Способ построения и оптимизации модели для комплекса систем
Изобретение относится к устройствам моделирования сложных систем, состоящих из нескольких частей. Техническим результатом является разработка способа построения и оптимизации модели для комплекса систем, который позволяет использовать его при проектировании любых комплексных систем. Для этого способ включает следующие операции: с помощью тестовых воздействий на каждую из систем комплекса собирают информацию о каждой системе, на основании собранных данных строят интерфейсную модель, отражающую взаимосвязи и взаимодействия этих систем, формируют и вводят в построенную интерфейсную модель данные о требованиях каждой системы к другим системам этого комплекса и о внешних требованиях к каждой из систем этого комплекса, используя упомянутые интерфейсы, в процессе функционирования построенной модели проверяют каждую систему на соответствие внешним требованиям, выявляют конфликтные ситуации и выбирают средства для приведения систем комплекса в соответствие внешним требованиям или устранения конфликтных ситуаций, изменяют построенную модель и повторяют операции выявления и выбора до тех пор, пока построенная модель не будет соответствовать внешним требованиям и не будут устранены конфликтные ситуации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к моделированию сложных систем, состоящих из нескольких частей, и, в частности, к способу построения и оптимизации модели для комплекса систем, состоящего из двух или более взаимосвязанных одноранговых систем.
Существующий уровень техники
При проведении работ по проектированию различных комплексов, например, при строительстве зданий или сооружений, при разработке многостадийных технологий производства, при расчете топологий интегральных микросхем и т.п., необходимо взаимно увязать составляющие этот комплекс одноранговые системы по их взаимодействию в процессе создания и последующей эксплуатации данного комплекса. Для этой цели используют автоматизированное проектирование с моделированием проектируемого комплекса. В настоящее время известно много различных способов для такого моделирования.
Так, в патенте США № 6405364 (G 06 F 9/44, опубл. 11.06.2002) описан способ моделирования системы, направленный как на подлежащую построению систему, так и на воплощение стратегии выполнения системных требований. В этом способе программные компоненты системы, остающиеся неизменными, заключаются в оболочки, которые могут изменяться другими программными компонентами системы. В этом способе можно моделировать относящиеся к системе данные, протекающие в ней процессы, происходящие в системе события, характеристики системы. Однако в этом способе система моделируется в целом, поэтому данный способ мало пригоден для моделирования комплекса, состоящего из нескольких систем.
В другом способе моделирования систем, описанном в патенте США № 6370573 (G 06 F 11/30, опубл. 09.04.2002), используются соглашения на уровне услуг и соглашения на уровне операций, причем услуги планируются так, чтобы предусматривать и выполнять изменения в системе. Однако данный способ также не подходит для моделирования комплекса, состоящего из нескольких систем, поскольку резко увеличивается сложность и число услуг всего комплекса, зависящих от числа услуг в каждой входящей в комплекс системы.
Патент США № 5220512 (G 06 F 15/60, опубл. 15.06.1993) описывает способ проектирования и моделирования электронной схемы путем использования заранее заданных графических элементов. Этот способ приемлем для моделирования лишь комплексов, состоящих из нескольких простых систем, таких как элементы электронной схемы.
В патенте США № 5754738 (G 06 F 15/18, опубл. 19.05.1998) описан способ компьютерного моделирования систем, в котором проект системы определяется из набора альтернативных проектов по наилучшему соответствию концептуальным требованиям. Данный способ непригоден для моделирования комплекса, состоящего из нескольких систем, т.к. проект оптимальной системы как таковой может оказаться неприемлемым при использовании этой системы в комплексе, а проект комплекса потребует выбора из очень большого числа вариантов.
В еще одном известном способе (патент США № 5867397, G О6 К 17/00, опубл. 02.02.1999) для автоматического проектирования таких комплексов, как микросхемы, используется набор приемов, которые могут вовлекаться в генерирование структур, дающих возможность удовлетворить требования к комплексу. Поведение таких генерируемых структур оценивается с точки зрения наилучшего соответствия требованиям проектирования. Этот способ позволяет проектировать комплексы из таких сравнительно простых систем, как транзисторные элементы, которые, как правило, работают в двух режимах (открыт - закрыт). Но для комплексов, состоящих из нескольких сложных систем, каждая из которых сама может рассматриваться как система, этот способ мало пригоден.
Известен способ построения модели технической системы, в котором модель каждого компонента этой системы, моделирующая функции этого компонента, снабжена интерфейсом, моделирующим перенос обрабатываемых материалов и поток информации (заявка № WO 99/60497, G 06 F 17/50, опубл. 25.11.1999). В этом способе взаимодействие всех компонентов происходит под управлением главного процесса, т.е. данный способ непригоден для моделирования комплексов, состоящих из взаимосвязанных и взаимодействующих самостоятельных одноранговых систем.
Наиболее близким аналогом к настоящему изобретению является способ построения и оптимизации модели для комплекса систем, состоящего по меньшей мере из двух взаимосвязанных и взаимодействующих одноранговых систем (патент США № 6298452, G 06 F 9/455, опубл. 02.10.2001). В этом способе, используемом при моделировании работы компьютерной системы, состоящей из многих микросхем, с помощью моделей каждой микросхемы определяются те события, которые происходят в процессе взаимодействия этих моделей и между моделями и эмуляторами, собирающими данные о функционировании и взаимодействии моделей микросхем на более высоком уровне. После этого данные о таких событиях обрабатываются так, чтобы оставить только данные о событиях при взаимодействии моделей микросхем и отфильтровать данные о взаимодействиях моделей микросхем с эмуляторами, поскольку эмуляторы, т.е. программы проверки моделей микросхем, работают гораздо быстрее проверяемых моделей и могут вызвать такие события, которые никогда не произойдут в реальности.
Этот способ, устраняя такие "нереальные" события, помогает сократить число циклов моделирования. Но его ориентированность на комплексы, состоящие из микросхем, не дает возможности использовать его и при проектировании иных комплексов, в частности, строительных.
Сущность изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в разработке такого способа построения и оптимизации модели для комплекса систем, который позволил бы использовать его при проектировании любых комплексных систем и был бы свободен от недостатков известных способов.
Для достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предлагается способ построения и оптимизации модели для комплекса систем, состоящего по меньшей мере из двух взаимосвязанных и взаимодействующих одноранговых систем, заключающийся в том, что: а) с помощью по меньшей мере одного тестового воздействия на каждую из систем комплекса собирают информацию о каждой из систем комплекса, включающую в себя данные о назначении, структуре, функционировании данной системы, о взаимосвязях и взаимодействиях данной системы с другими системами комплекса и о требованиях, предъявляемых этой системой к другим системам комплекса; б) на основании собранных данных для систем комплекса строят интерфейсную модель, отражающую взаимосвязи и взаимодействия этих систем в виде соответствующих интерфейсов между ними; в) формируют и вводят в построенную интерфейсную модель данные о требованиях каждой системы к другим системам этого комплекса и внешних требованиях к каждой из систем этого комплекса, используя указанные интерфейсы; г) в процессе функционирования построенной интерфейсной модели с введенными в нее данными осуществляют проверку каждой из систем на соответствие внешним требованиям, выявляют конфликтные ситуации во взаимодействиях систем комплекса и выбирают средства для приведения систем комплекса в соответствие упомянутым внешним требованиям и/или для устранения выявленных конфликтных ситуаций; д) изменяют построенную интерфейсную модель для отображения ею выбранных средств; е) повторяют операции г) и д) до тех пор, пока построенная интерфейсная модель не будет соответствовать всем внешним требованиям и пока не будут выявлены и устранены все конфликтные ситуации в работе этой модели для комплекса.
Особенностью способа по настоящему изобретению является то, что в качестве средств для приведения систем комплекса в соответствие внешним требованиям и/или для устранения выявленных конфликтных ситуаций выбирают по меньшей мере одно средство из группы, включающей в себя: дополнение по меньшей мере одной из конфликтующих систем хотя бы одним регулятором взаимодействия, изменение структуры по меньшей мере одной из конфликтующих систем, изменение количественного и качественного состава элементов по меньшей мере одной из конфликтующих систем, изменение режимов работы по меньшей мере одной из конфликтующих систем.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что результаты построения и функционирования интерфейсной модели отображают в виде матрицы, элементами которой являются данные, упомянутые в операциях а) и/или в).
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что в случае, когда любая система комплекса состоит по меньшей мере из двух взаимосвязанных и взаимодействующих одноранговых подсистем, к ней применяют по меньшей мере операции а)-е).
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что в качестве взаимосвязей и взаимодействий между системами комплекса выбирают физические, и/или информационные, и/или управляющие связи и отношения.
Изобретение поясняется чертежами, где
На фиг.1 представлен общий вид матрицы интерфейсов для всех систем комплекса;
На фиг.2 показаны конкретные требования, предъявляемые информационно-вычислительной системой к структурированной кабельной системе конкретного здания.
Подробное описание изобретения
Способ построения и оптимизации модели для комплекса систем по настоящему изобретению будет описан далее на неограничивающем примере проектирования здания.
Здание представляет собой комплекс различных одноранговых систем, таких как система водоснабжения, система кондиционирования, система отопления, система электроснабжения, система пожаротушения и т.д. Обычно каждая такая система проектируется и устанавливается практически без учета ее взаимодействия с другими системами здания. В получающемся при этом "неинтеллектуальном" здании типичны ситуации встречной работы, к примеру, систем отопления и кондиционирования, когда система отопления пытается поддержать температуру выше, чем задано для кондиционера. Еще хуже обстоит дело при работе систем вентиляции при возгорании, когда срабатывание температурного датчика системы вентиляции вызывает повышение притока свежего воздуха, усугубляющего пожар.
Способ построения и оптимизации модели для комплекса систем по настоящему изобретению позволяет уже на стадии проектирования здания (или иного комплекса) оптимизировать состав оборудования, избавиться от дублирования оборудования и кабельных коммуникаций, избежать встречной работы систем. В основе данного способа лежит интерфейсный метод проектирования, который описывает взаимные требования друг к другу систем, составляющих инженерную инфраструктуру комплекса.
Интерфейсный метод проектирования - это метод системного анализа и синтеза при разработке проекта, организации проведения работ по строительству, монтажу, сборке или ремонту комплекса систем, состоящего по меньшей мере из двух взаимосвязанных и взаимодействующих одноранговых систем, путем описания интерфейсов между этими системами.
Способ построения и оптимизации модели для такого комплекса систем заключается в следующем.
Сначала собирается полная информация о составе будущего комплекса, о взаимных требованиях различных его частей (систем) и о связях между этими системами. После определения состава реализуемых систем и систем, с которыми они взаимодействуют, производится определение потока требований каждой системы к другим возможным системам комплекса, а также определение услуг, предоставляемых каждой системой другим возможным системам.
Для этого каждая система комплекса подвергается по меньшей мере одному тестовому воздействию. С помощью этих тестовых воздействий собирают информацию о каждой из систем комплекса. Эта информация включает в себя сведения о назначении, структуре, функционировании данной системы, о взаимосвязях и взаимодействиях данной системы с другими системами комплекса и о требованиях, предъявляемых этой системой к другим системам комплекса. Следует отметить, что тестовыми воздействиями в общем случае могут быть как реальные физические измерения, так и расчет оценок, получаемый в процессе моделирования каждой системы. Для выбранного примера, когда комплексом является здание, а системами - составляющие его системы отопления, энергоснабжения и т.п., тестовыми воздействиями могут быть пробные включения каждой системы с замерами потребляемой мощности и производительности, производимого шума и количества отходов в единицу времени, равно как и взвешивание готовой системы или измерение протяженности ее кабелей с последующим расчетом веса проводов. В случае невозможности натурных испытаний какой-либо системы из-за ее сложности или больших размеров тестовыми воздействиями могут быть прогоны программы, моделирующей эту систему, на соответствующем компьютере. Сведения о требованиях, предъявляемых данной системой к другим системам комплекса, также могут быть получены из анализа результатов приложения тестовых воздействий. В частности, сведения о потребляемой мощности и расходе воды в системах вентиляции и пожаротушения должны учитываться при проектировании системы энергоснабжения и системы водоснабжения здания.
На основании собранных данных для всех систем комплекса как раз и строят интерфейсную модель, отражающую все выявленные взаимосвязи и взаимодействия этих систем. Эта интерфейсная модель строится в виде соответствующих интерфейсов между системами, т.е. в виде средств, обеспечивающих обмен соответствующими потоками: физическими (вода, воздух, электроэнергия и т.д.), управленческими (сигналы датчиков, команды) и информационными (требования по стыковке разных систем, по параметрам протекающих процессов, на соответствие нормативным документам). Эти интерфейсы в интерфейсной модели могут быть реализованы как в виде аппаратных блоков (например, сумматоров, интеграторов, вычитателей и т.п. на операционных усилителях при построении аналоговой модели либо счетчиков, регистров, генераторов случайных чисел и т.п. при построении цифровой модели), так и в виде программных средств, запускаемых на соответствующем компьютере и моделирующих обмен упомянутыми выше потоками.
После того, как интерфейсная модель построена, в нее через упомянутые интерфейсы вводят сформированные данные о требованиях каждой системы к другим системам комплекса и о внешних требованиях к каждой из систем этого комплекса. Формирование данных в случае аппаратного выполнения интерфейсов состоит в генерировании соответствующих сигналов, имитирующих указанные требования систем и внешние требования к системам, например, в виде напряжений соответствующей величины. В случае же программной реализации интерфейсов эти данные формируют в виде соответствующих кодовых слов, которые вводятся в интерфейсную модель в виде отображающих эти кодовые слова последовательностей импульсов (единиц) и их отсутствия (нулей).
После запуска работы интерфейсной модели в процессе ее функционирования с введенными данными периодически или по окончании функционирования проверяют каждую из систем на соответствие внешним требованиям, а также выявляют конфликтные ситуации во взаимодействиях систем всего комплекса в целом. В случае соответствия внешним требованиям и отсутствия конфликтов между системами комплекса построенную интерфейсную модель считают оптимальной, а системы комплекса, по которым и строилась эта модель, - правильно сконструированными и взаимосвязанными.
В случае же несоответствия какой-либо системы комплекса внешним требованиям (хотя бы одному) и/или при наличии конфликтов между системами комплекса выбирают средства для устранения этих конфликтных ситуаций. В качестве таких средств для приведения систем комплекса в соответствие внешним требованиям и/или для устранения выявленных конфликтных ситуаций выбирают по меньшей мере одно средство из группы, включающей в себя: дополнение по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами, хотя бы одним регулятором взаимодействия; изменение структуры по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами; изменение количественного и качественного состава элементов по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами; изменение режимов работы по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами.
Таким образом, интерфейсная модель позволяет еще на этапе проектирования выявлять возможные в будущем конфликтные ситуации систем, составляющих комплекс, а также проверять, насколько эти системы соответствуют внешним для комплекса условиям, и вносить в эти системы соответствующие коррекции для устранения подобных нестыковок. Однако возможности интерфейсной модели не ограничиваются рамками только проектирования, поскольку моделирование уже созданных систем также позволяет устранить все несоответствия в их дальнейшей работе. Выбор конкретных средств для устранения упомянутых несоответствий будет каждый раз определяться конкретным видом несоответствия или конфликта и не может быть заранее предопределен, однако возможные варианты этих средств указаны выше.
После того, как конфликтующие или не отвечающие внешним условиям системы комплекса видоизменены с помощью соответствующих средств, изменяют построенную интерфейсную модель для отображения ею этих выбранных средств. Затем повторяют операции, начиная с проверки систем на соответствие внешним требованиям и выявление конфликтов между системами и заканчивая соответствующим изменением интерфейсной модели, до тех пор, пока построенная интерфейсная модель не будет соответствовать всем упомянутым внешним требованиям и пока не будут выявлены и устранены все конфликтные ситуации в работе этой модели для упомянутого комплекса. После этого интерфейсная модель считается оптимальной, как уже отмечено ранее.
Результаты построения и функционирования интерфейсной модели целесообразно отображать в виде матрицы, элементами которой являются собранные с помощью тестовых воздействий данные о назначении, структуре, функционировании данной системы, о взаимосвязях и взаимодействиях данной системы с другими системами комплекса и о требованиях, предъявляемых этой системой к другим системам комплекса, а также введенные через интерфейсы данные о требованиях каждой системы к другим системам этого комплекса и о внешних требованиях к каждой из систем этого комплекса. Эта матрица может иметь вид, показанный на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлен общий вид матрицы интерфейсов для всех систем комплекса; на фиг.2 показаны конкретные требования, предъявляемые информационно-вычислительной системой к структурированной кабельной системе конкретного здания.
Как видно из этих чертежей, каждый элемент матрицы отражает:
- элементный состав каждой системы;
- виды физической связи между системами или самостоятельными элементами;
- виды информационной связи между системами или самостоятельными элементами;
- виды управленческой связи между системами или самостоятельными элементами;
- условия, необходимые для осуществления связи между системами или самостоятельными элементами;
- параметры процесса, протекающего при взаимодействии соответствующих систем или самостоятельных элементов;
- соответствие нормативным документам и стандартам.
Показанные на чертежах матрицы наглядно демонстрируют все несоответствия какой-либо системы комплекса внешним требованиям либо конфликты систем этого комплекса. После выбора средств для устранения этих нестыковок, соответствующего изменения интерфейсной модели и повторного запуска ее функционирования результаты работы этой обновленной интерфейсной модели в виде новой матрицы покажут, насколько удачными оказались упомянутые выбранные средства.
В том случае, если какая-либо из систем комплекса сама состоит по меньшей мере из двух взаимосвязанных и взаимодействующих одноранговых подсистем, к ней применяют способ по настоящему изобретению в объеме по меньшей мере основных операций, начиная с тестовых воздействий и заканчивая изменением интерфейсной модели с получением результатов повторного моделирования до тех пор, пока данная система, сама теперь выступающая как комплекс, не будет оптимизирована рассмотренным выше способом.
Таким образом, способ построения и оптимизации модели для комплекса систем по настоящему изобретению обеспечивает наглядное представление связей между системами комплекса (подсистемами системы), значительно снижает вероятность возникновения ошибок на этапе проектирования, позволяет экономить средства за счет сокращения времени проектирования и монтажа и уменьшения количества итераций при проектировании. Кроме того, данный способ может оказаться полезен и на этапе проведения испытаний готового комплекса, поскольку моделирование его работы с помощью интерфейсной модели существенно сократит сроки и средства и даст возможность устранить все нестыковки в работе готового комплекса без необходимости в проведении испытаний во всех возможных режимах его работы, часть которых трудно, а порой и невозможно реализовать без опасности разрушения самого комплекса или его систем.
Промышленная применимость
Способ по настоящему изобретению может быть использован при создании различных комплексов, состоящих из взаимосвязанных и взаимодействующих одноранговых систем.
Хотя настоящее изобретение описано с использованием примера конкретной реализации, его объем определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
Формула изобретения
1. Способ построения и оптимизации модели для комплекса систем, состоящего по меньшей мере из двух взаимосвязанных и взаимодействующих одноранговых систем, заключающийся в том, что а) с помощью по меньшей мере одного тестового воздействия на каждую из систем упомянутого комплекса собирают информацию о каждой из систем упомянутого комплекса, включающую в себя данные о назначении, структуре, функционировании данной системы; б) на основании собранных данных для систем упомянутого комплекса строят модель, отражающую упомянутые взаимосвязи и взаимодействия этих систем; в) формируют и вводят в построенную модель данные о каждой из упомянутых систем этого комплекса; г) в процессе функционирования построенной модели с введенными в нее упомянутыми данными осуществляют проверку каждой из систем на соответствие упомянутым внешним требованиям, отличающийся тем, что упомянутые в операции а) тестовые воздействия включают в себя по меньшей мере физические измерения характеристик упомянутых систем и/или прогоны компьютерной программы, моделирующей каждую систему, при этом информация о каждой из систем упомянутого комплекса дополнительно включает в себя информацию о взаимосвязях и взаимодействиях данной системы с другими системами упомянутого комплекса и о требованиях, предъявляемых этой системой к другим системам упомянутого комплекса; упомянутую в операции б) модель строят как интерфейсную модель, отражающую упомянутые взаимосвязи и взаимодействия этих систем в виде соответствующих интерфейсов между ними; в качестве данных в операции в) вводят в построенную интерфейсную модель упомянутые данные о требованиях каждой системы к другим системам этого комплекса и данные о внешних требованиях к каждой из систем этого комплекса, используя упомянутые интерфейсы; в операции г) дополнительно выявляют конфликтные ситуации во взаимодействиях систем упомянутого комплекса и выбирают средства для приведения систем комплекса в соответствие с упомянутыми внешними требованиями и/или для устранения выявленных конфликтных ситуаций, после чего осуществляют следующие операции: д) изменяют построенную интерфейсную модель для отображения ею упомянутых выбранных средств; е) повторяют операции г) и д) до тех пор, пока построенная интерфейсная модель не будет соответствовать всем упомянутым внешним требованиям и пока не будут выявлены и устранены все конфликтные ситуации в работе этой модели для упомянутого комплекса; при этом в качестве упомянутых средств для приведения систем комплекса в соответствие с упомянутыми внешними требованиями и/или для устранения выявленных конфликтных ситуаций выбирают по меньшей мере одно средство из группы, включающей в себя дополнение по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами, хотя бы одним регулятором взаимодействия; изменение структуры по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами; изменение количественного и качественного состава элементов по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами; изменение режимов работы по меньшей мере одной из систем, не соответствующих внешним требованиям или конфликтующих с другими системами.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что результаты построения и функционирования упомянутой интерфейсной модели отображают в виде матрицы, элементами которой являются данные, упомянутые в операциях а) и/или в).
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упомянутых взаимосвязей и взаимодействий между системами упомянутого комплекса выбирают физические, и/или информационные, и/или управляющие связи и отношения.
