Структура и методология разработки автоматизированных информационных систем

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
8 

1. НТР и проблема управления экономикой. Основные 
принципы создания АСУ 
11 

1.1. Системные функционально-информационные 
характеристики ПК 
16 

1.2. Мера сложности. Энтропия. Снижение беспорядка 
18 

1.3. Общая постановка проблемы управления 
производственным комплексом 
24 

1.3.1. Структурные схемы ПК 
30 

1.3.2. Использование модели ТС при исследовании 
структурных схем ПК 
32 

1.4. Основные принципы создания АСУ ПК 
35 

Контрольные вопросы 
46 

2. Традиционные возможности формализации поведения 
сложных систем 
48 

2.1. Элемент как динамическая система. Характеристики 
динамической системы 
48 

2.2. Конечные автоматы 
54 

2.3. Вероятностные автоматы 
58 

2.4. Системы массового обслуживания. Структура модели, 
разновидности СМО 
61 

2.4.1. Моделирование процесса функционирования СМО 
65 

2.4.2. Моделирующий алгоритм. Классификация 
моделирующих алгоритмов 
77 

2.4.3. Моделирующий алгоритм с детерминированным 
шагом 
80 

2.4.4. Моделирующие алгоритмы со случайным шагом 
83 

2.4.5. МАЛ с пошаговым разблокированием 
87 

2.4.6. Сравнение МАЛов 
88 

2.4.7. Моделирующий алгоритм участка «Разливочный 
пролет сталеплавильного цеха - отделение раздевания 
слитков» 
89 

2.5. Агрегатная модель Бусленко (А-система). Структура 
агрегата - элемента А-системы 
93 

2.5.1. Производственные и транспортные операции и 
элементы ПК в А-системах 
96 

3 

2.6. Взаимодействие элементов в сложной системе в рамках 
механизма обмена сигналами 
100 

2.6.1. Многоуровневые схемы сопряжения. Оператор 
сопряжения 
106 

2.6.2. Сложные системы с переменной структурой 
112 

Контрольные вопросы 
114 

3. Проблема создания интеллектуальных ИАСУ ПК. 
Особенности представления знаний в интеллектуальных 
системах 
116 

3.1. «Модельная» теория принятия решений. Семиотическая 
модель управления 
130 

3.2. Языки описания семиотических моделей и формальные 
преобразования 
144 

3.3. Классификация ситуаций 
146 

3.4. Образование новых понятий 
149 

3.5. Общая схема структуры системы ситуационного 
управления 
150 

3.6. Структура элементарной операции, элементарный 
список в системе ситуационного управления 
153 

3.7. Микрооперации семиотического языка 
156 

3.7.1. Объединение сетей 
158 

3.7.2. Пересечение сетей 
158 

3.7.3. Дополнение сетей 
159 

3.7.4. Включение (корреляция) сетей 
159 

3.7.5. Трансформация сетей 
162 

3.7.6. Операции обобщения сетей 
164 

3.7.7. Операции конкретизации сетей 
165 

3.8. Макрооперации семиотического языка 
167 

3.8.1. Перевод 
167 

3.8.2. Целеобразование и целеполагание 
167 

3.8.3. Макрооперация формирования модели проблемной 
среды 
169 

3.8.4. Диалоговая макрооперация формирования модели 
поведения 
170 

3.8.5. Формирование стратегий 
172 

3.8.6. Корректировка моделей 
173 

3.8.7. Моделирование проблемной среды 
174 

3.8.8. Ситуация 
175 

3.8.9. Высказывание и операторы 
177 

3.8.10. Средства описания синтаксиса 
178 

4 

3.8.11. Образы ситуаций и арифметические выражения 
180 

3.9. Структура банка данных для принятия решений 
181 

3.10. База знаний для принятия решений 
185 

Контрольные вопросы 
190 

4. Функциональные ывозможности специализированных 
пакетов (на примере SAP R/3 и М-3) 
192 

4.1. Корпоративная информационная система. Базовые 
понятия 
192 

4.2. Основные подходы к созданию КИС 
194 

4.3. Международные стандарты по управлению 
производством 
196 

4.3.1. Развитие теоретических методов планирования 
ресурсов предприятия 
198 

4.3.2. Современная структура модели MRP/ERP 
202 

4.4. Основные методы проверки функциональных 
возможностей КИС 
208 

4.5. Интегрированная КИС SAP R/3 
211 

4.5.1. Общая информация 
211 

4.5.2. Отраслевое решение для металлургической 
промышленности 
214 

4.5.3. Обзор проектов, использующих отраслевые 
решения R/3 
220 

4.6. Интегрированная система М-3 
221 

4.6.1. Общие сведения 
221 

4.6.2. Архитектура системы 
221 

4.6.3. Функциональные возможности системы 
222 

4.6.4. Дополнительные возможности М-3 
224 

Контрольные вопросы 
225 

Упражнения и тесты 
226 

Библиографический список 
236 

5 

Перечень используемых сокращений 

АИС - автоматизированная информационная система 
АК - автоматическая классификация 
АСОИУ- автоматизированная система обработки информации и 
управления 
АСУ - автоматизированная система управления 
БД-база данных 
БДн-банк данных 
БЗ-база знаний 
ВА-вероятностный автомат 
ВС-вычислительная система 
ДС-динамическая система 
ДУ-диалоговое управление 
ЗПР-задача принятия решения 
ИАСУ ПК - интегрированная АСУ ПК 
ИИ - искусственный интеллект 
ИМ - имитационное моделирование 
ИС - интеллектуальная система 
КА-конечный автомат 
КИС - корпоративная информационная система 
ЛИ - лингвистическая переменная 
ЛИР - лицо, принимающее решение 
ЛТП - логико-трансформационное правило 
МАЛ - моделирующий алгоритм 
МД-модель данных 
МПЗ - метод представления знаний 
МС-модель проблемной среды 
ПТР - научно-техническая революция 
ОНЗУ - объективно необходимая задача управления 
ОУ-объект управления 
ОУ-оперативное управление 
ПК - производственный комплекс 
ПС-проблемная среда 
PC-решающая система 
СА-системный анализ 
САПР - система автоматизированного проектирования 
СМ-семиотическая модель 
СМО - система массового обслуживания 
СОД - система обработки данных 

6 

СП-системный подход 
СС-семантическая сеть 
СТМО - метод статистического моделирования 
СУ - ситуационное управление 
СУБД - система управления базами данных 
СЯ-семиотический язык 
ТП-технологический процесс 
ТС-транспортная сеть 
УС-управляющая система 
Ф-фрейм 
ФП - функция принадлежности 
ЭВМ - электронно-вычислительная машина 
ЯД-язык данных 
ЯПЗ - язык представления знаний 

7 

ВВЕДЕНИЕ 

Понятие «Автоматизированная информационная система» (АИС) 
уже давно употребляется в разнообразных сферах деятельности как в 
теоретических, так и в практических аспектах. Автоматизация практически любой функциональной (объектной) задачи (управление 
технологическими операциями и производственными процессами, 
процессами выработки и принятия решений как в управлении, так и 
при проектировании структур разнообразных систем и др.) связана с 
информационным обеспечением решения целевых (функциональных) задач. При этом качество и полнота структуры используемой 
информации играют исключительно важную роль в достижении адекватных решений целевых функциональных задач. 

В последние десятилетия предпринимаются энергичные усилия 
по созданию интегрированных автоматизированных систем управления производственными комплексами (ПАСУ ПК). Их целью является интеграция всех фаз и уровней автоматизированного управления 
сложной эргатической системой, которой является ПК. 

Стремление разработчиков ПАСУ ПК, используя разнообразный 
математической аппарат и программные средства, «переложить все 
управление ПК на вычислительную технику» не дало ожидаемого 
эффекта (хотя, безусловно, имеются серьезные достижения), поскольку многие задачи, связанные с выработкой и принятием решений (особенно в системах оперативного управления, а также при 
проектировании и прогнозировании развития ПК), в принципе не 
могут быть достаточно полно формализованы. При синтезе АСУ 
сложной системы неизбежно использование также и неформальных 
(экспертных) подходов, позволяющих адекватно сочетать вычислительные возможности современных компьютерных систем (технологий) с творческим потенциалом компетентных в конкретной предметной области ЛПР. 

Рассмотрим отличия традиционной формальной дедуктивной системы от так называемой семиотической системы управления. 

Под формальной дедуктивной системой понимают совокупность 
четырех множеств: базовых элементов Т , синтаксических правил Р, 
аксиом 
А 
и 
правил 
вывода 
П 
(семантических 
правил): 
Ф = {Т,Р,А,П). 
Базовые элементы не могут быть разложены на более простые. Правила Р определяют, как из базовых элементов образовать синтаксически небазовые правильно построенные совокуп
8 

ности (ППС). Из множества ППС произвольно выделяется подмножество А Е ППС. Наконец, правила вывода 77 служат для того, чтобы с их помощью из одних ППС получить другие ППС. Таким образом, формальная система представляет собой целенаправленный генератор ППС, в котором J и 77 фиксированы. В семиотической же 
системе аксиомы А и правила вывода 77 могут изменяться в ходе 
работы системы. 

Отличительной особенностью семиотической системы является 
наличие в ней интерпретатора, который выполняет перестройку модели объекта управления. Па рисунке приведена типовая структурная схема семиотической системы. 

D 

F 

R 

w 

м 

]—^^ 

Схема семиотической системы: 

W -объектуправления; 
F -механизм порождения решений (совокупность определенных 
процедур); D - входной преобразователь; R -выходной преобразователь; М -модель объекта управления; /-интерпретатор 

Данная схема функционирует следующим образом. Основной 
контур управления- D-F-R-W-D. 
Информация снимается с 
объекта и через входной преобразователь D поступает в механизм 
порождения решений F, где решение формируется и выдается на 
объект управления через выходной преобразователь R. Принятие 
решений в F производится на основании знаний об объекте, выделенных в модель М . 

Выделение знаний об объекте в отдельный блок М обеспечивает 
представление этих знаний в более компактной форме, облегчает 
сменяемость и модификацию их. При этом возрастает универсальность и, следовательно, сложность блокад. 

Задачами интерпретатора 7 являются наблюдение за ответными 
реакциями среды и объекта управления и интерпретация их в терминах блока М . Для этого 7 производит такие действия, как выделение причинно-следственных цепочек, обнаружение закономерностей, 
фиксация фактов заданного типа и т.д. 

9 

Блоки М и / являются основными в семиотической системе, поскольку именно они определяют, как будет функционировать вся 
система в целом. Важной особенностью интерпретатора является то, 
что он «работает вообще без заранее заданного плана, так как заложенные в него процедуры носят универсальный характер». Таковы 
основные отличия семиотической системы от формальной (традиционной). 

10 

1. НТР и ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ 

ЭКОНОМИКОЙ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ 

СОЗДАНИЯ АСУ 

Для второй половины XX в. характерно быстрое развитие научнотехнической революции (НТР), основным проявлением которой считается стремительное увеличение сложности управления экономикой. Основные причины роста сложности управления следующие: 

. 
интенсивный рост номенклатуры изделий. Только за последние 
полвека число наименований выпускаемых изделий выросло по 
сравнению с предшествующей половиной века в десятки раз (т.е. исчисляется многими миллионами). А производство связано с решением комплекса задач управления по каждому виду изделий; 

. 
резкое увеличение средней сложности изделий и сложности 
технологии их производства; 

. 
увеличение сменяемости выпускаемых изделий, что требует 
повышенной частоты и скорости решения задач управления; 

. 
НТР выдвинула новые задачи управления, которые ранее фактически не решались. Резко возросла роль прогнозирования научнотехнического прогресса, развития хозяйственных структур. Появились новые эффективные методы решения задач прогнозирования; 

. 
повысилась мощность агрегатов, появились крупные предприятия (комбинаты) со сложной производственной структурой. С чисто 
экономической точки зрения это было выгодно, но управление такими гигантами резко усложнилось; 

. 
остро встала проблема экологической безопасности реализации 
производственных процессов, что потребовало обязательного рассмотрения экологических аспектов при решении задач управления 
экономикой; 

. 
повысились требования к качеству выпускаемой продукции. 

При этом была обнаружена тенденция: сложность задач управления экономикой возрастает быстрее, чем растет число людей, занятых в управлении экономикой. Анализ показал, что при росте выпуска продукции по линейному закону объем информации для целей 
управления возрастает почти в квадрате. 

Развитие сложности задач управления экономикой связано с преодолением двух барьеров (порогов), при переходе через которые 
технология управления должна изменяться коренным образом. 
Именно технология управления- инструмент сбора и соответст
11 

вующей обработки информации для эффективного решения задач 
управления, поскольку проблема управления не сводится только к 
одной технологической стороне. Определяющее значение имеет 
прежде всего адекватное исследование и решение коренных политэкономических проблем идеологического характера (формы собственности, способы распределения материальных благ и т.д.) 

В ранние периоды развития общества экономические связи (и, естественно, информационные связи) замыкались в рамках ограниченных коллективов (род, племя, семья и т.п.). При этом один человек 
(вождь и т.п.) был в состоянии удерживать в своей памяти все ресурсы (соответствующую информацию) и достаточно эффективно 
управлять сообществом. Однако по мере развития экономики сложность задач управления превосходит ограниченные способности одного человека к переработке информации. Этот период был назван 
первым информационным барьером. Он был достигнут много тысячелетий назад и вызвал соответствующие изменения в технологии 
управления: были изобретены два механизма, которые позволили 
распределить задачи управления между многими людьми. 

Первый механизм состоял в использовании иерархических систем 
управления (иерархических организационных структур), второйоснован на введении рыночных (товарно-денежных) отношений. Рынок в первую очередь- механизм распределения товаров, но одновременно он является и регулятором производства. Рыночный механизм способен (в пределе) вовлечь в решение задач управления все 
взрослое население (хотя нередко и косвенным образом). Однако 
способность к переработке информации даже у всего населения 
весьма ограничена. 

Объективно необходимые задачи управления (ОПЗУ) - это задачи, 
которые не зависят от существующих организационных форм, а определяются объективно существующими материальными потоками. 
Примерами ОПЗУ могут служить задачи согласования потока выпускаемой 
предприятием 
продукции 
с потоком материальнотехнического обеспечения производственного процесса или задача 
распределения производственной программы между отдельными 
единицами оборудования (сталеплавильными агрегатами, прокатным 
станами и т.п.). 

Сложность задач такого рода существенно зависит от точности их 
решения, а уровень точности, в свою очередь, определяет размеры 
потерь, которые несут производственно-экономические формирования (предприятия, фирмы и т.п.). Если задать максимально допусти
12 

мую величину таких потерь (например, в размере не более 1 % от 
суммарной стоимости выпускаемой продукции), то понятие ОНЗУ и 
их сложность приобретают вполне определенный однозначный 
смысл. При развитии экономики суммарная сложность ОНЗУ растет 
быстрее, чем количество людей, занятых в управлении экономикой, 
и рано или поздно сложность ОНЗУ превысит возможности адекватного решения людьми задач ОНЗУ. Этот момент назван вторым информационным барьером в развитии экономики. 

Исследования показали, что экономика страны уже в середине 
XX в. перешла второй информационный барьер и никакие экономические и организационные меры, направленные на распределение 
задач управления как путем создания соответствующих организационных структур, так и путем разработки любых регулирующих механизмов экономического характера, не избавят от нарастания трудностей в управлении и увеличения потерь. 

Единственным выходом из сложившейся ситуации является существенное увеличение производительности труда в сфере управления. Такую возможность дают вычислительные системы (ВС) и основанные на их использовании автоматизированные информационные системы, ориентированные на самые разнообразные сферы деятельности (в первую очередь- в автоматизации систем управления 
различными объектами). Необходимо создавать эффективные человеко-машинные (интеллектуализированные) системы, использующие 
наиболее полно творческий потенциал людей на базе вычислительных возможностей современных компьютерных технологий и использование адекватного математического аппарата. Эти системы 
должны стать органической составной частью сложного регулирующего механизма - процесса управления экономикой в условиях угрозы экологической катастрофы. 

Начавшаяся в конце XX в. информационная революция явилась естественным следствием информационного взрыва, основные причины 
которого рассмотрены выше. В настоящее время принято считать, что 
процесс автоматизации в своем развитии прошел три стадии. 

К первой стадии относят автоматизацию технологических процессов. Этот этап охватывает конец 50-х - 60-е годы. Он характеризуется довольно простыми алгоритмами управления технологическими процессами. Например, управление прямолинейным движением инструмента, производящего обработку детали в одной из двух 
плоскостей. Возможность автоматизации указанных алгоритмов обусловлена особенностями вычислительной техники того времени. Ал
13 

горитм управления реализовывался не программным способом, а путем соответствующих схемных решений (т.е. управление основывалось на создании жесткой схемы, как правило, совмещенной с соответствующим объектом управления). 

Вторая стадия автоматизации начинается в конце 60-х - начале 
70-х годов с решением проблемы быстрого поиска в массивах данных. На этот период и приходится появление АСУ. По мере уменьшения стоимости вычислительной техники стало экономически целесообразным ее использование преимущественно в системах управления производственными процессами. В это время также развиваются АСУ административно-хозяйственной деятельностью предприятия. Этот этап характеризуется более сложными алгоритмами 
управления с элементами оптимизации, большими объемами перерабатываемой информации. Примерами задач, решаемых на данном 
этапе, могут служить транспортная задача средней размерности (в 
подсистеме управления производством и транспортным хозяйством), 
планирование загрузки оборудования с помощью методов линейного 
программирования (в частности, симплекс-метода) в подсистеме 
оперативного управления производством. Второй этап автоматизации отличается от предыдущего использованием серийных ЭВМ. 
Алгоритмы управления на этом этапе реализуются программным 
способом. Основной особенностью таких систем является ориентация на работу с информацией. Именно в 70-е годы появляются и широко 
внедряются 
в практику 
всевозможные 
информационнопоисковые и информационно-справочные системы. Это объясняется 
появлением магнитных носителей для хранения большого объема 
данных. 

Третья стадия автоматизации (70-е - начало 90-х годов) осуществлялась достаточно автономно, преимущественно в направлении 
автоматизации обработки информации (АСУ ПК, САПР) и автоматизации технологии производства (АСУ ТП, СЧПУ, ПР). 

АСУ ПК- это АСУ производственными комплексами (ПК). Этот 
класс систем ориентирован на решение типичных задач управления 
ПК: составление оптимальных графиков изготовления продукции, 
выбор рациональной загрузки оборудования и т.п. САПР (системы 
автоматизированного проектирования) ориентированы на выбор технологических структур и состава оборудования при проектировании 
(реконструировании) ПК. Задачи первого направления являются в 
основном слабоструктурированными (не поддающимися полной 
формализации). Носителем информации является документ. 

14 

АСУ Т П - это АСУ технологическими процессами. Этот класс 
АСУ связан с автоматизацией управления технологическими операциями (нагрев металла перед прокаткой, поддержание режимов работы агрегатов на заданном уровне и т.п.). Это обычно хорошо 
структурированные задачи. Объектом управления являются агрегаты 
(хотя в контуре управления может присутствовать оператор, но его 
основная функция- наблюдение за уровнями контролируемых параметров). Носителем информации в АСУ второго направления являет­
ся сигнал (световой, звуковой и т.п.). АСУ ТП имеют наиболее 
«древнюю» историю, когда еще не было современной вычислительной техники. Так, для управления дискретными технологическими 
процессами использовались программаторы, а непрерывными- локальные регуляторы. Затем был недолгосрочный период использования специально разрабатываемых управляющих ЭВМ (например, для 
управления прокатными станами, раскроя металла и т.п.). В настоящее время АСУ ТП реализуются на базе современной компьютерной 
технологии. 

СЧПУ- станки с числовым программным управлением, работающие по «жесткой» программе, предназначены для управления 
полностью структурированными объектами. СЧПУ доминируют 
главным образом в машиностроении. 

ПР - промышленные роботы. Работают автономно по специфическим программам, обычно в условиях агрессивных сред. 

Опыт развития автоматизированных систем управления показал, 
что автоматизация обработки информации в отрыве от автоматизации технологических процессов является тупиковым путем. Поэтому 
в середине 80-х годов начала развиваться интеграция указанных направлений АСУ. Наиболее интенсивно такая интеграция велась в направлении, получившем название ПАСУ ПК- интегрированные 
АСУ ПК. Это соединение АСУ ПК с АСУ ТП в металлургии. В машиностроении интеграция осуществлялась в рамках создания ГАП гибких автоматизированных производств. ГАП интегрируют в своей 
структуре АСУ ПК, АСУ ТП, ПР, САПР. 

Дальнейшее использование АСУ поставило на повестку дня задачу, связанную с тем, что их эффективное применение возможно 
лишь при обеспечении одновременного доступа к АСУ сразу многих 
пользователей, находящихся географически в самых разных точках. 
Произошло слияние ЭВМ с системами передачи данных. Объединение в единую систему информационно-вычислительных мощностей, 
программных средств, баз данных и систем связи оказывает колос
15