Структуризация АС

1.2.1. Виды структур АС

Проектирование любого объекта, в том числе и АСУ требует предварительного анализа этого объекта с целью его структуризации.

Структуризация АСУ – это локализация ее границ и выделение структурных составных частей. Выделенную по определенному признаку часть АСУ называют ее подсистемой. Совокупность действий, направленную на достижение определенной цели, называют функцией АСУ. Выполнение автоматизированной системой управления функций, осуществляемое на действующем объекте управления и обеспечивающее достижение заданных целей, называют функционированием АСУ (ГОСТ 24.003-84).

Структура системы управления отражает строение и внутреннюю форму организации, относительно устойчивые взаимоотношения и взаимосвязи элементов системы. В АСУ, как и любой сложной системе, можно выделить большое число элементов, свойств, связей между элементами.

В процессе создания и в ходе функционирования АСУ выделяют различные аспекты ее внутреннего строения, различая в соответствии с этим разные виды структур системы: организационную, функциональную, информационную, комплекса технических средств и др.

Организационная структура АС отражает существование в системе управления объектом нескольких подразделений разного иерархического уровня и их взаимное административное подчинение.

Структурообразующий элемент такой структуры – это подсистема АСУ, осуществляющая автоматизацию тех процессов обработки информации и принятия решений, которые присущи соответствующему подразделению системы управления. Связи между элементами такой организационной структуры АСУ – это информационные потоки между структурными подразделениями, причем от вышестоящих подразделений в нижестоящие информация имеет характер директив (приказы, распоряжения, инструкции и т.п.), а от нижестоящих к вышестоящим подразделениям характер отчетности о выполнении полученных директив (рапорты, отчеты, сводки и т.п.).

Примеры организационной структуры АСУ приведены на рис. 1.2, 1.3 и 1.4.

Функциональной структурой АСУ называют структуру, элементами которой являются подсистемы, автоматизирующие выполнение отдельных функций управления. Функция управления – это совокупность действий, выполняемых в системе управления для достижения объектом управления определенной цели. Понятие функции управления переносится на функцию АСУ, если АСУ реализует эту функцию.

 

Состав функций реализуемых АСУ определяет ее назначение. Примеры функциональных подсистем АСУ воздушным движением страны:

- подсистема перспективного планирования полетов в регионе;

- подсистема суточного (предварительного) планирования полетов в районе;

- подсистема текущего планирования полетов в аэроузле;

- подсистема управления взлетом – посадкой самолетов в аэропорту.

Связи между элементами функциональной структуры АСУ – это потоки информации, циркулирующей между отдельными функциональными подсистемами. Информация, поступающая от одной функциональной подсистемы к другой может быть двух видов. Первый вид – это результат решения некоторой задачи управления, полученный в одной из функциональных подсистем, который необходим как исходные данные для задачи, решаемой в другой функциональной подсистеме.

Рис. 1.1. Схема организационной структуры ИАСУ предприятием

Рис. 1.1.1. Схема структуры КТС на уровне технологической линии

 

Рис. 1.2. Организационная структура АСУ производственного объединения

 

Рис. 1.3. Пример организационной структуры АСУ воздушным движением страны

Второй вид – это информация о состоянии объекта управления, которая используется в разных функциональных подсистемах. Например, информация о подлете группы самолетов в зону аэроузла используется как в подсистеме текущего планирования этого аэроузла, так и в подсистеме управления взлетом – посадкой в аэропорту, куда направляется данная группа самолетов. С другой стороны, результаты решения задач управления в подсистеме суточного (предварительного) планирования полетов самолетов в районе используется как исходные данные для подсистемы текущего планирования полетов в аэроузле. Типичные функциональные группы дискретного производства представлены на рис. 1.4 – 1.9.

Если в организационной структуре системы управления существуют структурные подразделения, предназначенные для выполнения присущих только им определенных функций, то организационная и функциональная структуры АСУ могут совпадать. Например, если в системе управления аэропортом есть подразделения текущего планирования воздушного движения, управления взлетом – посадкой, материального обеспечения и другие, ориентированные на выполнение какой-то одной функции управления, то организационная и функциональная структуры создаваемой АСУ аэропорта могут совпасть. С другой стороны, если какое-либо структурное подразделение системы управления выполняет несколько функций и его деятельность автоматизируется, то организационная и функциональная структуры АСУ могут быть частично или полностью совмещенными. В этом случае в качестве структурообразующих элементов АСУ могут выступать как организационные подсистемы (т.е. структурные подразделения, работа которых автоматизирована), так и функциональные подсистемы. При этом функциональные подсистемы раскрывают содержание автоматизируемых функций управления соответствующего структурного подразделения. Пример такого совмещения структур АСУ приведен на рис. 1.10, 1.11.

Близкие по методам решения или исходной информации задачи управления, решаемые в функциональных или организационных подсистемах АСУ часто объединяют в отдельные блоки, называемые модулями. Каждый такой модуль должен обладать следующими качествами:

- функциональность, т.е. модуль должен представлять собой функционально законченную и максимально независимую совокупность операций по обработке данных; обращение к модулю осуществляется как к единому целому и значения вызываемых параметров обычно отражает специфику функций модуля;

- связность, т.е. модуль реализует совокупность взаимосвязанных функций, требующих одних и тех же данных; часть этих данных обычно скрыта для системы в целом;

- алгоритмичность, т.е. модуль включает несколько функций, которые реализуются последовательно, причем выходные результаты одной функции являются входными для другой и т.д.; кроме того, функции модуля обычно являются взаимосвязанными во времени;

- однородность, т.е. в модуле объединяются однородные по своему функциональному назначению задачи управления и процедуры их решения.

Если в качестве структурообразующего элемента АСУ выступает модуль, то говорят, что задана модульная структура АСУ. Выделение модулей и построение из них создаваемой АСУ является в настоящее время одним из перспективных направлений автоматизации процессов проектирования АСУ.

Кроме функциональных и организационных подсистем в АСУ выделяют обеспечивающие подсистемы. Как правило, эти подсистемы являются общими для большинства или даже всех задач, решаемых в различных функциональных (организационных) подсистемах. Основными обеспечивающими подсистемами АСУ являются подсистема комплекса технических средств и подсистема информационного обеспечения.

Структурой комплекса технических средств АСУ называют структуру, элементами которой являются отдельные устройства комплекса технических средств АСУ.

Связи между элементами этой структуры отображают информационный обмен между этими устройствами. Для АСУ сложными объектами данная структура имеет вид многоуровневой распределенной вычислительной системы (РВС), отражающей в той или иной степени организационную структуру АСУ.

Информационная структура АСУ показывает характер и взаимосвязь информационных элементов (показателей, документов, блоков, массивов данных), используемых в процессе функционирования АСУ. В ней находят отражение классификационные свойства используемой информации, ее назначение, формы представления (машинная, внемашинная, документированная и т.д.).

Рис. 1.4. Типичные функциональные группы дискретного производства

Рис. 1.5. Пример функциональной структуры АСНИ

Рис. 1.6. Пример схемы функциональной структуры производства

Рис. 1.7. Схема функциональной структуры ИАСУ ГАЦ

Рис. 1.8. Пример схемы функциональной структуры производства

Рис. 1.9. Приближенная функциональная схема системы управления предприятием

 

Рис. 1.10. Пример совмещения организационной и функциональной структур АСУ ВД

Рис. 1.11. Общая схема взаимосвязи управляющей и управляемой систем в условиях АСУ

При построении информационной структуры АСУ необходимо стремиться к тому, чтобы она в полной мере отражала информационные потоки между отдельными подсистемами и задачами АСУ, показывала какая информация является первичной, какая промежуточной, какая результатной. Понятие информационная структура АСУ тесно связано с понятием информационное обеспечение (информационная компонента) АСУ.

1.2.2. Виды обеспечений АСОИУ и их структура

Качество и эффективность функционирования АСОИУ во многом определяются тем, насколько она полно обеспечена необходимыми для этого средствами, позволяющими реализовать выполнение возложенных на АСУ задач управления.

Эти средства называют видами (компонентами) обеспечения АСОИУ.

Различают следующие виды обеспечения АСУ:

- организационное,

- информационное,

- математическое,

- программное,

- техническое,

- лингвистическое,

- правовое,

- эргономическое.

Организационное обеспечение АСУ представляет собой совокупность средств и методов, предназначенных для проведения:

1) технико-экономического анализа существующей системы управления;

2) выбора и постановки задач автоматизации управления;

3) организации процесса функционирования объекта управления в условиях АСУ.

Оно необходимо для обеспечения взаимодействия персонала АСУ с техническими средствами и между собой в процессе решения задач управления. Структура организационного обеспечения на примере АСУ ВД представлена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Схема структуры организационного обеспечения АСУ ВД

Информационное обеспечение АСУ – это совокупность реализованных решений по объемам, размещению и формам организации информации, циркулирующей в АСУ при функционировании. Оно включает нормативно-справочную информацию, необходимые классификаторы используемой информации и их коды, унифицированные документы, массивы и базы данных, используемых при решении задач АСУ. Структура информационного обеспечения на примере АСУ ВД представлена на рис. 1.13.

Техническое обеспечение АСУ – это комплекс технических средств, обеспечивающий эффективное функционирование АСУ. Его специфика состоит в необходимости систематического обслуживания, проверки исправности, профилактики, различных видов ремонта. Эта специфическая область работы АСУ выполняется специалистами по электронике и вычислительной технике и не входит в круг обязанностей специалистов по разработке и эксплуатации АСУ. Однако проектирование всего комплекса технических средств АСУ, объединенного в обеспечивающую подсистему АСУ, является непосредственной задачей разработчиков системы. Структура технического обеспечения на примере АСУ ВД представлена на рис. 1.14.

Рис. 1.13. Схема структуры информационного обеспечения АСУ ВД

 

Рис. 1.14. Схема структуры технического обеспечения АСУ ВД

В плане реализации для конкретных АС технические средства могут образовывать достаточно сложные иерархические структуры на основе построения распределенных вычислительных сетей (РВС). Примеры таких структур приведены на рис.1.15,1.16.

Под программным обеспечением АС понимают совокупность программ и программных средств для реализации всего комплекса задач АС на базе применения средств вычислительной техники, а также соответствующие инструктивно-методические материалы.

Программное обеспечение обычно разбивают на две части:

- общее программное обеспечение,

- специальное (функциональное) программное обеспечение.

Последнее в управляющих ЭВМ часто занимает 50-70 % от общего объема памяти программ.

Общее программное обеспечение можно разделить на две крупные компоненты:

- программное обеспечение вычислительного процесса,

- программное обеспечение технологии создания и сопровождения специального программного обеспечения (см. рис. 1.17).

Специальное программное обеспечение обычно разделяют на три компоненты:

- пакеты прикладных программ,

- программно-ориентированные системы,

- программы организации вычислительного процесса (см рис. 1.18).

Основные компоненты комплекса программ АС, определяющие взаимодействие с внешними объектами, контроль и организацию последовательности решения задач, могут быть объединены в типовую схему, структура которой слабо связана с содержанием функциональных задач АСУ и включает несколько (четких) групп программ:

I. Обмена с внешними объектами;

II. Организации вычислительного процесса;

III. Контроля и обеспечения надежности;

IV. Решения функциональных задач, составляющих специальное программное обеспечение конкретного назначения.

Особенность этой типовой схемы (см. рис. 1.19) заключается в том, что она ориентирована на управляющие ЭВМ и поэтому несколько отличается от больших ОС. Рассмотрим ее функционирование.

I. Программы обмена с внешними абонентами. Эта группа состоит из программ приема и выдачи сообщений. Включение этих программ в работу обычно осуществляется аппаратно по инициативе внешних устройств. Управление этими программами производится диспетчером прерываний, который управляет также программой контроля прерываний и программой анализа сбоев и , возможно, другими программами с абсолютным приоритетом. Включение его производится аппаратно, и он программно почти не связан с основной частью комплекса программ АСУ.

II. Программы организации вычислительного процесса включают: программу периодических вычислений; программу тактировки периодических вычислений; центральный диспетчер; местные диспетчеры; программы взаимодействия ЭВМ и процессоров в вычислительной системе АСУ; программы взаимодействия с внешними накопителями.

Программа начального пуска включается оператором с пульта вычислительной системы, либо центральным диспетчером или периодически, или при изменении внешних условий для контроля и корректировки исходных данных режима функционирования объекта управления. Она обеспечивает сокращение времени, затрачиваемого на перевод вычислительной системы из исходного состояния в заданный режим работы.

Программа тактировки периодических вычислений (таймер) осуществляет контроль счетчиков реального времени и запись заявок на включение периодических программ в соответствии с заданным для них темпом.

Центральный диспетчер управляет включением групп программ, решающих крупные функциональные или вспомогательные задачи. Он включается после завершения каждой вызываемой им группы программ, а при отсутствии заявок и сообщений – после завершения анализа всей шкалы приоритетов.

 

 

Рис. 1.15. Схема структуры РВС для планирования и диспетчеризации основного производства

 

Рис. 1.16. Схема структуры распределенной вычислительной системы (РВС) для координации производства

 

Рис. 1.17. Схема структуры общего программного обеспечения АСУ

Рис. 1.18. Схема структуры специального программного обеспечения

Рис. 1.19. Типовая схема взаимосвязей программ АСУ

Местные диспетчеры управляют последовательностью подключения программных модулей в процессе решения задачи приоритетной группой программ, заданной центральным диспетчером. Они включаются центральным диспетчером или функциональными программами после их завершения.

Программы взаимодействия комплексированных ЭВМ или процессоров в составе вычислительной системы обеспечивают межмашинный обмен информацией и распределение функциональных задач по процессорам для обеспечения необходимой пропускной способности системы или с целью повышения надежности решения функциональных задач (например, дублирование решения задач и выбор результата решения по мажоритарному принципу).

Программы взаимодействия с внешними накопителями позволяют существенно увеличить объем памяти, доступной для хранения программ и информации. Эти программы распределяют память внешних накопителей между различными группами информационных массивов и программ, осуществляют вызов программ из внешней памяти в оперативную и выбирают массивы, подлежащие замещению. Они формируют и корректируют каталоги, определяющие расположение информации и программ на внешних накопителях, осуществляют контроль и защиту данных и программ на внешних накопителях от искажений из-за ошибок в программах и сбоев в аппаратуре.

III. Программы контроля обеспечения надежности осуществляют режимы контроля и восстановления вычислительной системы и управляющей системы как в процессе рабочего функционирования объекта управления в реальном времени , так и функциональный контроль всей системы управления или системы обработки информации вне рабочего режима.

Программа анализа сбоев включается либо схемно при выявлении сбоя методами аппаратного контроля, либо теми участками функциональных программ, на которых обнаружена ошибка или искажение информации. Она осуществляет регистрацию и накопление данных о всех выявленных искажениях вычислительного процесса и информации, вырабатывает решения по ликвидации последствий или уменьшению ущерба от выявленного искажения путем включения соответствующих программ или переключений в аппаратуре. Кроме того, она ведет статистику проявляющихся искажений для обеспечения поиска частичных отказов в аппаратуре и ошибок в программе в режиме профилактики и восстановления системы.

Программа анализа загрузки либо ведет учет холостого времени работы центрального диспетчера, либо подсчитывает суммарное время работы по основным функциональным программам и программам обмена информацией в течении некоторого наблюдательного времени. В зависимости от текущей загрузки вычислительной системы устанавливается темп включения программ контроля, других периодических программ, при необходимости подготавливает решения на перестройку структуры вычислительной системы при переходе значений загрузки через пороговые значения.

В процессе рабочего функционирования для контроля вычислительной системы могут включаться программы двух типов: программный диагностический тест контроля основных устройств системы без изменения информации, накопленной в оперативной памяти при решении функциональных задач, и программа контрольной задачи, имитирующая решения основных функциональных задач по подготовленным и зафиксированным сообщениям с точным сравнением результатов с известным эталоном.

Программы функционального контроля могут включаться:

1) при приеме сообщений функционального контроля внешних абонентов и периодически для формирования сообщений, обеспечивающих функциональный контроль аппаратуры внешних абонентов;

2) при выявлении систематических искажений в поступающей информации для определения их источника.

На основе анализа специализированных сообщений функционального контроля и информационных сообщений от внешних устройств вырабатывается информация о состоянии различных устройств управляющей системы, которая передается оператору системы.

Программа контроля обмена включается периодически и обеспечивает сравнение с эталонами контрольных сообщений, принятых от внешних абонентов, формирование и подготовку к выдаче контрольных сообщений для внешних абонентов, а также обобщение и результатов контроля обмена за некоторый интервал времени.

IV. Программы решения функциональных задач (специальное программное обеспечение) определяются типом и задачами системы управления. Включение функциональных групп программ производится либо через местный диспетчер (программы S5, S6, S7), либо непосредственной передачей управления между программами.

Для реализации процесса вычислений в системе оперативная память ЭВМ должна иметь определенную структуру, предполагающую существование нескольких зон памяти.

В типовой структуре оперативной памяти может быть выделено шесть таких зон:

1) зона программ организации вычислительного процесса;

2) зона входной информации;

3) зона выдаваемой информации;

4) зоны результатов обработки;

5) зоны контроля;

6) зоны хранения программ.

Каждая из этих зон имеет свой объем, причем он может быть как постоянный, так и динамический, и свою структуру, представленную на рис. 1.20.

Для комплекса программ вычислительной системы, осуществляющей управление некоторым объектом, можно выделить несколько основных режимов его функционирования. Такими режимами являются:

1. Режим начального пуска, подготавливающий необходимые исходные данные для последующего функционирования АСУ в данном режиме.

2. Режим тестового контроля и поиска неисправностей. Его можно разделить на два подрежима:

2.1. С помощью специальных диагностических тестов;

2.2. С помощью контрольных задач являющихся частью комплекса программ, постоянно функционирующих в рабочем режиме.

3. Режим функционального контроля управляющей системы. Этот режим в значительной степени связан с режимом начального пуска и должен обеспечивать проверку безопасности включения рабочих режимов, выявление ограничений на функционирование, связанных с состоянием внешних объектов, и выдачу обслуживающему персоналу сводных данных, необходимых для принятия решения о включении управляющей системой и допустимых режимах ее функционирования.

4. Рабочий режим можно разбить на три подрежима в зависимости от нагрузки вычислительной системы основными функциональными задачами.

В подрежиме отсутствия внешних сообщений и ожидания информации система включена полностью в объект управления может с ним взаимодействовать. Она находится в состоянии дежурства и ожидания, а рабочий режим сводится к готовности принятия обработать сообщение и к интенсивному контролю своих элементов и внешних абонентов. Периодически отображаются результаты контроля и включаются тесты для проверок всех компонент системы управления. Из программ, непосредственно связанных с решением функциональных задач, могут включаться, например, программы итогового отображения состояния системы.

В подрежиме рабочего функционирования при малой и средней загрузки вычислительной системы включается основное количество программ решения функциональных задач и устанавливается нормальный темп включения периодических программ. При этом может несколько снижаться темп функционального контроля вычислительной системы и внешних абонентов.

В подрежиме предельной загрузки и перегрузке вычислительной системы, работающей в реальном времени, рабочий режим должен перестраиваться для решения основных функциональных задач с допустимыми задержками и потерями входной и выходной информации. Для рационального использования производительности вычислительной системы в этих случаях приходиться сокращать объем и темп проверок, снижать в допустимых пределах темп включения периодических функциональных задач и переходить на решение ряда функциональных задач по запасным, т.е. «упрощенным» алгоритмам.

Лингвистическое обеспечение АСУ – это совокупность языковых средств для формализации естественного языка, построения сочетания информационных единицы при общении персонала АСУ в условиях ее функционирования, общения персонала со средствами вычислительной техники. Структура лингвистического обеспечения на примере АСУ ВД приведена на рис. 1.21.

Рис. 1.20. Типовая схема структур расширения оперативной памяти

Рис. 1.21. Схема структуры лингвистического обеспечения АСУ ВД

Математическое обеспечение АСУ – это совокупность средств и методов, позволяющих строить математические модели задач управления. Эта компонента включает четыре составляющих ее элемента: средства математического обеспечения, методы выбора этих средств, соответствующую документацию, регламентирующую постановку и возможные методы решения задач, персонал, занимающийся разработкой математического обеспечения АСУ. Структура этого обеспечения на примере АСУ ВД представлена на рис. 1.22. Реализуется это обеспечение в виде программного обеспечения.

Под правовым обеспечением АСУ понимают совокупность норм, выраженных в нормативных актах, которые устанавливают и определяют организацию этих систем, их цели, задачи, структуру и функции, правовой статус АСУ и всех ее структурных элементов, регламентируют процессы создания и функционирования АСУ. Структура правового обеспечения АСУ дана на рис. 1.23.

Эргономическое обеспечение АС – это совокупность методов и средств, которые используются на разных этапах разработки и функционирования АСУ для выбора проектных решений, создающих оптимальные условия для деятельности человека в АС, быстрейшего освоения системы и обеспечения высокой эффективности и безошибочной деятельности человека в ней.

Выделение обеспечивающих компонент АСУ и анализ их структуры позволяет не только описывать разные стороны функционирования АСУ, но и дает возможность оценить спроектированную АСУ с точки зрения того, на сколько принятые проектные решения полно отражают все виды обеспечений. Отсутствие или неполное описание хотя бы одного из перечисленных видов обеспечений или каких-либо их структурных элементов, как показывает практика, приводит к неэффективному использованию созданной АСУ.

Компоненты АСУ могут быть сгруппированы в три класса компонент:

1) функциональные компоненты, определяющие, какие функции управления объектом и в каком объеме выполняет АСУ;

2) организационные компоненты, регламентирующие порядок взаимодействия структурных подразделений объекта управления в процессе разработки, внедрения и функционирования АСУ;

3) 3) компоненты системы обработки данных, отражающие разные аспекты внутренней структуры процессов и средств их технической реализации, обеспечивающих получение, хранение, обработку и передачу информации, необходимой для автоматизируемого управления объектом управления. Обобщенная схема структуры АСУ в виде укрупненной декомпозиции составляющих ее компонент представлена на рис.1.24.

Рис. 1.22. Схема структуры математического обеспечения АСУ ВД

 

 

Рис. 1.23. Схема структуры правового обеспечения АСУ

 

 

Рис. 1. 24. Обобщенная схема структуры АСУ

 

Особенность этой схемы, кроме ее обобщенного вида, пригодного для описания любой АСУ или ее функциональной подсистемы, состоит в том, что в качестве основного принципа построения система обработки данных АСУ принят принцип независимости компонентов математических моделей от компонентов моделей управления объектом управления, компонентов вычислительных алгоритмов от компонентов математических моделей, компонентов логической базы данных от компонентов вычислительных алгоритмов, компонентов физической базы данных от компонентов логической базы данных, компонентов программного обеспечения от компонентов физической базы данных.

При этом каждая компонента АСУ состоит из иерархических взаимосвязанных элементов, подчиняющихся общим закономерностям теории иерархических многоуровневых систем, каждый уровень которых представляет своего рода «деталь» данного компонента. Свойства элемента, его входные и выходные параметры, взаимосвязи между элементами, организация и управление элементами на различных уровнях иерархии подчиняются также общим законам иерархических многоуровневых систем. Внутренние «физические» свойства каждого элемента зависят от типа компонента и закономерностей, присущих только данному типу.