Проектування математичного та програмного забезпечення

Проектування математичного та програмного забезпечення

Введення

Характер математичного та програмного забезпечення АСУ істотно змінюється в міру розвитку можливостей технічних засобів. У нашій країні прийнята програма загальної комп'ютерної грамотності і масового випуску персональних мікроЕОМ, що володіють високою продуктивністю, розвиненою пам'яттю і можливістю об'єднання в локальні обчислювальні мережі.

У цих умовах програмне забезпечення направлено на роботу з ЕОМ непрофесійних програмістів, самостійно створюють програми для своїх завдань у конкретній предметній області.

Розробники АСУ, продовжуючи створювати алгоритми і програми складних і типових завдань, підготовка яких користувачами скрутна, все в більшій мірі повинні готувати програмні засоби підтримки для непрофесійних програмістів. Це підвищує вимоги до розробників АСУ в частині знання ними методів підготовки та налагодження програм, автоматизації програмування.

Удосконалюються і розвиваються мови програмування високого рівня, з'явилися непроцедурної мови, близькі до природного. Полегшуючи роботу користувача, ці мови вимагають розвиненого системного програмного забезпечення, зміст якого все частіше стає різним для різних користувачів і повинно визначатися в процесі проектування конкретної системи.

1. Психологічні фактори при пошуку нових рішень в процесі проектування

Формування безлічі можливих рішень є одним з найбільш творчих етапів, що вимагають великих інтелектуальних зусиль. Ясно, що чим більше спочатку сформований кількість, тим більша ймовірність того, що в ньому містяться найбільш ефективні рішення. Недостатньо ефективні рішення легко потім відкинути, набагато важче ввести нові, більш ефективні, хоча б тому, що треба якимось способом дізнатися, що це треба зробити.

Сент-Екзюпері сказав, що річ стає досконалою не тоді, коли до неї не можна вже нічого додати, а коли від неї вже нічого не можна відняти. У застосуванні до системних досліджень це означає, що вихідна безліч, будь то безліч можливих рішень, вхідних або вихідних параметрів, істотних взаємозв'язків чи будь-яке інше, спочатку має бути як можна більш повним, щоб надалі не було потрібно в нього нічого додавати. Потім з нього послідовним аналізом видаляються елементи, не суттєві для вирішення даної задачі, поки не залишиться тільки те, що потрібно. Наприклад, при оптимізації багатокритеріальних систем це може бути безліч рішень, оптимальних за Парето. Воно є досконалим в сенсі сентенції Сент-Екзюпері, оскільки з нього вже більше нічого не можна виключити. Спроби діяти в зворотній послідовності - спочатку знайти один елемент, який повинен увійти в кінцевий варіант шуканого безлічі, потім додати ще один і т.д. -, як правило, призводять до невдачі.

Пошук принципово нових методів рішення для включення у вихідне безліч є творчим процесом, їх треба винайти, придумати. Якщо їх можна отримати з будь-якої пам'яті, вони вже не є принципово новими.

Існує ряд психологічних факторів, що перешкоджають або сприяють успіху творчого мислення, що виходять за рамки вирішення завдань управління.

Коли завдання сформульована і накопичені необхідні для її вирішення знання, починається інтенсивний розумовий процес. Для серйозних завдань, які не вдається вирішити одразу, як кажуть, "з ходу", концентровані зусилля над вирішенням завдання повинні обов'язково чергуватися з розслабленням, повним відволіканням від її рішення. Така перепочинок може бути заповнена чим завгодно - фізичним навантаженням, сном, "байдикуванням", рішенням не менш важкою, але обов'язково зовсім інший за змістом і методів розв'язання задачі; важливо, що при цьому свідомість повністю відключається від розв'язуваної задачі, начисто "забуває" про ній. Передбачається, що під час цих перерв рішення задачі триває в підсвідомої області. Може бути, тому після відпочинку думка працює гостріше, ніж раніше, відкриваються нові аспекти завдання і можливості її рішення. В усякому разі, без такої періодичної зміни етапів інтенсивного мислення і відключення важко домогтися успіху - думка працює все повільніше і нарешті "зациклюється", повністю перестає генерувати нові варіанти, тупо повторюючи одне і теж.

Одним з головних перешкод на шляху отримання нового рішення є психологічна інерція. Вона полягає в тому, що у людини, коли він знайомиться з умовами завдання, виникає деяка модель, образ завдання, уявні умови, що не збігаються з фактичною завданням і її умовами. Це відбувається тому, що формулювання завдання побудована так, що викликає в пам'яті певний стереотип, знайомий образ, від якого вже важко відмовитися. Іноді формулювання завдання просто налаштовує людину на певний розумовий процес, і він вже не може перебудуватися.

Психологічна інерція в певній мірі є наслідком навчання, гарного знайомства з яким-небудь предметом. Детально знаючи і багаторазово використовуючи певні об'єкти або процеси, людина застосовує їх в ситуації, яка видається йому аналогічної цим добре знайомим завданням, не звертаючи уваги на те, що початкові умови є зовсім іншими. На цьому заснований ефект функціональної стійкості, коли використовують предмет в одному певній якості, не замислюючись про те, що у нього може бути інше застосування.

Психологічна інерція посилюється при ряді обставин: нетерпінні, небезпеки, в стані напруги, при хвилюванні. Підсилюють її також відволікаючі дії. Вона як шори, звужує область, в якій шукається рішення, не дозволяючи знайти лежить за її межами просте і ефективне рішення.

Як же боротися з психологічної інерцією? Адже не можна радити забути все, що знаєш, або при вирішенні будь-якої задачі ніколи не вдаватися до раніше відомим, звичних методів. Разом з тим подолати психологічну інерцію можна досить просто: треба пам'ятати, що вона існує, що ми до неї схильні. Вирішивши завдання або думаючи, що вона вирішена, треба зіставити рішення з умовою - чи дійсно в умові завдання містяться ті обмеження, які ми прагнули виконати в процесі рішення, перевірити, чи немає принципово інших підходів до її розв'язання.

Знайти новий ефективний метод, нове рішення допомагає так звана інверсія. Вона полягає в тому; що відоме рішення будь-якої проблеми треба спробувати змінити на прямо протилежне. Не одне століття баржі тягнули бурлаки, потім потужні буксири. Тим часом виявилося, що набагато ефективніше їх штовхати, жорстко закріпивши буксир ззаду баржі. Аналогічно цьому авіаконструктори звично мали двигуни в передній частині літака, щоб вони тягнули його вперед. Тим часом розташування двигунів в хвості, що штовхають літак уперед, дало певні переваги. У друкарських машинках буква через фарбувальну стрічку притискається до паперу, залишаючи відбиток. Гарну швидкодію вихідних друкуючих пристроїв ЕОМ вдалося отримати при прямо протилежному дії - папір притискається до букви. Перелік таких прикладів вдалих рішень за допомогою інверсії можна продовжувати дуже довго.

Для пошуку нових рішень корисна аналогія - використання аналогічних ситуацій, причому головним чином не в схожих задачах, а в далеких областях, що не мають, як видається з першого погляду, нічого спільного з розв'язуваної завданням. Багато інженерні рішення є аналогами об'єктів або процесів у живій природі. Вважається, що одним з найбільших винаходів людини є колесо з віссю, тому що йому немає аналогів у живій природі.

Особливо ефективна аналогія, коли думка про її наявність та можливості використання виникає несподівано, як прозріння, при погляді на зовсім інше за природою явище, в бесіді на абстрактні теми, при читанні художньої літератури. Так робляться багато відкриттів. Найчастіше такий випадок виникає, коли людина захоплена вирішенням складного завдання, безперервно про неї думає. Мабуть, при відволікання підсвідомо тривають пошуки вирішення, що дозволяє його побачити в зовсім новій обстановці.

Інше явище, корисне при генеруванні нових ідей, особливо при розробці організаційно-адміністративних систем, називають емпатією. Під цим розуміють ототожнення особистості однієї людини з особистістю іншого, проникнення його в почуття іншої особи. У повсякденному житті це явище використовують, коли просять: "Увійди в моє становище" або "уяви себе на моєму місці". Емпатія вимагає від людини уміння увійти в образ, мислити і відчувати себе іншою людиною. Для цього потрібна природна обдарованість і нескованность, деяке спеціальне навчання і тренування. Треба вміти думати не про себе, а про інше, аналогічно тому, як хороший рибак думає не про те, який смачною буде для нього вуха після риболовлі, а чи буде смачним для рибки черв'як, насаджується на гачок. Найбільш простим випадком є ототожнення розробником організаційно-адміністративної системи управління себе зі співробітником майбутньої системи або її клієнтом.

Більш складні так звані ділові ігри, що одержали широке поширення за кордоном і в деяких областях управління в нашій країні, зокрема в будівництві. Учасники ділової гри розподіляють між собою "ролі" співробітників якоїсь системи управління: директора, начальників різних відділів і цехів, а також замовників і постачальників. Отримуючи вступні умови, вони починають керувати життєдіяльністю підприємства, яке в грі моделюється комплексом програм, які вирішуються на ЕОМ. Цей комплекс програм імітує реакцію окремих ділянок або всього підприємства в цілому на рішення, прийняті учасниками гри. Ця реакція аналізується учасниками, які приймають нові рішення, щоразу отримуючи заохочувальні або штрафні очки, поки не стає зрозумілою ступінь ефективності керуючих впливів кожного учасника гри. Необхідною умовою успішного проведення гри є як можна більш повне входження кожного її учасника в образ того співробітника, роль якого він виконує.

Ділові ігри успішно використовують у процесі навчання адміністраторів, у меншій мірі - для оцінки ступеня підготовленості і кваліфікації учасників і лише іноді - для моделювання нових ситуацій і пошуку рішень.

Велике значення при пошуку принципово нових рішень має добре розвинене почуття уяви, елементи фантазії. Корисно уявити собі ідеальну ситуацію, коли зняті обмеження на ресурси, є можливість використовувати технічні засоби з будь-якими можливостями, в тому числі реально не існуючі. Досить часто рішення, знайдені для такої ідеальної системи, більшою чи меншою мірою можуть бути реалізовані і у звичайній. Іноді в такий спосіб вдається з'ясувати, що невеликі зміни деяких обмежень, в принципі можливі і допустимі, дозволяють застосувати знайдені нові, більш ефективні рішення.

Для пошуку нових рішень в складних випадках виявляються корисними систематизовані дослідження. Під цим розуміють виділення кількох основних складових, спрямованих на вирішення завдання. За кожної складової намагаються знайти якомога більше нових рішень. Потім всі складові і знайдені приватні рішення зводять в таблицю. Комбінуючи в різних поєднаннях приватні рішення, отримують принципово нові рішення складної задачі.

Для колективного пошуку нових рішень корисний метод, що отримав назву мозкової атаки або мозкового штурму. Він полягає в тому, що групі фахівців дається завдання - знайти рішення складної задачі. Кожен учасник групи може висловлювати будь-які ідеї в цьому напрямку, незалежно від можливості їх реалізації, в тому числі дозволяється висувати ідеї, що здаються фантастичними, безглуздими, абсолютно нереальними. Будь-яке засудження висунутих ідей, тим більше їх критика в будь-якій формі, не допускаються. Висловлені ідеї можна тільки підхоплювати - розвивати, доповнювати або висувати нові. Необхідно, щоб всі думки висловлювалися вільно, потік їх був інтенсивним, одна йшла за інший без пауз.

Виникає своєрідний психологічний настрій на генерацію нових ідей, колективна творчість змушує кожного учасника мислити. набагато інтенсивніше, ніж поодинці. Результат групи виявляється більше, ніж міг би бути отриманий як сума результатів її учасників. Такий психологічний настрій виникає тільки при дотриманні деяких умов: група повинна бути не занадто великий і не дуже маленькою, оптимальний склад 6-8 чоловік; учасники групи повинні мати приблизно однаковий рівень підготовленості та освіти; у складі групи не повинно бути начальника або неформального лідера і ряд інших.

Ефект інтенсивної генерації нових ідей виникає невдовзі після початку роботи групи і продовжується в межах години. Всі висловлені ідеї фіксують. Після закінчення генерації ідей починається другий етап - їх аналіз і критика. Цей етап нагадує попередній з тією різницею, що групі дається завдання розкритикувати всі ідеї, висловлені на першому етапі. Допускаються будь-які заперечення, нехай навіть неіснуючі або легко спростовувані, можна тільки їх розвивати або висувати нові, але не можна сперечатися і доводити справедливість розглянутої ідеї. Ті пропозиції та ідеї, які виявлені в результаті обох етапів мозкової атаки, виявляються, як правило, найбільш плідними, результативними і дуже часто принципово новими.

2. Структура математичного забезпечення

Система математичного забезпечення обчислювальних машин третього покоління виконує роль посередника між користувачами та обчислювальною технікою, забезпечуючи зручний для користувача рівень спілкування з машиною, вона включає в себе:

операційну систему ОС ЄС, що забезпечує експлуатацію всіх моделей ЄС ЕОМ (крім ЄС 1011 і ЄС 1021) - однопроцесорних та багатопроцесорних обчислювальних установок з великим об'ємом оперативної пам'яті і повним набором зовнішніх пристроїв у різноманітних режимах користування обчислювальних систем;

комплекси програм технічного обслуговування - контрольно-налагоджувальні тести, щоб забезпечити перевірку правильності функціонування пристроїв і блоків під час налагодження ЕОМ; додаткові тести, щоб забезпечити класифікацію відмов і локалізацію місця несправності;

пакети прикладних програм - пакети, що розширюють можливості операційних систем, що забезпечують роботу діалогових систем, роботу в реальному масштабі часу, віддалену пакетну обробку; пакети прикладних програм загального призначення, що забезпечують різні застосування алфавітно-цифрових дисплеїв, графопостроителей; системи трансляції; програми для науково-технічних розрахунків, математичного програмування, обробки матриць, автоматизації програмування і налагодження та ін; пакети прикладних програм, орієнтовані на застосування в АСУ - узагальнені системи обробки даних, інформаційно-пошукові системи загального призначення та системи обробки документів;

спеціальні програми користувача; проектування спеціального математичного забезпечення є одним з основних етапів створення сучасних АСУ і в значній мірі визначає вартість (50 - 60%) і тривалість їх розробки.

Основними характеристиками спеціального математичного забезпечення АСУ є час функціонування та обсяг оброблюваної інформації відповідними комплексами програм, середній інтервал часу між повним повторенням рішення функціональних завдань. У залежності від вимог, що пред'являються до цих характеристик, можуть бути виділені наступні типи комплексів програм: АСУ організаційного типу - АСУ управління галуззю народного господарства на рівні міністерств і відомств, АСУ підприємств і виробничих об'єднань; оперативного управління виробництвом на рівні підприємства, цеху; АСУ технологічними процесами, управління рухом і т.п.

Комплекси програм першого типу характеризуються великими обсягами надходить і переробляється інформації, час обслуговування вимоги (повідомлення) може становити хвилини та години, інтервал часу між повторними рішеннями завдання - кілька днів і навіть місяців. Комплекси програм другого типу забезпечують вирішення завдань з циклічністю зміни або доби при допустимій затримці повідомлень порядку часткою хвилин або декількох хвилин. Темп функціонування комплексів програм третього типу визначається динамікою керованих процесів. Як правило, допустима періодичність вирішення завдань в АСУ технологічними процесами, становить хвилини, а допустима затримка обробки повідомлень і видачі керуючих команд вимірюється секундами. В автоматизованих системах управління рухом цикл вирішення завдань обчислюється секундами і навіть десятими і сотими частками секунди (системи управління повітряним рухом), а допустимий час обробки повідомлення знаходиться в межах часток секунди і мілісекунди.

Середній час циклу рішення завдань залежить від продуктивності використовуваної обчислювальної техніки, обсягів оброблюваної інформації і складності розв'язуваних задач. Затримка повідомлень крім цих параметрів в значній мірі визначається типами зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв.

Розробка комплексів програм АСУ включає наступні етапи:

1) аналіз вимог до системи і розробка специфікацій;

2) розробка алгоритмів і блок-схем програм;

3) визначення структури програм (виділення програмних модулів і їх оптимізація);

4) кодування (програмування);

5) налагодження.

Тимчасові витрати на реалізацію етапів циклу розробки програмного забезпечення складають (у%): аналіз вимог і розробка специфікацій - 20; проектування та програмування - 35; налагодження-45.

3. Проектування технічного забезпечення

Використовувані в АСУ технічні засоби, особливо обчислювальні машини, розвиваються з небаченою в техніці швидкістю. За 20-30 років продуктивність ЕОМ зросла на три порядки, а габарити і вартість при порівнянній продуктивності зменшилися в 50-100 разів. Це істотно розширило можливості розробників зі створення високоефективних АСУ.

Розробникам необхідно приймати проектні рішення, по можливості не залежні від можливостей конкретних технічних засобів, щоб їх можна було модернізувати або замінювати на більш досконалі в процесі експлуатації системи.

Разом з тим хороша інформація про перспективні обчислювальних засобах дозволить проектувати системи на принципово іншому рівні, з набагато більшими можливостями використання ЕОМ.

Масовий випуск персональних комп'ютерів дозволяє в процесі проектування диференціювати набір технічних засобів аж до окремого типового користувача, визначаючи потрібну комплектацію периферійними пристроями.