Материал: 3106

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Институт инновационных технологий

Факультет Информационных технологий

Кафедра Информационных систем и программной инженерии

Р. И. МАКАРОВ

Анализ и синтез информационных систем

Курс лекций

по дисциплине «Анализ и синтез информационных систем» (часть 2-я)

для магистрантов ВлГУ,

обучающихся по направлению 230400 Информационные системы и технологии

Программа подготовки – “ Информационные системы и технологии»

Учебное электронное издание

Владимир – 2014г.

УДК 004 (076)

ББК 32.97я7.

А64

Рецензент

Доктор технических наук, профессор

Владимирского государственного университета

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

И.Р. Дубов

Анализ и синтез информационных систем: курс лекций. В 2 ч. Ч.2 / Владим. гос. ун-т

им. А. Г. и Н. Г. Столетовых; сост. Р.И. Макаров. – Владимир: Изд-во ВлГУ, 2014.- 124 с.

Курс знакомит с методами анализа и синтеза информационных систем. Слушатели изучают методы системного анализа, основы оценки сложных систем, моделирование информационных систем, математические методы, применяемые при исследовании систем. Курс лекций охватывает темы, изучаемые во втором семестре. Позволяет освоить методы синтеза и моделирования информационных систем.

Предназначен для подготовки магистров по дисциплине профессионального цикла по направлению 230400 "Информационные системы и технологии" по профилю "Информационные системы и технологии».

Рекомендован для формирования профессиональных компетенций в соответствии с ФГОС 3-го поколения.

Ил.11. Табл. 6. Библиогр.: 33 назв.

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………. 3

Лекция 10. Синтез систем управления…………………………………………… 5

Тестовые задания………………………………………………………… 17

Лекция 11. Синтез организационной структуры информационной системы.

Методы синтеза………………………………………………………… 18

Тестовые задания……………………………………………................. 22

Лекция 12. Синтез функциональной структуры………………………………… 24

Тестовые задания……………………………………………………….... 30

Лекция 13. Синтез структуры ИС с учетом затрат на обмен информацией…….. 31

Тестовые задания……………………………………………………………35

Лекция 14. Моделирование как метод познания. Принцип моделируемости

и его постулаты. Методы моделирования и принципы построения моделей……36

Тестовые задания………………………………………………………….. 52

Лекция 15. Построение имитационных моделей информационно-управляющих

систем…………………………………………………………………… 53

Тестовые задания………………………………………………………... 61

Лекция 16. Моделирование систем и сетей массового обслуживания………….. 62

Тестовые задания………………………………………………………….. 75

Лекция 17. Ситуационное моделирование или ситуационное управление……. .76

Тестовые задания…………………………………………………………… 83

Лекция 18. Информационное моделирование …………………………………….. 85

Тестовые задания…………………………………………………………… 93

Лекция 19. Разработка математической модели для определения оптимального

состава программно-технических ресурсов системы……………….. 95

Тестовые задания…………………………………………………………. 109

Лекция 20. Анализ эффективности информационных систем. Показатели

и критерии оценки систем……………………………………………. 110

Тестовые задания…………………………………………………………. 122

Заключение………………………………………………………………………… 124

Введение

Изучение дисциплины обеспечивает прикладные научно-методические основы подготовки магистранта. Она способствует формированию у обучаемых системного подхода к разработке информационных систем и информационных технологий. Знакомит с методами анализа и синтеза информационных систем.

Целями освоения дисциплины являются ознакомление магистрантов с теоретическими основами синтеза и моделирования сложных человеко-машинных систем как основы разработки современных информационных систем.

В процессе освоения данной дисциплины магистрант формирует и демонстрирует следующие общепрофессиональные компетенции:

- способность осуществлять сбор, анализ научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по тематике исследования (ПК-7);

- уметь проводить разработку и исследования теоретических и экспериментальных моделей объектов профессиональной деятельности в различных областях (ПК-8);

- уметь проводить разработку и исследование методик синтеза, оптимизации и прогнозирования качества процессов функционирования информационных систем и технологий (ПК-9);

- умение осуществлять моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований (ПК-10);

- способность проводить анализ результатов проведения экспериментов, осуществлять выбор оптимальных решений, подготавливать и составлять обзоры, отчеты и научные публикации (ПК-12);

- способность прогнозировать развитие информационных систем и технологий (ПК-13).

Задачи дисциплины:

- повысить уровень компетенции магистрантов за счет вооружения соответствующими знаниями и практическими навыками синтеза информационных систем и информационных технологий на основе системного подхода к разработке сложных человеко-машинных систем;

- ознакомить магистрантов с методами разработки математических моделей информационных систем;

- изучить широкий круг вопросов, связанных с разработкой моделей предметных областей информационных систем.

Лекция 10. Синтез систем управления

1. Понятие, цели и задачи синтеза

В отличие от анализа исследование заданной системы управления, под синтезом понимается процесс создания новой системы путем определения ее рациональных или оптимальных свойств и соответствующих показателей.

Цели синтеза системы управления:

- создание новой системы управления на основе новых достижений науки и техники;

- совершенствование существующей системы управления на основе выявленных недостатков, а также появления новых задач и требований.

В общем виде задачи синтеза систем управления заключаются в определении структуры и параметров системы исходя из заданных требований к значениям показателей эффективности ее функционирования, а также способов обеспечения целей функционирования системы.

Синтез, или структурный синтез, является центральным звеном создания системы управления. Он включает следующие компоненты.

1. Синтез структуры управляемой системы, т.е. определение оптимального состава и взаимосвязей элементов системы, оптимальная разбивка множества управляемых объектов на отдельные подмножества, обладающие заданными характеристиками связей.

2. Синтез структуры управляющей системы:

а) выбор числа уровней и подсистем (иерархии системы);

б) выбор принципов организации управления, т.е. установление между уровнями правильных взаимоотношений (это связано с согласованием целей подсистем разных уровней и оптимальным стимулированием их работы, распределением прав и ответственности, созданием контуров принятия решений);

в) оптимальное распределение выполняемых функций между людьми и средствами вычислительной техники;

г) выбор организационной иерархии.

3. Синтез структуры системы передачи и обработки информации. В том числе:

а) синтез структуры системы передачи и обработки информации;

б) синтез структуры информационно-управляющего комплекса (в том числе размещение пунктов обслуживания).

Синтез представляет собой многошаговый итеративный процесс, включающий последовательное решение следующих основных задач:

• формирование замысла и цели создания системы управления;

• формирование вариантов новой системы;

• приведение описаний вариантов системы во взаимное соответствие;

• оценка эффективности вариантов и принятия решения о выборе варианта новой системы;

• разработка требований к системе управления;

• разработка программ реализации требований к системе управления;

• реализация разработанных требований к системе управления.

Решение задач синтеза систем управления

Формирование замысла и цели создания системы управления

Замысел возникает на основании полученного задания, выделения недостатков существующей системы управления, появления практической потребности или новых научных достижений.

Формирование замысла начинается с исторического анализа проблемы, практических возможностей, научного достижения, потребности, анализа сходных систем, сложившейся ситуации, чужих мнений и всех сопутствующих факторов. Это — творческий этап, слабоструктурированный и слабоформализуемый.

Результатами решения задачи формирования замысла и цели создания системы должны быть:

- определение назначения системы управления;

- определение цели (целевой функции);

- определение задач системы;

- формулирование основной идеи создания системы;

- определение направлений разработки системы.

Формирование вариантов новой системы

Варианты системы формируются на основе анализа общей цели создания системы, изучения общественных потребностей, предполагаемого объема удовлетворения этих потребностей, изучения состояния и перспектив развития аналогичных отечественных и зарубежных систем.

Процесс формирования каждого варианта новой системы может быть описан концептуальной и математической моделями.

Рассмотрим порядок построения концептуальной модели варианта новой системы управления.

При построении концептуальной модели можно выделить несколько этапов.

На первом этапе определяется уровень детализации концептуальной модели варианта системы.

Модель системы представляет собой совокупность подсистем (элементов). В эту совокупность входят все подсистемы (элементы), обеспечивающие сохранение целостности системы. Исключение же каких-либо элементов не должно приводить к потере основных свойств системы при выполнении предназначенных ей функций.

В свою очередь, каждая подсистема состоит из совокупности элементов, которые тоже могут быть расчленены на элементы. Таким образом, проблема выбора уровня детализации может быть решена путем построения иерархической последовательности моделей, где система представляется семейством моделей, каждая из которых отражает ее поведение на различных уровнях детализации. На каждом уровне, безусловно, существуют характерные особенности системы, принципы и зависимости, определяющие ее поведение.

Выбор уровня детализации зависит от целей моделирования и степени предварительного знания свойств элементов. Обычно в модель включают элементы одного уровня детализации, но может возникнуть необходимость в построении модели из элементов разных уровней.

На втором этапе построения концептуальной модели осуществляется ее локализация (установление границ взаимодействия со сверхсистемой) путем представления внешней среды в виде генераторов внешних воздействий, причем эти генераторы включаются в состав системы в качестве ее элементов. Приемники же воздействия системы на среду и(или) другую систему в модель обычно не включаются, полагая при этом, что результаты функционирования системы внешняя среда (другая система) принимает полностью и без задержек (рис.1).

На третьем этапе завершается построение структуры модели с указанием связей между составляющими ее элементами. Связи могут быть разделены на вещественные и информационные.

В системах управления информационные связи имеют первостепенное значение. Причем, прежде всего, следует выделить функционально необходимые внутренние связи, которые обусловливают целостность модели и обеспечивают ее адекватность системе.

Рис. 1. Локализированная система

Каждый формируемый вариант системы включает различные виды описаний: структурное (морфологическое), функциональное, информационное и параметрическое.

Структурное описание включает описание структуры и видов обеспечения системы управления, назначения, состава и размещения ее элементов.

Функциональное описание включает решаемые системой задачи, порядок функционирования системы.

Информационное описание включает описание входной и выходной информации, потоков информации, циркулирующей в системе, способов представления и передачи.

Параметрическое описание включает перечень количественных показателей (параметров), характеризующих отдельные свойства системы, которые необходимо обеспечить в процессе ее создания.

Требования к показателям в виде различных ограничений формируются в процессе оценки эффективности каждого исследуемого варианта системы и уточняются при ее разработке.

На четвертом этапе определяются управляемые характеристики, т.е. в модель должны войти те параметры (показатели) системы, допускающие варьирование своих значений в процессе моделирования, которые обеспечат нахождение интересующих разработчика моделей характеристик при конкретных внешних воздействиях на заданном временном интервале функционирования системы. Остальные параметры необходимо, по возможности, исключить из модели, естественно, без ущерба для ее адекватности, а при необходимости ввести их в ограничения. Желательно, чтобы в концептуальной модели были конкретизированы все решающие правила или алгоритмы управления элементами и(или) процессами модели, которые отражают статику системы.

На пятом этапе описывается динамика системы. Полученную ранее модель необходимо дополнить описанием функционирования системы. Следует отметить, что в сложных системах зачастую протекает несколько процессов одновременно. Каждый процесс представляет собой определенную последовательность отдельных элементарных операций, часть которых может выполняться параллельно разными элементами (ресурсами) системы.

Приведение описаний варианта системы во взаимное соответствие

Приведение описаний варианта системы во взаимное соответствие включает:

- сопоставление описаний (структурного, функционального, информационного, параметрического);

- устранение противоречий;

- объединение названных описаний.

Сопоставление описаний. Выполнение требований информационного описания обеспечивается морфологически (структурно) и функционально. Сначала решается вопрос о совместимости информационного описания. Функциональное описание может быть недостаточным для охвата блоков или процессов структурного описания и тогда его нужно дополнить (в частности, путем проведения новых исследований). Все блоки структурного описания должны быть охвачены функциональным описанием, содержать способы и формулы для вычисления всех выходных и промежуточных параметров. Далее требуется выяснить, в какой мере информационное описание обеспечено функционально и морфологически. Часть результатов, которые можно рассматривать как требования, окажутся нереализуемыми морфологически либо потребуют разработки новых элементов (подсистем). На основании морфологического и функционального описания вычисляются (без требования совместимости) наиболее близкие из достижимых параметров, входящих в параметрическое описание. Здесь может быть два случая:

1) требуемые значения параметров недостижимы;

2) требуемые значения параметров достижимы порознь, но несовместимы.

В первом случае необходимы выдвижение идей, перестройка морфологии или функциональных возможностей, во втором - конструктивная перестройка.

Устранение противоречий. Выдвижение идей или ассоциативный поиск для эффективной замены элементов морфологического описания производится на основании функциональных свойств системы. Для этого необходимо выявить коренное противоречие, препятствующее достижению положительного результата. Функциональная недостаточность является исходным толчком для обнаружения коренного противоречия. Выявление сущности противоречия требует анализа морфологических и информационных свойств системы. Устранение противоречия путем компромисса, чтобы общее их сочетание было удовлетворительным, редко бывает перспективным. Расширение диапазона применения может приводить к непримиримому противоречию. В этом случае требуются новые идеи, т.е. включение в систему подсистем или элементов с принципиально новыми свойствами, радикальная перестройка структуры и связей, создание новых процессов и т.д. Этап является многошаговым и заканчивается новым описанием системы.

Объединение описаний. Составление единого описания, охватывающего морфологические, функциональные, информационные свойства и параметры в полном объеме.

Оценка эффективности вариантов и принятия решения о выборе

варианта новой системы

Решение данной задачи включает:

-определение значений выбранных показателей эффективности каждого исследуемого варианта создаваемой системы;

- сравнительную оценку эффективности, которая производится в соответствии с заданным правилом предпочтений и установленным критерием;

- принятие решения о выборе наилучшего варианта системы.

После выбора окончательного варианта системы уточняется критерий эффективности системы, формируется исходный вариант значений показателей системы управления и производится повторный синтез системы, который приобретает каждый раз все большую определенность.

Разработка требований к системе управления

Для искусственных систем организационного или эргатического (человеко-машинного) типа четко сформулировать цель очень сложно. Цель вырабатывается в виде количественно-качественных требований к существенным свойствам системы, определяющим ситуацию или область ситуации в «n-мерном пространстве, которая должна быть достигнута при функционировании системы (величина п обусловливается количеством выделенных существенных свойств объекта).