Парадигма интеграционного проектирования материальных и нематериальных систем

А.С. Степанова,

аспир. каф. КРЭМС, ser23n2005@yandex.ru,

Д.Ю. Муромцев,

д.т.н., проф., зав. каф. КРЭМС, crems@crems.jesby.tstu.ru

ТТТУ, г. Тамбов

Проведён анализ парадигм проектирования материальных и нематериальных систем объектов реального мира. Разработана классификация материального и нематериального проектирования. Синтезирована новая интеграционная система проектирования, включающая программирование. Получена модель проектирования, использующая информационно-коммуникационные облачные или Grid-технологии. Предложен интеллектуальный концепт информационно – управляющей системы при принятии решения в нелинейной модели системы.

The analysis of the design paradigms of tangible and intangible systems, real-world objects. It is classification of tangible and intangible design. There is synthesized a new integration systems design, including programming. It is the model of design, use-forming information-communication cloud, or Grid-technologies. There is a concept of intelligent information management system for decision making in a nonlinear model of the system.

Введение

Актуальность. В докладе Национального совета по разведке США «Глобальные тенденции – 2020» считают, что будущее России зависит от нашей способности создавать эффективные системы управления [3].

В условиях обостряющейся конкуренции за лидерство на растущих новых направлениях мирового рынка для России важно определить, что поможет обеспечить ему успешный захват и возможность претендовать на получение высокой технологической ренты. Требуется непросто большая активность в сфере исследований и разработок, но и действия, адекватные усилиям конкурентов, направленных на подготовку к наступающей смене основных технологий в 2010-2020 годах.

Эффективнее всего это проявляется в технологическом превосходстве систем. Это во многом связывают с использованием наступающего длинного цикла Н. Д. Кондратьева – Й. Шумпетера называемого 6-м технологическим укладом в известной концепции, предложенной академиками РАН Д. С. Львовым и С. Ю. Глазьевым [5].

Используемые в России автоматизированные системы исследований (НИР) и разработок (ОКР) используются самостоятельно, сами по себе. Не используется синергия разработки систем, в том числе – программирование.

Сценарий перехода к технологиям саморазвивающихся систем XXI века

Постановка задачи. Настоящая работа развивает предложенную нами парадигму проектирования, в которой показано, что использование обязательных сейчас ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП отбрасывает Россию в 50-е годы прошлого века, когда был рынок изготовителей (продавцов), а не покупателей, как сейчас.

Объектом исследования явилось оптимальное управление распределенными информационно-управляющими иерархическими системами при создании интеллектуальной системы высокотехнологичного уклада.

рис. 1 Существующая модель проектирования CAD/CAM/CAE/PDM

На рис. 1 представлен существующий порядок разработки (модель проектирования CAD/CAM/CAE/PDM) с учётом использования компьютера и программного обеспечения для него. Из рис.1 видно, что в основном и вспомогательном производствах программирование ускоряет (автоматизирует) материальное проектирование.

Следует иметь ввиду, что существует первая проблема программирования. Это производительность самого программистского труда. По данным фирмы Software Productivity Research, производительность программистского труда (ПТ), выражаемая в виде усредненной стоимости одного FP возрастает в среднем на 4,6% в год и составляет сейчас приблизительно 1000 долл./FP. Где: FP - "функциональный пункт" (function point) – взвешенная сумма присутствующих в блоке программного кода вводов, выводов, запросов к данным и общих обрабатывающих операций с учетом наличия распределенной обработки, степени повторного использования кода [9].

В настоящее время проявилась вторая принципиальная проблема: способность человека к передаче знаний

машине безнадежно отстает от способности создать эту машину. Если затраты общественного труда на создание микропроцессора исчисляются в человеко-часах, то затраты на создание программного обеспечения до сих пор выражаются в человеко-месяцах, даже с учетом тиражирования программ. Логистическая кривая Барри Боэм, рис. 2, 3, показывающая динамику соотношения затрат на оборудование и программы при проектировании системы обработки информации, стала настолько привычной, что уже не вызывает удивления. Специалисты по программированию трудятся вовсю, чтобы сделать труд программиста более производительным. Однако даже, если мы примем гипотезу десятикратного увеличения производительности труда при производстве программ, элементарные расчеты показывают, что для того чтобы через двадцать лет запрограммировать все производимые микропроцессоры, нам надо будет посадить за программирование все взрослое население земного шара.

рис. 2 Логистическая кривая затрат на оборудование и программы при проектировании (по Барри Боэму)	рис. 3 Оригинальная спиральная модель жизненного цикла разработки по Б. Боэму [Boehm, 1988]. Отличительная особенность – внимание к рискам жизненного цикла

Решение

Рассмотрим интеграционное решение в разработке, как материального так и нематериального проектирования систем (сложных изделий). Используемые в России автоматизированные системы исследований (НИР) и разработок (ОКР) используются самостоятельно, сами по себе, без синергии систем – программирования. В таблице 1 показана наша классификация материального и нематериального проектирования современных технологических укладов.

Таблица 1

Классификации материального и нематериального проектирования современных технологических укладов

Вид производства	Тип производства	Обеспечение	Управление по технологическим укладам (ТУ)
			4-й ТУ (САПР)	5-й ТУ (АСУ ТПП)	6-й ТУ (Веб-коммуникации)
Материальное производство продукции	Основное, интегрированное в связи и продукты	Аппаратное обеспечение	Системы автоматического управления	Информационные системы	Интеллектуальные информационно- управляющие системы
		Программное обеспечение	Релейная логика	АСУ ТПП. SCADA системы	Объектно-ориентиро-ванная технология
	Вспомогательное, интегрированное в связи и продукты	Аппаратное обеспечение	Системы автоматического управления	Информационные системы	Интеллектуальные информационно- управляющие системы
		Программное обеспечение	Релейная логика	АСУ ТПП. SCADA системы	Объектно-ориентиро-ванная технология
Нематериальное производство продукции	Основное, интегрированное в связи и продукты	Аппаратное обеспечение	Системы автоматического управления	Информационные системы	Интеллектуальные информационно- управляющие системы
		Программное обеспечение	Релейная логика	ЭВМ. Прикладные программы	ЭВМ/СБИС. Облачные (рассеянные) вычисления
	Вспомогательное, интегрированное в связи и продукты	Аппаратное обеспечение	Системы автоматического управления	Информационные системы	Интеллектуальные информационно- управляющие системы
		Программное обеспечение	Релейная логика	ЭВМ. Прикладные программы	ЭВМ/СБИС. Облачные (рассеянные) вычисления

Из таблицы 1 видно, что на современном этапе управление материальным и нематериальным производством устремляется к веб-коммуникациям, обеспечивая закон увеличения степени идеальности системы [2].

Информационно-управляющая система (ИУС) – это система для выдачи человеку информации, необходимой для принятия решений. ИУС должна выдавать информацию о прошлом, настоящем и предполагаемом будущем. Самой важной ее задачей является выдача нужной информации нужным людям в нужное время [7,10]. Трудоемкость создания современных отказоустойчивых ИУС составляет несколько десятков человеко-лет [8].

На рис. 4 представлена модель проектирования продукции на множестве состояний функционирования, с учётом программирования и тенденций начала XXI века. Она представляет собой сложный программно-технический комплекс, и может применятся в области управления технологическими и бизнес процессами [5]. Главной отли-чительной особенностью таких систем является то, что каждая система создается, как уникальный продукт для ре-шения конкретных прикладных задач. Реальное время понимается в смысле (soft real-time), когда наряду с корректностью функционирования требуемый результат должен быть получен в заданное, приемлемое время [1,4].

рис. 4 Модель проектирования продукции в России с учётом программирования и тенденций начала XXI века

Основные результаты и научная новизна. Известные решения, призванные удешевить и ускорить разработку и модификацию подобных систем, условно разделены нами на три основные категории:

· системы автоматизации проектирования;

· разработка «линеек» совместимых продуктов и программных шлюзов, обеспечивающих совместимость с продуктами других производителей;

· интегрированные системы веб-коммуникации процессов материального и нематериального проектирования.

Нынешние интегрированные объектно-ориентированные (ОО) среды, такие, как Taligent или OpenStep, могут рассматриваться прообразами будущего. В соответствии с ОО, концептом децентрализации останется в прошлом подход "главная программа плюс компоненты". Вместо этого, программы будут конструироваться настройкой су-ществующей интегрированной среды с помощью компонентов - модулей, которые не просто инкапсулируют функциональность и данные, но могут быть динамически встраиваемыми (plug-in). Для программиста это означает, что ему не нужно писать основную программу и начинать поиск повторно-используемых компонентов, чтобы встроить их в эту программу. Теперь он ищет компоненты, содержащие такие обработчики событий, которые могут быть использованы для перегрузки существующих методов внутри готовой к исполнению среды, чья задача - послать со-общение к объектам с тем, чтобы обработать событие. Вот он, привет от Java, Java-апплетов, прикрепленных к веб-страницам [8].

Ввод в практику новых языков программирования не слишком изменяет отношение SLOC/FP (SLOC - source lines of code – количество строк кода), которое уменьшается в среднем на 11% в год (для С++ это отношение около 100, для Smalltalk - около 20). Это означает, что мощность языков и средств программирования растет быстрее, чем производительность труда программиста, но гораздо медленнее производительности аппаратуры. При этом прогноз относительно дальнейшего прогресса обоих показателей в обозримом будущем не утешительный: например, отношение долл./FP (function point - "функциональный пункт") к 2010 году не упадет ниже 500; равно как и показатель мощности языка SLOG/FP не может быть значительно улучшен.

Информационные технологии базируются на материальном единстве наноуровней и интеграции технологий на более высокие уровни, в соответствии со 2-м законом К. Гёделя о неполноте. Важной системной закономерностью в информационной сфере для сложных процессов (систем) является то, что процесс развития событий значительно опережает процесс осознания этих событий.

Автоматизированный информационный уровень управления, возможности современной вычислительной техники, ее программного обеспечения, наличие развитого математического аппарата для решения управляющих задач делают актуальным переход управляющей системы от информационного режима к информационно-управляющему для повышения КПД системы и повышения её энергоэффективности [7,10].

При сохранении изменчивости коммуникативной системы общества и отсутствии общего проектного поля для инноваций, человечество стоит перед формированием разрывов технологических укладов [10].

Особенностью нашей информационно–управляющей системы является:

• работа в реальном масштабе времени;

• обеспечение максимально возможной безопасности людей, с индивидуальным риском не менее 10 ^-6;

• гибкость управления в нештатных режимах работы;

• внештатные ситуации должны корректно разрешаться самой вычислительной системой (ПК / СБИС);

• использование Grid или облачных (рассеянных) технологий вычислений;

• возможность функционирования в непрерывном и прерывистом режимах;

• запись в энергонезависимый накопитель параметров состояния функционирования.

Последовательность разработки и правила программирования

1. Постановка задачи.

2. Анализ, исследование и прогноз основной и важнейших задач моделируемого объекта.

3. Синтез конкретной математической модели с робастным планированием эксперимента по Г. Тагути.

4. Разработка конкретного математического метода.

5. Создание конкретного математического алгоритма на выбранном языке пpогpаммиpования и принятие решения.

6. Программирование (programming), быстрые методы для объектных баз данных.

7. Тестирование и отладка.

8. Анализ результатов решения задачи и уточнение в случае необходимости математической модели с повторным выполнением этапов 1-6 (3-6 по Г. Тагути).

Математическое обеспечение ПК на этом завершается. Далее следуют: «исходный код и объектный код". Они составляют содержание программного обеспечения ПК [9].

Моделирование

Оценка и принятие решений (оптимизация) заключаются в выборе наилучшего варианта технической системы (ТС) из нескольких альтернативных и оценке эффективности его функционирования. Функционирование ТС характеризуется некоторым количественным или качественным функционалом [6].

В общем случае ТС можно охарактеризовать кортежем символов, например:

, (1)

где ТС - техническая (технологическая) система; ФН - функциональное назначение; Ф - функция; СТ - структура; К - компоновка; О - организация; Э - вектор показателей эффективности (качества).

Рассматриваемые модели динамичны и нелинейны. Основными системными объектами данной модели являются векторы входных переменных (входа) х, фазовых координат (переменных состояния) z, выходных переменных (выхода) у такие, что:

(2)

где X, Z, Y - множества, в которых изменяются векторы x, z, y соответственно; — множества значений компонент x_i, z_j, y_k, векторов - декартово произведение, т.е. множество X, состоящее из всех упорядоченных совокупностей вида , причем T — символ транспонирования; аналогичные определения — и для Y и Z.

Вектор z(t₀) фазовых координат целиком определяет состояние системы L в фиксированный момент времени t₀.

Положение системы в любой момент времени t в будущем, т.е. для t > t₀ единственным образом определяется вектором z(t₀) = z₀ и изменением входных воздействий (траекторий) и не зависит от того, каким образом система пришла в состояние z₀ (рассматриваются системы без последействия). Для таких систем имеет место следующее отображение:

, (3)

т.е. закон, по которому каждому элементу (t, t₀, z, x(·)) множества , называемого областью определения отображения, ставится в соответствие некоторый элемент z множестваназываемый областью значений отображения. Здесь T — множество значений моментов времени t(t₀), X(·)) — множество траекторий изменения входного воздействия x(·) [5].

Можно использовать также более привычную форму записи в виде оператора, где динамическая система Σ задается четверкой множеств T, X, Z, Y и двумя операторами φ, ψ т. е.

. (4)

Выполненная работа показала: 1. Хроническое отставание нововведений от запланированных исторических сроков, что в свою очередь сказывается на потерях лидирующего положения на рынке. В итоге Россия и предприятия несут убытки намного дольше, а когда начинают получать прибыль, то оказывается, что возможность получения высоких доходов – уже упущена. 2. Увеличение и усложнение количества управляющих задач с течением времени (Закон возрастания стоимости).

Заключение

1. Будущее России зависит от способности создавать эффективные системы управления.

2. Предложенная классификация материального и нематериального в управлении показывает необходимость перераспределения ресурсов в сторону интеллектуализации технологий, ведущих к большей производительности труда, к увеличению военной силы и рациональному выбору интеллектуальной системы управления.

3. Для реализации этого перехода, снижения риска до приемлемого уровня необходимо было осмыслить и разработать новые технологические принципы построения информационно–управляющих систем, с учётом программирования, что и предложено для практического использования в разрабатываемой интеллектуальной системе.

4. Предложен сценарий локального лидерства на нишевых высокотехнологичных проектах с использованием объектно-ориентированной технологии программирования или «облачных (рассеянных) вычислений, (проблема 1), который представляется наиболее перспективным из-за снижения стоимости владения, как с точки зрения использования имеющегося потенциала России так и для улучшения отечественной продукции.

5. Современный этап развития управления информационными ресурсами делает важным и актуальным переход к информационно-управляющему режиму в системе организации процесса управления (проблема 2).

6. Нужно заниматься развитием собственных закрывающих технологий, использование которых сильно сокращает или даже делает ненужными существующие отсталые производства низших технологических укладов. Мы считаем это основой для дальнейшего совершенствования производства и развития России.

7. В результате решения проблемы создания энергоэффективных ИУС, для увеличения максимального времени их жизненного цикла, возникли новые задачи их рационального применения:

· создание ИУС в NBIC-конвергенции, описывающие технологические области: нанотехнологии, биотехнологии, информационные технологии и когнитивную науку;

· повышение энергоэффективности работы в условиях динамичности информационных процессов ИУС за счёт улучшения алгоритмов и программного обеспечения веб-коммуникаций;

· повышение интеллектуализации систем для увеличения времени их жизненного цикла.

Литература

1. Аджиев В. Объектная ориентация: философия и футурология. Открытые системы / В. Аджиев. М. 1996. №6. [Электронный ресурс].-Режим доступа свободный: http://www.osp.ru/os/1996/06/179026/.

2. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука/ Г.С. Альтшуллер.— М.: «Советское радио», 1979. — С. 122 – 127. 3. Аналитический центр. Глобальная технологическая революция. Национальный совета по разведке США. Проект 2020. [Электронный ресурс]. – Режим доступа свободный: http://www/nps.sarov.ru.

3. Барри Боэмом. Спиральная модель c контрольными точками проекта (перевод С. Орлик). [Электронный ресурс]. – Режим доступа свободный: http://www.it4business.ru/kb/88/.

4. Глазьев С.Ю. Возможности и ограничения технико-экономического развития России в условиях структурных изменений в мировой экономике/С. Ю. Глазьев. [Электронный ресурс]. – Режим доступа свободный: http:// spkurdyumov.narod.ru/glaziev.htm.

5. Дворецкий С.И. Моделирование систем / С.И. Дворецкий, Ю. Л. Муромцев, В. А. Погонин. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 320 с.

6. Кузнецов Н.А. От автоматизации производства до управления научно-техническим прогрессом/ Н.А. Кузнецов// Вестник РАН, М. 2005. Том 75, № 11. – С. 1038-1053.

7. Кульба В.В. Автоматизированные ИУС социально-экономических и организационных структур/В.В. Кульба, С.А. Косяченко, В.Н. Лебедев. - М.: Издательство ИПУ РАН «Проблемы управления», 2009. № 3.1. – С.73-87.

8. Скотт Амблер. Быстрые методы для объектных баз данных (пер. С. Кузнецов). [Электронный ресурс]. – Режим доступа свободный: http://citforum.univ.kiev.ua/SE/project/ambler/.

9. Трапезников В.А. Управление и научно-технический прогресс / В. А. Трапезников. – М.: Издательство ИПУ РАН, 1985/2005. – 223 с.

10. Чейз Ричард. Производственный и операционный менеджмент ( 10-е издание ) / Ричард Б. Чейз, Ф. Роберт