Методы и средства анализа эффективности автоматизированных систем научных исследований на предприятиях стадии

Характерной особенностью научных исследований на современном этапе является необходимость регистрации и обработки значительных объемов информации. В работах Е. П. Велихова, Б. Н. Петрова, Ю. Е. Нестерихина, А. Н. Выставкина, В. А. Виттиха, Г. Н. Куклина и др. /14,15,17,20,61,66,67,71/ отмечается, что сфера научных исследований и разработок постоянно расширяется, возрастает их сложность и информативность. Поэтому одним из мощных средств существенного повышения производительности труда и сохранения за счет этого темпов развития исследований является их автоматизация. В этой связи широкое распространение в различных областях науки и техники получают автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний образцов новой техники (АСНй), базирующиеся на использовании средств вычислительной техники.

Дальнейшее развитие систем автоматизации отвечает задаче «. улучшать организацию всей системы научных исследований» /65,с.57/, «расширять автоматизацию проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники» /63,с.21/. В рамках целевой Комплексной программы по созданию и развитию АСНЙ ПШТ и Минвуза СССР 0Ц.027 в одиннадцатой пятилетке запланировано создание более трехсот систем такого типа. Создание АСНй предусматривается также отраслевыми и межотраслевыми программами. Так, программа «Автоматизация научных исследований» АН СССР и Минвуза РСФСР предусматривает внедрение более сорока таких систем.

Такое интенсивное развитие АСНИ связано со значительнымростом затрат — капитальных и эксплуатационных. Поэтому задача повышения эффективности АСНИ, снижения затрат на их разработку и эксплуатацию, оптимальности принимаемых решений при проектировании АСНИ приобретает важное народно-хозяйственное значение. В /14, с.36/ отмечается, что «сегодня настоятельно встают вопросы, как строить системы автоматизации лучше и быстрееРешение этой задачи связано с совершенствованием как системв целом, так и отдельных их компонентов. За время возникновения и развития АСНИ (с начала 60-х годов), особенно в последние годы, появилось большое количество научных разработок, посвященных оптимизации систем и разработке новых их элементов. В работах /14,15,18,30,31,35,39,71,72/ рассматриваются вопросы оптимизации решений, принимаемых на стадии технического проектирования систем.

Однако существует ряд важных задач, которые приходится решать на стадии предпроектных исследований при создании АСНИ. Это относится, в частности, к оптимальному распределению ресурсов в системе, к выбору состава и структуры технических средств /19/.

В соответствии с /19/ основными направлениями предпроектных исследований являются анализ имеющегося программного и технического обеспечения и возможности их модернизации для применения в АСНИформирование технических требований к функциям и структуре АСНИоценка технико-экономической целесообразности создания АСНИ. Реализация этих направлений требует выполнения следующих работ : — сопоставления характеристик и параметров имеющегося программного и I технического обеспечения с характеристиками и параметрами исследуемого объекта— выбор и определение состава технических и программных средств— определение требований, к структуре АСНИ— расчет базовых технических показателей и характеристик АСНИ s ее компонентов— оценка капиталовложений в АСНИ— оценка эксплуатационных расходов— оценка экономического эффекта от создания АСНИ— определение требований к надежности системы— определение требований к уровню унификации и стандартизации— характеристика режима эксплуатации.

При выполнении этих работ одной из важных задач является оптимальное распределение аппаратных, программных, стоимостных и временных ресурсов в системе. Ошибки при предпроектном распределении ресурсов неизбежно приведут к излишним затратам при проектировании, создании и эксплуатации АСНИ, что вызовет снижение их эффективности.

Поэтому предпроектннй анализ и рациональное распределение ресурсов АСНИ является важной народно-хозяйственной задачей, обеспечиващей повышение технико-экономической эффективности автоматизации научных исследований. Кроме того, решение этой задачи способствует сокращению времени и затрат при техническом проектировании систем автоматизации, т.к. позволяет уже на пред-проектной стадии значительно сузить область проектных проработок, отбросить явно неэффективные варианты организации компонентов АСНИ. VНеобходимость анализа эффективности АСНИ требует разработки системы новых показателей, с помощью которых можно производить Оценку ресурсов и их распределения. Так как задачей настоящего исследования является анализ эффективности на предпроект-ной стадии создания АСНИ, то разрабатываемая система показателей должна быть в значительной мере инвариантна к конкретному воплощению системы автоматизации. Такому требованию отвечают безразмерные показатели, на основе которое можно достоверно сузить область допустимых проектных решений АСНИ.

Необходимо также разработать метод, который позволял бы выявить наиболее рациональные способы распределения ресурсов, обеспечивающие повышение эффективности АСНИ.

Так как распределяемые в АСНИ ресурсы взаимосвязаны и взаимозависимы, то для их анализа необходимо представить АСНИ системой зависимостей в некоторых координатах, отражающих эти связи. Такие характеристики должны обеспечивать выбор наиболее эффективных вариантов организации структурных компонентов АСНИ.

Как показал анализ литературных источников, эти задачи пока не решены.

Так как АСНИ являются информационными системами с большим количеством каналов сбора и регистрации данных, наиболее «узкими местами» с точки зрения влияния на обобщенные параметры системы и, в частности, на производительность, являются канал сбора данных (КСД), процессор, канал регистрации данных (КРД). Поэтому при анализе, оценке и разработке методов эффективного распределения ресурсов в АСНИ наш рассматривались именно эти компоненты системы.

В настоящее время для повышения эффективности общественного производства /69/ практика народно-хозяйственного планироваIния предусматривает разработку целевых комплексных программ по решению отдельных проблем. Для повышения эффективности разработок АСНИ также реализуются целевые комплексные программы /67/. Поэтому ряд задач, которые не могут быть решены на стадии пред-проектных исследований в рамках отдельных АСНИ, должны решаться на отраслевом (межотраслевом) уровне при разработке комплексных программ автоматизации научных исследований (АНИ). Это относится, в частности, к обеспечению требований к уровню унификации и стандартизации, которые могут быть удовлетворены в порядке выбора стратегии создания АСНИ.

Практика проектирования и создания АСНИ показывает, что эти системы, несмотря на различные предметные области их ориентации, имеют много общих элементов в техническом, программном и системном обеспечении. Поэтоцу стандартизованный подход к созданию систем автоматизации позволил бы получить дополнительный народно-хозяйственный эффект.

Средством существенного увеличения уровня унификации и стандартизации при проектировании и создании АСНИ могут быть проблемно-ориентированные комплексы (ПОЕ) при их разработке и последующем тиражировании на базе промышленного изготовления /15/.

Поэтому при комплексном решении проблемы АНИ необходимо разработать программно-целевой подход к обоснованию ПОК как основы создания АСНИ.

Основными задачами исследования являются : — разработка системы безразмерных показателей для оценки ресурсов АСНИ— выбор критериев эффективности распределения ресурсов АСНИ на предпроектной стадии— разработка метода, который позволил бы выбирать рациональный вариант распределения ресурсов и организации компонентов АСНИ— определение ресурсных характеристик, которые позволяют связать показатели аппаратно-программных средств с критериями и показателями эффективности распределения ресурсов— разработка метода оптимального планирования ПОК для АСНИ при комплексном подходе к созданию систем автоматизации— апробация предложенных и разработанных методов, показателей икритериев при предпроектных исследованиях конкретных проблемно-ориентированных АСНИ.

В соответствии с поставленными задачами структура диссертации представлена четырьмя основными разделами. В первом разделе разрабатываются безразмерные показатели эксперимента и АСНИ, устанавливаются связи между ними. Во втором разделе разрабатывается метод отбора рациональных предпроектных решений на основе критерия «цена производительности» — предлагаются средства анализа эффективности в виде характеристик, позволяющих оптимизировать основные аппаратные средства главных структурных компонентов системы — КСД, процессора, КРД. В третьем разделе поставлена задача выбора оптимальной номенклатуры ПОК при выполнении программы автоматизации и распределения ресурсов при разработке ПОК, предложен алгоритм решения этой задачи. В четвертом разделе проиллюстрировано применение разработанных методов, показателей, критериев и средств анализа при разработке технического задания (ТЗ) АСНИ комплекса ИПФ АН СССР.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что впервые предложена и разработана модель эффективности АСНИ, основанная на учете факторов повышения эффективности АСНИ, технических и организационных мероприятий по совершенствованию АСНИ, обобщенных параметров систем и их стоимостных показателей— формализованы и исследованы основные ограничения на реализуемость эксперимента и установлена их связь с базовыми техническими параметрами АСНИ— введено понятие «цены производительности» АСНИ как основного критерия отбора предпроектных решений, с использованием этого критерия выведено основное уравнение эффективности АСНИ— предложена и исследована система безразмерных показателейформальный коэффициент загрузки, программные затраты, коэффициенты загрузки процессора АСНИ коэффициенты использования ресурсов технических средств АСНИ, потери на доступ, -позволяющая в компактной форме представлять характеристики основных компонентов системы и с учетом стоимостных показателей производить предварительный отбор проектных вариантов— на базе разработанных показателей проведено систематическое исследование основных структурных компонентов АСНИ — КРД, процессора, КСД, с целью определения области реализуемости проектных решенийпоказано, что структурные ограничения существенно (в 2−10 раз) влияют на производительность сбора и регистрации данных— впервые поставлена и решена задача программно-целевых разработок ПОК для АСНИ— предложен и разработан метод базовых вариантов для оценки предпроектных решений АСНИ, основанный на систематическом использовании стоимостных показателей, базовых технических характеристик систем, а также матриц коэффициентов приведения затрат.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту :1. Существует эффективная система безразмерных показателей (инвариантов), позволяющая сократить число анализируемых характеристик АСНИ на стадии предпроектных исследований в 2−3 раза.

2. При проектировании АСНИ должны учитываться обобщенные параметры систем в сочетании со стоимостными показателями. При этом в качестве основного критерия должен использоваться показатель «цена производительности» .

3. Проектные решения АСНИ должны базироваться на ПОК, разрабатываемых целевым образом и серийно производимых в рамках отрасли.

4. При проектировании АСНИ должна устанавливаться область допустимых проектных решений, определяющая стратегию и тактику создания АСНИ (технические и организационные мероприятия).

5. При выборе технических средств АСНИ нельзя ориентироваться на номинальные показатели, в частности, внешних запоминающих устройств, АЦП и т. д.- необходимо учитывать коэффициенты использования ресурсов технических средств.

6. При проектировании КСД следует учитывать наличие оптимальных решений, соответствующих разной структурной организации КСД.

Выводы.

В четвертом разделе получены следующие основные результаты:

— использование безразмерных характеристик автоматизированного эксперимента (про1раммные затраты, формальные коэффициенты программной и полной загрузки процессора, коэффициенты запаса времени) позволяет облегчить анализ эффективности распределения ресурсов, в частности, процессорных мощностей в системах автоматизации;

— на основе предложенной методики анализа эффективности имеется возможность обоснованного выбора рационального варианта организации автоматизированных систем научных исследований;

— в условиях реальных ограничений и требований эксперимента оптимальный вариант АСНИ может быть выбран по одному из трех критериев: максимума экономического эффекта, минимума капиталовложений в технические средства системы, минимума эксплуатационных расходов;

— исходя из необходимости максимизации экономического эффекта предложен оптимальный вариант распределения процессорных мощностей в подсистемах комплекса АНИ ИПФ АН СССР на основе критерия цены производительности. Рекомендованный вариант явился частью исходных данных для разработки технического проекта ДИ. 602. 646 — ОН, выполненного НФПЗНИИ «Госрадиоцроект» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработаны методы и средства анализа эффективности АСНИ на цредцроектной стадии. В работе получены следующие основные результаты :

1. На основе анализа временных ограничений оцределена область реализуемости автоматизированного эксперимента и предложен метод выбора основных параметров эксперимента — основного и подготовительного времени, числа экспериментальных циклов — на цредцроектной стадии.

2. Разработана и предложена система безразмерных коэффициентов — аппаратной и программной загрузки процессора, формальный коэффициент загрузки АСНИ, безразмерные программные затраты, коэффициенты использования ресурсов, для анализа эффектив-*:. ности АСНИ. Показано, что предложенные показатели инвариантны к конкретной организации системы и потому могут быть использованы для анализа на стадии предцроектных исследований при создании АСНИ*.

3. Разработан метод базовых вариантов для отбора рациональных решений по расцределению ресурсов АСНИ на основе использования выведенного критерия эффективности «цена производительности». Разработан и предложен порядок применения критерия в различных условиях представления исходных данных аппаратно-программных ресурсов на цредцроектной стадии.

4. Предложена система ресурсных характеристик основных структурных компонентов АСНИ — канала сбора данных, процессора и канала регистрации данных для анализа и выбора рационального варианта огранизации аппаратно-црограммных средств. Показано, что при выборе аппаратнопрограммных средств АСНИ нельзя ориентироваться на номинальные характеристики технических средств, а следует рассчитывать фактические ресурсные характеристики с учетом коэффициентов использования ресурсов. В частности, для канала регистрации данных введен показатель «потерь на доступ» и показано его влияние на параметры различных типов ЗУ.

5. Показано, что ПОК является эффективным вариантом организации АСНИ. Разработана модель метода программно-целевых разработок ПОК для АСНИ на основе построения матрицы эффективно-стей, предложен алгоритм решения задачи выбора номенклатуры и количества ПОК при выполнении целевой комплексной программы автоматизации 0.Ц.027 ГКЙТ СМ СССР.