства позволяют при минимальных затратах получить продукцию с заданными свойствами, вызвало к жизни разработку соответствующих автоматизированных систем.
В современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной конструкции и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). Такие недорогие системы индивидуального пользования (100—3000 долл.) широко распространены. Имеется много версий таких систем (AutoCAD, Autodesk, DataCAD, IntelliCAD, SurfCAM), только AutoCAD к 2003 году продано свыше 4 млн. копий.
Расширение систем - все технологические процессы переводятся в электронный вид. Типовая система технологического проектирования основывается на взаимосвязанных базах данных: изделий и спецификаций, технологических процессов, параметров оборудования, оснастки, материалов, применяемых на предприятии. Автоматизация подготовки технологического процесса дает возможность избежать ошибок и ускорить процесс подготовки производства – появились CAM-системы.
CAM-системы (Computer Aided Manufacturing - компьютерная поддержка изготовления) - системы технологической подготовки производства, предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением и выдачи программ для этих станков. В настоящее время они широко применяются для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла подготовки их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.
САЕ-системы (Computer Aided Engineering — поддержка инженерных расчетов) – проблемно-ориентированные системы для решения расчетных задач при проектировании (расчеты на прочность, анализ и моделирование тепловых процессов, расчеты гидравлических систем и машин, расчеты процессов литья). В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. Особенно развиты эти системы при автоматизации производства с применением пресс-форм и штампов – на них приходится более половины продаж CAM.
На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах с разделением системных ресурсов центрального процессора. В начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $ 90 тыс. К концу 80-х гг. CAD-системы были переведены на персональные компьютеры, и их стоимость снизилась до $ 20 тыс. Сейчас - несколько тыс. долл.
Сейчас CAD/CAM/CAE-системы представляют собой интегрированные программные комплексы, обеспечивающие единую поддержку всего цикла разработки от эскизного проектирования до технологической подготовки производства, испытаний и сопровождений. Современные CAD/CAM/CAE-системы дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, повысить качество и надежность выпускаемой продукции, уменьшить стоимость отработки (например, заменяя физическое моделирование на основе прототипа математическим).
Традиционно существует деление CAD/CAM/CAE-систем на системы легкого, среднего и тяжелого классов (в соответствии с функциональными возможностями). Это деление достаточно условно, грани между ними стираются, но системы различаются и по функциональным возможностям и по цене. Имеются также САПР, которые не относятся ни к каким классам - это системы, обеспечивающие различные специализированные решения.
Системы легкого класса - совокупность программ, ориентированных на оформление конструкторской и технологической документации. Эти программы, как правило, не связаны единой структурой данных; их функциональные возможности ограничены плоским (или приближенным трехмерным) представлением машиностроительного объекта. Тем не менее, программы этого класса существенно повышают темпы и качество выпускаемой бумажной документации. Локальная автоматизация проектно-конструкторских и технологических рабочих мест на основе таких систем может быть применена, если: разработки отдельных специалистов относительно независимы, документирование ведется в основном на бумажных носителях, предприятие (подразделение) использует традиционную схему документооборота и внесения изменений, уровень сложности выпускаемой продукции невысок. Системы легкого класса предназначены для автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ “по электронному чертежу”. Это позволяет сократить время разработки проектов и выпуска документации, но не гарантируют проектировщиков от ошибок даже при полном соответствии документации стандартам - такие системы эффективны только в случае использования их квалифицированными конструкторами и технологами, имеющими навыки работы с САПР.
Системы среднего класса - функционально-независимые системы, работающие на основе единой структуры данных. Системы позволяют в полной мере осуществлять трехмерное моделирование и создавать электронные математические модели, имеют средства параметрического моделирования. К системам этого класса относятся и специализированные расчетные, аналитические системы, системы подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ. Пользователь получает все преимущества трехмерного проектирования: топологическую точность, возможность анализа трехмерных моделей и использования в подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ. По объемной модели изделия имеется возможность контроля взаимного расположения деталей, определять инерционно-массовые, прочностные и прочие характеристики, моделировать все виды ЧПУ-обработки, отрабатывать внешний вид по фотореалистичным изображениям и выпускать документацию. Обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота.
Использование совокупности проблемно-ориентированных конструкторских и технологических подсистем среднего уровня целесообразно для предприятия, ориентированного на выпуск высокотехнологичной продукции. Экономический эффект состоит в сокращении затрат на доводку опытных образцов изделий в результате исключения ошибок при проектировании. Эти системы неприхотливы к технической платформе, позволяют совмещать функциональность систем верхнего уровня с простотой систем нижнего уровня.
Системы тяжелого класса - многофункциональные интегрированные системы с единой структурой данных и набором проблемно-ориентированных приложений, а также узкоспециализированные системы. Системы обеспечивают две возможности: автоматизацию всего цикла создания изделия от концептуальной идеи до реализации без дополнительного использования внешних приложений и создание единой цифровой модели, с которой все участники проекта могут работать одновременно. Такие системы позволяют изменять сложные структуры в больших сборках, строить сложные ассоциативные связи, а также обладают определенной гибкостью, так как изделие в процессе проектирования постоянно изменяется.
Эти системы дают возможность: конструировать детали с учетом особенностей материалов и технологичности, моделировать работу механизмов, проводить динамический анализ сборки с имитацией сборочных приспособлений и инструментов, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки), что исключает брак в оснастке и изготовление натурных макетов, то есть значительно уменьшает затраты и время на подготовку производства изделия.
Стоимость таких систем вдвое больше систем среднего класса - свыше 10 тыс. долл. на одно рабочее место, на них приходится львиная доля объема рынка в денежном выражении. Применяются такие системы для сложных производств машиностроения, двигателестроения, авиационных и аэрокосмических. Внедрение такой интегрированной автоматизированной системы оправдано для высокоорганизованных предприятий, имеющих достаточные финансовые средства, современное оборудование и высококвалифицированных высокооплачиваемых сотрудников.
Минимальная стоимость комплекса САПР, автоматизирующего все этапы подготовки производства на предприятии, достигается применением систем всех трех классов (уровней функциональных возможностей).
Возможность подробного моделирования как конструкции изделий и их функциональных характеристик, так и процессов их изготовления с помощью САПР тяжелого класса вызвала к середине 90-х годов появление нового типа организации работы промышленного предприятия, названной Concurrent Engineering, позволяющая параллельно поагрегатно разрабатывать и изготовлять изделия. В результате начинать изготавливать изделие можно до выпуска полного комплекта документации, что сокращает время и затраты на проектирование при повышении качества изделий.
Одной из задач управления проектированием является управление потоком работ, состоящих из отдельных шагов различных типов. Шаги маршрута работ могут представлять собой выполнение проектных процедур и операций, пересылку документов и файлов другим пользователям, изменение статуса объекта, просмотр, контроль, утверждение проектов и внесение в них изменений и т.п. Между шагами перемещается пакет документов, документы проекта обрабатываются, видоизменяются, оцениваются, пакет автоматически пополняется. Может осуществляться одновременное управление различными проектами.
Функции координации работ CAD/CAM/CAE-систем, управления проектными данными и проектированием в целом возложены на системы управления проектными данными PDM (Product Data Management) - управление проектированием и его информационным обеспечением. Основным компонентом систем PDM является хранилище данных DW (Data Warehouse), образованное базами данных и системой управления данными.
В системах PDM разнообразие типов проектных данных и документов поддерживается их классификацией, выделением структурных элементов и их описаний в соответствии с атрибутами и связями. Имеется система поиска нужных данных по различным критериям. Например, элементы дерева, представляющего структуру объекта, могут соответствовать сборочным узлам, агрегатам, блокам, отдельным деталям. Навигация по дереву позволяет просматривать относящиеся к структурным единицам документы, геометрические модели, чертежи и другие атрибуты. Редактор позволяет устанавливать связи в виде ссылок между компонентами (например, между изображениями на чертежах и элементами спецификаций).
При внесении изменений в проектные данные обеспечивается целостность проекта – каждый разработчик работает со своей версией проекта (доступ к нему ограничен), имеются средства ведения многих версий проекта, имеются средства учета влияния и автоматического распространения вносимых изменений на другие части проектной документации. Для подготовки, хранения и сопровождения необходимых документов имеются специализированные системы управления документами и документооборотом.
Основные функции систем PDM:
1. Хранение проектных данных (поиск, редактирование, аннотирование чертежей и документов), поддержка классификаторов и справочников, автоматизированное составление спецификаций.
2. Управление конфигурацией объекта, ведение версий проекта, контроль изменений, классификация и формирование обозначений (кодификация), визуализация структуры объекта в виде дерева, в том числе многооконное представление трехмерных изображений.
3. Управление документооборотом, электронным архивом (атрибутирование, поиск по атрибутам, контроль исполнения, маршрутизация и визуализация), ведение распределенных архивов документов.
4. Защита информации и управление правами доступа к данным.
5. Поддержка типовых форматов, генерация отчетов (спецификаций, ведомостей).
Информационная поддержка этапа производства осуществляется автоматизированной системой управления предприятием (АСУП) и автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУТП).
К АСУП относятся следующие системы.
ERP (Enterprise Resource Planning) – система планирования и управления предприятием выполняет бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п.
SCM (Supply Chain Management) – система управления цепочками поставок, управляет поставками материалов и комплектующих.
MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) – система планирования производства и требований к материалам. Система ориентирована на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством.
MES (Manufacturing Execution Systems) – производственная исполнительная система, ориентированная на решение оперативных задач управления проектированием, производством, маркетингом.
CRM (Customer Requirement Management) – система управления взаимоотношениями с заказчиками и покупателями, анализ рыночной ситуации, перспективы спроса на планируемые изделия.
S&SM (Sales and Service Management) – маркетинговые функции, обслуживание изделий.
На этапе эксплуатации применяются также специализированные компьютерные системы, ориентированные на ремонт, контроль, диагностику эксплуатируемых систем.
E-Commerce – системы электронного бизнеса. Ориентированы на организацию на сайтах Интернет витрин товаров и услуг, объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях организаций, специализирующихся на проектировании, изготовлении и поставках продукции.
Интеллектуальные средства поддержки принятия решений
В качестве систем поддержки принимаемых решений – систем DSS (Decision Support System) часто используют хранилища данных и OLAP-средства (On-Line Analytical Processing), которые обеспечивают оперативный доступ к данным для выяснения зависимостей между параметрами.
В составе подсистем управления могут быть средства консультирования по принятию решений. Они могут быть представлены в виде множества модулей, объединяемых гипертекстовой оболочкой. (Гипертекст – структурированный текст с перекрестными ссылками, отражающими смысловые связи частей текста). Библиотека первичных электронных документов – объектно-ориентированная структурированная гипертекстовая библиотека по основным достижениям, проектам, отдельным элементам конкретной области проектирования.
Интегрированные системы
Дальнейшее развитие – создание интегрированных систем, объединяющих комплекс САПР с автоматизированной системой управления предприятием (экономический анализ и прогноз, бухгалтерский учет, управление снабжением и сбытом).
EPD (Electronic Product Definition) - системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта. EPD — это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, маркетинг, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. Система обеспечивает коллективную разработку изделия. С развитием EPD-концепции автономные CAD-, CAM- и CAE-систем превратились в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы - появились системы управления информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла PLM (Product Lifecycle Management).
Системы управления предприятием (ERP) оперируют теми же данными, с которыми работают конструкторы и технологи – информацией об изделиях, материалах и комплектующих, технологических маршрутах и производственных мощностях. Для создания непрерывного конструкторско-производственного цикла объединяются ERP-системы и системы конструкторской и технологической подготовки в рамках единой информационной системы. Разрабатываются как инструменты для интеграции, так и готовые подсистемы, уже настроенные на работу с CAD/CAM и PDM-системами.
Создание полного электронного описания объекта, информационная интеграция позволили перейти к технологии комплексной компьютеризации производства – унификации и стандартизации спецификаций продукции на всех этапах жизненного цикла – CALS-технологии (Continuous Acquisition and Lifecycle Support – непрерывное сопровождение и поддержка жизненного цикла). Такие технологии дают возможность построения открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности. Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документацией. Главная проблема построения таких систем – обеспечение единообразного описания и интерпретации данных независимо от места и времени их получения на основе стандартизованных структуры и языков представления. Описания оборудования, машин и систем (в том числе, ранее спроектированных) хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов. Тогда становится возможной работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAD/CAM/CAE-системы. Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, одна и та же технологическая документация – адаптирована к различным производственным условиям.
Применение CALS-технологии позволяет существенно сократить объемы проектных работ, решать проблемы ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций.
Математическое и информационное обеспечение САПР
Математическое и информационное обеспечение САПР определяется целями и задачами соответствующего этапа проектирования. Оно наиболее развито для САПР начального этапа проектирования (внешнего проектирования) – остальные виды обеспечений формируются для их эффективной работы.
Структура САПР внешнего проектирования должна включать следующие элементы математического и информационного обеспечения:
- библиотеку моделей объекта и процесса проектирования;
- библиотеку процедур проектных решений в соответствии с задаваемой логической схемой проектирования;
- систему обеспечения информацией в виде баз данных и СУБД.
Основные инвариантные составляющие методического обеспечения САПР для решения задач внешнего проектирования: типовые математические модели и средства построения математических моделей объекта, методы проектирования и логическая схема проектирования.
Методическое обеспечение САПР (математические модели, логическая схема проектирования, проектные процедуры и операции) и соответствующее им программное обеспечение целиком не может быть инвариантным, но разрабатываться оно должно так, чтобы любой его элемент мог быть принят в качестве инвариантного компонента во вновь разрабатываемой подсистеме САПР. Отсюда основное требование – модульность разработки отдельных компонент подсистем САПР.
Математические модели как всей проектируемой системы, так и ее элементов, разрабатываются в виде нескольких взаимосвязанных и информационно совместимых уровней: быстрые алгоритмы – для оптимизационных задач, буферные алгоритмы – для сравнительного анализа альтернативных вариантов и уточнения решения оптимизационных задач, поверочные расчеты - для расчета основных характеристик опорных вариантов и окончательных вариантов, которые передаются для дальнейшего проектирования.
Методы проектирования. Метод – стандартные и однозначные правила действий. Методы автоматизированного проектирования – правила действий проектанта, направленные на решение проектной задачи с использованием САПР.
Исходя из такой формулировки, условно методы автоматизированного проектирования можно разделить на методы построения процесса проектирования, методы представления объекта проектирования, методы решения проектных задач.
Методы построения процесса проектирования реализуют заданную логическую схему и соответствующую ей технологию проектирования.
Методы представления объекта проектирования – описание и формализованное представление объекта и его свойств (модели).
Методы решения проектных задач – неформализованные (поиск альтернатив, конструирование, оценка научно-технической информации, принятия решений), формализованные (поиск научно-технической информации и данных).
Неформализованные методы – методы, направленные на интенсификацию творческого процесса и методы системных исследований.
Методы интенсификации творческого процесса - это методы мозгового штурма (свободное генерирование группой проектантов большого количества разнообразных идей без их критики), инверсии (получение новой точки зрения путем отказа от прежних взглядов, нетривиального подхода), аналогии (стимулирование новых идей аналогичными ситуациями в других задачах), фантазии (использование для конкретных решений фантастических решений и процессов). Это требует большой предварительной подготовки с использованием базы данных альтернативных решений.
Методы системных исследований – это методы структуризация идей (диаграммы и матрицы идей).
Формализованные методы решения проектных задач являются составной частью проектных процедур и имеют четкую предметную и объектную направленность.
В обобщенном виде проектная процедура характеризуется входом (списки исходных данных), выходом (списки выходной информации), множеством моделей объекта проектирования и методов решения проектной задачи (проектных расчетов). Все эти списки находятся в базе данных.
Поверочные методы проектных расчетов - выходные данные определяются непосредственными прямыми вычислениями по заданному входу и известной модели.
Оптимизационные методы - обеспечение поиска оптимальных значений критериев эффективности.
Оптимизационные методы делятся по типу связей в математической модели (аналитические связи и дифференциальные или смешанные).
При аналитических связях (уравнения связи являются аналитическими выражениями) - в зависимости от типа связи: линейного, нелинейного, стохастического, динамического программирования – многошаговые процессы поиска оптимального решения, случайного поиска.
В случае дифференциальных или смешанных уравнений связи: вариационные методы (условие функционирования объекта – в виде дифференциальных уравнений движения), дифференциальные игры (преследование одного управляемого объекта другим управляемым объектом при некоторой свободе действий этих объектов), случайный поиск.
Информационное обеспечение САПР
Назначение информационного обеспечения – обеспечение процесса проектирования необходимыми базами данных и средствами работы с ними. В базах данных хранятся методы, модели, процедуры проектирования (типовые и вновь создаваемые), информация в виде численных данных, текста, рисунков, графиков, словари справочники, законодательные и нормативные документы. Структура и объем информационного обеспечения определяется структурой и объемом необходимых данных.
Основополагающее условие постоянной работы с информационным обеспечением - доступность и достоверность, т. е. возможность быстро и в нужный момент получить необходимую информацию.
10.3 Особенности синтеза модели информационной системы
Общие свойства информационных систем
Можно выделить, по крайней мере, два свойства, которые являются общими для всех информационных систем и которые и определяют систему как информационную.
Во-первых, любая информационная система предназначена для сбора, хранения и обработки информации. Поэтому в основе любой информационной системы лежит среда хранения и доступа к данным, которая должна обеспечивать уровень надежности хранения и эффективность доступа.
Во-вторых, информационные системы ориентируются на конечного пользователя (чаще всего непрофессионального в компьютерном отношении), что требует простого, удобного, легко осваиваемого развитого интерфейса, который должен предоставить конечному пользователю все необходимые для его работы функции (для вычислительных программ такой интерфейс необязателен).
Информационные системы в зависимости от конкретной области применения могут очень сильно различаться по своим функциям, архитектуре, реализации.
Общие требования к любым информационным системам:
- надежность и продолжительность хранения информации, в том числе, хранение данных, обладающих разными структурами;
- открытость системы и требование ее развития (могут появиться новые функции, для выполнения которых требуются дополнительные данные с новой структурой, при этом вся накопленная ранее информация должна остаться сохранной).
Решение этих задач определяется конкретными требованиями к информационной системе.
Проектирование информационных систем как сложных систем должно подчиняться тем же принципам системного подхода с учетом специфических особенностей процесса проектирования таких систем.
Особенности проектирования информационных систем определяются сложностью взаимодействия между создателями информационной системы – специалистами в программировании, но не в конкретной предметной области, для которой создается информационная система, и заказчиками – специалистами в предметной области, но не в программировании.
Опыт создания больших информационных систем позволили к настоящему времени обобщенно сформулировать основные особенности, задачи информационных систем и требования к системам.
Прежде всего, это сложность взаимодействия между создателями информационной системы – специалистами в программировании, но не в той предметной области, для которой ними создается информационная система, и заказчиками – специалистами в предметной области, но отнюдь не в программировании.
Информационная система может быть создана только в результате взаимопонимания между разработчиками и заказчиками, в результате чего определяются и наполняются содержанием основные понятия информационной системы как сложной системы: определяются функции системы в целом и ее подсистем, ее границы, формируются требования к системе.
Примеры больших информационных систем
Обеспечение управления бизнес-процессами.
Задачи: оценить состояние дел, проанализировать положительные и отрицательные тенденции, определить перспективы развития бизнеса.
Функции:
- контроль продажи продукции (большая номенклатура продукции и значительное количество потребителей);
- подготовка информации для формирования бизнес-планов;
- обеспечение информационных потребностей отраслей, малых и средних предприятий (законодательные базы, анализ игроков на рынке и т.п.).
Геоинформационные системы.
Задачи: обеспечение достоверной информацией, координация работ, формирование планов развития.
Функции:
Обеспечение управлением городским хозяйством: объектно-ориентированная электронная карта города, состояние объектов недвижимости, градостроительство, инженерные коммуникации (водное хозяйство, канализация, автодороги), состояние экологии.
Обеспечение управлением коммуникациями региона (железные дороги, автодороги, линии электропередачи и др.): предоставление оперативных данных по объектам инфрастуктуры, управление эксплуатацией, выполнение инженерных и проектных расчетных работ, проектирование развития и реконструкции.
Наблюдения Земли из космоса – совокупность функционально взаимосвязанных космических аппаратов и наземных средств, предназначенных для решения целевых задач. Назначение системы (например, при мониторинге пожаров): предоставление оперативных данных по объектам наблюдения, контроль состояния объектов.
Требования к системе: предоставление общей и детальной оперативной информации, обеспечение оперативного анализа данных для аналитических исследований, обеспечение моделирования процессов.
Конкретные задачи информационной системы зависят от ее прикладной области: банковское дело, страхование, медицина, транспорт, образование, управление и т.д., которые и определяют облик системы. Но можно выделить некоторое количество задач, не зависящих от специфики прикладной области – задачи, связанные с общими чертами информационных систем.
Основные задачи, общие для больших информационных систем - обеспечение изучения больших объемов взаимосвязанных данных при помощи быстрого интерактивного отображения информации на разных уровнях детализации с различных точек зрения в соответствии с представлениями пользователя.
Стимулом к развитию информационных систем явилась необходимость обеспечения крупного и среднего бизнеса эффективной системой поддержки принятия решений (СППР), которая информационно обеспечивает решение трех основных традиционных управленческих задач: где мы находимся?, куда мы хотим придти?, как этого достичь?
Современные информационные технологии при поиске ответов на эти вопросы позволяют формулировать и решать следующие классы задач (функций).
Аналитические – вычисление заданных показателей и статистических характеристик деятельности на основе информации из базы данных.
Визуализация данных – наглядное графическое и табличное представление информации.
Получение новых знаний – определение взаимосвязей и взаимозависимостей процессов на основе существующей информации в базе данных, выявление закономерностей и тенденций развития.
Имитационные – проведение на ЭВМ экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение сложных систем в течение заданного интервала времени (применяются для анализа возможных последствий принятия решения).
Синтез управления – для определения допустимых управляющих воздействий, обеспечивающих достижение заданной цели (применяются для оценки достижимости заданных целей, определения множества управляющих воздействий, приводящих к заданной цели).
Оптимизационные – интеграция имитационных, управленческих методов моделирования и прогнозирования для выбора на множестве возможных управлений тех из них, которые обеспечивают наиболее эффективное (для заданного критерия) достижение цели.
Обобщение основных задач информационной системы и требований к системе позволяют понятие информационной системы сформулировать в следующем виде.
Информационная система – комплекс методологических, логических, программных, технических информационных, организационных средств, поддерживающих процессы функционирования информатизируемого объекта.
Процесс проектирования информационной системы организовывается в обеспечение основной функции системы - обеспечения ввода, хранения, обновления и удаления данных. При этом должно выполняться основное требование – обеспечение соответствия хранимой информации состоянию предметной области.
Поддержка этих функций существенно повышает уровень требований к СУБД, особенно для групповых и корпоративных систем (автоматическая согласованность действий при обеспечении возможности работы с нескольких рабочих мест различных групп пользователей с различными функциями) - все результаты, получаемые от информационной системы должны соответствовать согласованному состоянию базы данных, т.е. быть достоверными и непротиворечивыми.
Функции и задачи информационной системы определяют ее архитектурные решения.
Проектирование и разработка информационной системы может базироваться на разных архитектурных решениях.
Возможные архитектуры информационных систем: традиционное использование выделенных файл-серверов или клиент-серверов, корпоративные информационные системы, базирующиеся на технологии Internet (Intranet-приложения), информационные системы, основанные на концепции "хранилища данных" - интегрированной информационной среды, включающей разнородные информационные ресурсы.
Как и любая классификация, эта классификация архитектур информационных систем не является абсолютно жесткой – в любой конкретной информационной системе можно найти влияния нескольких общих архитектурных решений.