Методология системного подхода к проблеме проектирования сложных систем
Системный подход позволяет найти оптимальное, в широком смысле, решение задачи проектирования
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>за счет всестороннего, целостного рассмотрения как проектируемого изделия, так и самого процесса проектирования, и способен привести к подлинно творческим новаторским решениям, включая крупные изобретения и научные открытия.
Главным средством автоматизации проектирования
Системный подход получает все большее распространение при проектировании
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и управлении. Сущность системного подхода состоит в том, что объект проектирования
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>или управления рассматривается как система, т. е. как единство взаимосвязанных элементов, которые образуют единое целое и действуют в интересах реализации единой цели. Системный подход требует рассматривать каждый элемент системы во взаимосвязи и взаимозависимости с другими элементами, вскрывать закономерности, присущие данной конкретной системе, выявлять оптимальный режим ее функционирования.
Системный подход проявляется, прежде всего, в попытке создать целостную картину исследуемого или управляемого объекта. Исследование или описание отдельных элементов при этом не является самодовлеющим, а производится с учетом роли и места элемента во всей системе.
Методическим средством реализации системного подхода к исследованию, проектированию
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>или управлению сложным процессом служит системный анализ, под которым понимается совокупность приемов и методов исследования объектов (процессов) посредством представления их в виде систем и их последующего анализа.
Системными объектами являются параметры изучаемой системы: вход, процесс,
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>выход, цель, обратная связь и ограничения.
Под действием системных объектов понимается качество параметров объектов.
Если элементы накладывают взаимные ограничения на поведение друг друга, это свидетельствует о том, что между ними существуетсвязь. Наличие связи между элементами и их свойствами является условием наличия системы.
Системный анализ предполагает системный подход и к изучению связей между элементами, между подсистемами и системой.
Процесс функционирования сложной системы происходит на многих уровнях. Система расчленяется на подсистемы, которые представляют собой компоненты, необходимые для существования и действия системы.
Центральный этап методологии системного анализа –
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>определение целей. Для проектировщиков важно четко представлять себе, что требуется от будущей системы управления, какие результаты желательны.
Следовательно, необходимо иметь определенный набор требований к системе, т. е. четко сформулированную цель проектирования.
Уже на самых первых фазах уяснения задачи необходимо иметь представление о тех целях, которые предполагается достичь в результате
Формулирование целей создает возможность выбора связанных с ними критериев. В системном
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>анализе под критерием
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>понимается правило, по которому проводится отбор тех или иных средств достижения цели.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Критерий в общем случае дополняет понятие цели и помогает определить эффективный способ ее достижения. В том случае, когда между целью и средствами ее достижения имеется четкая однозначная
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>связь, критерий может быть задан в виде аналитического выражения.
Эта ситуация типична, например, для ” простых” систем проектирования или управления, когда
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>критерий, заданный в виде функционала, позволяет найти управляющиевоздействия, обеспечивающие заданную цель.
Поэтому в таких ситуациях понятия цели и критерия не различают. В сложных системах с высокой степенью неопределенности, когда цели носят качественный характер и получить аналитическое
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>выражение не представляется возможным, следует отличать цели от критериев, характеризуя средства достижения цели.
Критерий должен отвечать ряду требований. Он должен, во-первых, формулировать основную, а не второстепенную цель функционирования
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>управляемой системы, во-вторых, отражать все существенные стороны деятельности системы, т. е. быть достаточно представительным. В-третьих,
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>критерий должен быть чувствительным к существенным изменениям, возникающим в процессе функционирования управляемой системы.
Для проектирования и управления всегда желательно иметь единственный
Системный подход требует прослеживания как можно большего числа связей – не только внутренних, но и внешних, – чтобы не упустить действительно существенные связи и факторы и оценить их влияние на систему.
При разработке систем управления производственными процессами в связи с применением ЭВМ неизбежно приходится рассматривать, прежде всего, такие вопросы, как совершенствование структуры управления, методы подготовки и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>принятия решений и, соответственно, формирование целей и критериев
Существенное место в понятии системы занимает
С точки зрения системного подхода к автоматизации проектирования
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>процесс проектирования представляет собой многослойную иерархическую процедуру с оптимизацией решений в каждом слое.
Принцип иерархичности в проектировании
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и управлении, а также принцип целостности обусловливают необходимость построения системы
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>критериев, когда частные критерии, предназначенные для решения задач низшего звена управления (подсистемы), логически совпадают с
В процессе проектирования и управления сопоставляются выходные величины, т. е. результат функционирования системы, с
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”> критерием. Следовательно, критерий
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>в управляемой системе – это признак, по которому выбирается наиболее эффективный способ достижения цели.
Он является той величиной, которую нужно максимизировать или минимизировать при управлении системой в соответствии с целью ее деятельности.
Таким образом, система – это достаточно сложный объект, который можно расчленить на составляющие элементы или подсистемы.
Элементы информационно связаны друг с другом и с окружающей объект средой.
Совокупность связей образует структуру системы. Система имеет
Например, при проектировании автоматизированной системы управления технологическим процессом
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>(АСУТП) его рассматривают как взаимосвязанную совокупность отдельных типовых технологических процессов
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и аппаратов, при взаимодействии которых возникают статистически распределенные по
При создании новых технологических процессов или реконструкции старых с целью их оптимизации решаются, как правило, такие задачи:
Исходя из этих основных задач, решаемых при проектировании технологических процессов
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, необходимо формировать цели, критерии и ограничения на самых ранних
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>стадиях проектирования. Эти требования в равной степени справедливы при конструкторском проектировании.
Глобальную цель проектирования или управления обычно не удается связать непосредственно со средствами ее достижения.
Поэтому ее обычно разбивают (декомпозиция) на более частные локальные цели, позволяющие выявить средства их достижения. Такой метод системного
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>анализа называют методом построения дерева целей.
Дерево (рис. 1) является удобным средством для представления существующих иерархий.
Аналогично строится дерево целей, где
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>корень дерева соответствует генеральной цели, а остальные вершины – подцелям, причем
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>по мере опускания по
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>уровням дерева цели становятся более частными. Разбиение генеральной цели на подцели продолжается до тех пор, пока не появится возможность связать цели нижних уровней со средствами, обеспечивающими выполнение этих целей.
Таким образом, одна из главных задач построения дерева – установление полного набора средств, обеспечивающих достижение поставленной генеральной цели и выявление связей между этими средствами.
Рис. 1. Дерево целей
Несмотря на то, что дерево целей формируется на эвристической основе, при реализации метода построения дерева можно выделить два этапа:
Иерархия систем проектирования
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и управления, создание контуров принятия решений,
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>определение необходимого числа уровней, установление между уровнями правильных взаимосвязей, организация
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>информационных потоков, – все это тесно связанные вопросы рационального выбора схем проектирования
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и управления. Решение их определяется материальной природой объектов, характером происходящих в них процессов и взаимодействиями между ними, ограничениями на их функционирование, а также алгоритмами управления. Эти факторы оказывают непосредственное влияние на выбор структуры сложной системы.
Важным показателем, определяемым при формировании или выборе структуры, считается трудоемкость (сложность) управления. Данный
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>показатель характеризует затраты (
Функция сложности (трудоемкости) управления зависит от размерности решаемых на различных уровнях задач, числа подсистем на каждом уровне иерархии и числа уровней.
Основой для определения необходимого числа уровней иерархии обычно служит либо загрузка возможных звеньев системы, либо некоторая
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>функция сложности управления, определяемая характером и количеством операций при различных схемах управления.
При выборе структуры необходимо учитывать два положения. Во-первых, при отсутствии ограничений нельзя увеличить показатель качества
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>управления, увеличивая количество уровней управления. Во-вторых, необходимо стремиться ограничивать число подсистем на данном уровне управления. Тогда задача состоит в нахождении структуры управления с минимальным количеством уровней управления и минимальным количеством подсистем на каждом уровне при допустимой сложности управления.
Быстродействие системы управления определяется ее способностью реагировать с достаточной оперативностью на возникающие возмущения.
Оно зависит не только от возможностей технических средств и персонала в осуществлении сбора, обработки и передачи информации, но и от организационной структуры, т. е. от распределения функций
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>управления и необходимых для их реализации полномочий по уровням руководства и структурным подразделениям каждого уровня.
Излишняя централизация удлиняет цепь передачи информации к звеньям, выполняющим решения, в результате чего возможны искажения. Кроме того, вследствие удлинения цепи передачи информации “с места в центр” и передачи решений “из центра на места” удлиняется время между отправкой информации и получением решения.
При оптимизации взаимодействия между уровнями в иерархической системе управления важной является проблема координации.
Цель высшей подсистемы – влиять на низшие таким образом, чтобы достигалась общая цель, заданная для всей системы. Это и составляет содержание понятия координации.
Согласно изложенному, наилучшая иерархическая структура из допустимых структур, приведенных на рис. 2.2, показана в подпункте “д”.
Из структур, имеющих четыре уровня управления (рис. 2.2, б, в, г), лучшая показана на рис. 2.
Следовательно, любая сложная система может быть реализована на основе различных структур. В связи с этим возникает уже на первых порах проектирования
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>системы проблема выбора (синтеза) при заданных ресурсах оптимальной структуры, которая максимизирует
Рис. 2. Допустимые структуры сложных систем
Под проблемой синтеза структуры понимается:
Под проблемой анализа структуры понимается
Контрольные вопросы
- Дайте определение понятия ” проектирование ” .
- Что является предметом изучения в теории систем?
- Назовите признаки, присущие сложной системе.
- Приведите примеры иерархической структуры технических объектов, их внутренних, внешних и выходных параметров.
- Приведите примеры условий работоспособности.
- Почему проектирование обычно имеет итерационный характер?
- Назовите основные стадии проектирования технических систем. Чем обусловлено прототипирование?
- Дайте характеристику этапов жизненного цикла промышленной продукции.
- Назовите основные типы промышленных АС и виды их обеспечения.
- Какие причины привели к появлению и развитию CALS-технологий?
- Что понимают под комплексной АС?
Общие сведения о математических моделях рэс
Проектирование радиоэлектронных средств с применением ЭВМ требует описания этого объекта на языке математики в виде, удобном для его алгоритмической реализации.
Математическое описание проектируемого объекта называют математической моделью.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Математическая модель — это совокупность математических элементов (чисел, переменных, векторов, множеств) и отношений между ними, которые с требуемой для проектирования точностью описывают свойства проектируемого объекта.
На каждом этапе проектирования используется свое математическое описание проектируемого объекта, сложность которого должна быть согласована с возможностями анализа на ЭВМ, что приводит к необходимости иметь для одного объекта несколько моделей различного уровня сложности [
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>38, 33,
В общей теории математического моделирования математическую модель
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>любого объекта характеризуют внутренними,
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>внешними,выходными параметрами и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>фазовыми переменными. Внутренние параметры
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>модели определяются характеристиками компонентов, входящих в проектируемый объект, например номиналы элементов принципиальной схемы.
Если проектируемыйобъект содержит п
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>элементарных компонентов, то и его математическая модель будет определяться параметрами, которые образуют
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>вектор внутренних параметров W
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”> = |w1…wn|T
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. Каждый из параметров wi, в свою
Выходные параметры модели — это показатели, характеризующие функциональные, эксплуатационные, конструкторско-технологические, экономические и другие характеристики проектируемого объекта.
К таким показателям могут относитьсякоэффициенты передачи, масса и габариты проектируемого объекта,
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>надежность, стоимость и т.п.
Понятия внутренних и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>выходных параметров инвариантны, при моделировании на более сложном уровне
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>выходные параметры могут стать внутренними
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и наоборот. Например, сопротивление резистора является внутренним параметром
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>при моделировании усилительного устройства, компонентом которого он является, но это же сопротивление будет выходным параметром
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>при моделировании самого резистора, что требуется при пленочном его исполнении. Вектор
Внешние параметры модели — это характеристики внешней по
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>отношению к проектируемому объекту среды, а также рабочиеуправляющие воздействия.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Вектор внешних параметров в общем случае содержит множество самых различных составляющих.
К его составляющим с полным правом можно отнести все, что говорилось ранее о составляющих вектора внутренних параметров. Будем обозначать его
Уравнения математической модели могут связывать некоторые физические характеристики компонентов, которые полностью характеризуют состояние объекта, но не являются
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>выходными или внутренними параметрами
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>модели (например, токи и напряжения в радиоэлектронных устройствах, внутренними параметрами
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>которых являются номиналы элементов электрических схем, авыходными параметрами — выходная
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>мощность, коэффициент передачи). Такие характеристики называют фазовыми переменными
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. Минимальный по размерности
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>вектор фазовых переменных v = |v1…vr|T
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, полностью характеризующий работу объекта проектирования, называют базисным вектором. Например, при составлении уравнений
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>математической моделирадиоэлектронных устройств в качестве базисного вектора V
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>можно использовать вектор узловых потенциалов либо
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>векторнапряжений на конденсаторах и токов в индуктивностях — переменные состояния
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. Использование вектора фазовых переменныхпозволяет упростить алгоритмическую реализацию программ, составляющих уравнения
В общем случае выходные параметры F
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>представляются операторами от векторов V,W,Q и могут быть определены из решения системы уравнений
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>математической модели устройства. С учетом вышесказанного математическая модель
где и —
Система уравнений (1) может представлять собой систему линейных алгебраических уравнений, нелинейных уравнений различного вида, дифференциальных в полных или частных производных, и является собственно
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>математической модельюпроектируемого объекта. В результате решения системы (1) определяются действующие в устройстве фазовые переменные V
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. Система уравнений (2) определяет зависимость выходных параметров объекта от
В частных случаях составляющие вектора V могут являться
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>внутренними или выходными параметрами объекта, и тогда системы уравнений (1) и (2) упрощаются.
Часто моделированием называют лишь составление системы (1). Решение уравнений (1) и отыскание вектора F
На каждом уровне моделирования различают математические модели проектируемого радиотехнического объекта и компонентов, из которых состоит
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>объект. Математические модели компонентов представляют собой системы уравнений, которые устанавливают
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>связь между фазовыми переменными
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, внутренними и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>внешними параметрами, относящимися к данному компоненту. Эти уравнения называют компонентными
Математическую модель объекта проектирования, представляющего объединение
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>компонентов, получают на основе математических моделей компонентов, входящих в
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>объект. Объединение компонентных уравнений
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>в математическую модель объекта осуществляется на основе фундаментальных физических законов, выражающих условия непрерывности и равновесия
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>фазовых переменных, например законов Кирхгофа. Уравнения, описывающие эти законы, называют топологическими
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>; они отражают связи между компонентами в устройстве. Совокупность компонентных
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и топологических уравнений для проектируемого объекта и образует систему (1), являющуюся математической моделью объекта.
Исходя из задач конкретного этапа проектирования, математическая модель проектируемого объекта должна отвечать самым различным требованиям:
Эти требования в своем большинстве являются противоречивыми, и удачное компромиссное удовлетворение этих требований в одних задачах может оказаться далеким от оптимальности в других.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>По этой причине для одного и того же компонента или устройства часто приходится иметь не одну, а несколько моделей. В связи с этим классификация моделей должна выполняться
По уровню сложности различают полные модели
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и макромодели. Полные модели
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>объекта проектирования получаются путем непосредственного объединения компонентных моделей
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>в общую систему уравнений. Макромодели представляют собой упрощенные математические модели, аппроксимирующие полные.
В свою очередь, макромодели делят на две группы: факторные и фазовые модели.
Факторные модели предназначены для использования на последующих этапах проектирования.
Фазовые макромодели предназначены для использования на том же этапе проектирования, на котором их получают, для сокращения размерности решаемой задачи.
По способу получения математические модели
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>радиотехнических объектов делят на физические и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>формальные. Физические модели получают на основе изучения физических закономерностей функционирования проектируемого объекта, так что структура уравнений и параметры модели имеют ясное физическое толкование.
Формальные модели получают на основе измерения и установления связи между основными параметрами объекта в тех случаях, когда физика работы его известна недостаточно полно.
Как правило, формальные модели требуют большого числа измерений и
В современных системах автоматизированного проектирования формирование системы уравнений математической модели
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>проектируемого объекта выполняется автоматически с помощью ЭВМ. В зависимости от того, что положено в основу алгоритма формирования системы уравнений, модели радиоэлектронных объектов можно разделить на
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>электрические, физико-топологическиеи технологические.
Понятие электрической модели включает либо систему уравнений, связывающих напряжения и токи в электрической схеме, являющейся моделью объекта, либо саму электрическую схему, составленную из базовых элементов (резисторов, конденсаторов), на основе которой можно в ЭВМ получить систему уравнений, связывающих напряжения и токи в модели объекта.
В физико-топологических моделях исходными параметрами являются геометрические размеры определяющих областей проектируемого объекта и электрофизические характеристики материала, из которых они состоят.
Технологические модели основываются на параметрах технологических процессов изготовления проектируемого объекта (температура и время диффузии, концентрация диффузанта).
По способу задания внутренних
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и внешних параметров математические модели
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>делят на дискретные и непрерывные.
Различают модели статические и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>динамические в зависимости от того, учитывают ли уравнения модели инерционности процессов в проектируемом объекте или нет.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Статические модели отражают состояние объекта проектирования при неизменных
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>внешних параметрах и не учитывают его переходные характеристики. Динамические модели
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>дополнительно отражают переходные процессы в объекте, происходящие при изменении во времени внешних параметров.
Существуют и другие варианты классификации математических моделей элементов и узлов радиоустройств.
Программа моделирования радиотехнических и других объектов должна автоматически формировать систему уравнений
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>математической модели из базового набора элементарных схемных элементов, компонентные уравнения
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>для которых хранятся в библиотеке программы. Для синтеза адекватных реальному объекту моделей большинства радиотехнических устройств базовый набор должен содержать,
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>по крайней мере, пять типов сосредоточенных схемных элементов, перечисленных в
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>таблице 3. В таблице приведены и компонентные уравнения для каждого из элементов базового набора.
Реляционная модель баз данных
Реляционная база данных, разработанная Э.Ф. Коддом (Е. F. Codd) в 1970 г., – это конечный набор
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>конечных отношений (таблиц) вида рис. 10.3,б. Над отношениями можно осуществлять различные
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>алгебраические операции. Тем самым
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>теория реляционных баз данных становится областью приложения математической логики и современной алгебры и опирается на точный математический формализм.
Каждое отношение имеет свое имя; столбцы отношения соответствуют тому или иному атрибуту, имеющему имя и значения.
Элементы отношения, соответствующие одной строке, составляют кортеж отношения (
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”> рис. 10.3, б). Арность кортежа – число значений атрибутов в кортеже, т.е. число атрибутов в отношении [
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>7,13, 31].
Схема отношения – список
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>имен атрибутов вместе с именем отношения; так, для рис. 10.3,а
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>схема отношения – ТРАНЗИСТОРЫ ( p, Iк max, Pк, Cк
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>), для рис. 10.3, б – ИМЯ ОТНОШЕНИЯ ( A, B, С, D ).
Домен – множество значений атрибутов (в том числе и только одного атрибута – один столбец). Вообще столбцы не обязательно являются поименованными, а порядок следования элементов в кортежах также несущественен.
Существует три подхода к анализу реляционных БД и формированию запросов в них: реляционная
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>алгебра, реляционное исчисление
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>на переменных-кортежах и реляционное исчисление на переменных- доменах.
В реляционных базах данных основные операции – включение, удаление, модификация и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>запрос данных – применяются к кортежам и доменам.
Для осуществления операции включения данных задаются новый
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>кортеж и отношение, в которое он должен быть включен.
Тогда значения нового кортежа образуют ключ файла включения данных.
При удалении данных должны быть заданы отношение и значения атрибутов, образующих
При модификации данных задаются отношение, значения атрибутов ключа и новые значения для применяемых атрибутов. Преобразуются ключевые значения в значения полей. К файлу применяется процедура модификации.
Запрос в реляционных базах данных может быть сформулирован к одному или нескольким отношениям (таблицам). Например имеется
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>запрос: указать типы всех транзисторов и их Pк
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, для которых Ск >
15 пФ. Тогда значение атрибута Ск
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”> = 15 пФ. Затем напечать выдается новый
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>файл-отношение . Могут быть более сложные запросы: например, определить мощности рассеивания транзисторов, для которых
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, Iк max >
2а, Ск <
150 пФ и т. д. Тогда эти значения составляют ключ, и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>по ним составляется новое отношение Рк.
Все эти запросы реализуются с помощью специальных языков манипулирования данными, ряд из которых основан на реляционной алгебре.
Основные операции реляционной алгебры приведены в
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>табл. 11.1. В ней даны исходные отношения, результаты операций, а также в ряде случаев теоретико-множественное представление
Объединение отношений – это множество кортежей (отношений), принадлежащих отношениям R, S
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>или им обоим; отношения R и S
Разность отношений R – S
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>– множество кортежей, принадлежащих R, но не принадлежащих S
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. Отношения R и S
Декартово произведение отношений R x S
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>– одна из основных операций по затратам машинного времени при формировании запросов к реляционной
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>БД. При умножении отношений к каждому кортежу первого отношения ( R
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>) присоединяется каждый кортежвторого отношения ( S
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>) – конкатенация кортежей; при этом отношения R
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и S могут иметь одинаковую или различную
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>арность. При декартовом умножении арности исходных отношений складываются, а количества кортежей – перемножаются.
Проекция отношения –
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>операции выборки по столбцам (атрибутам), приведенным в обозначении проекции.
Например, — отношение
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, составленное из атрибутов С и А
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>отношения — отношение, составленное из 2-го и 3-го атрибутов отношения R
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, при этом арность проекции равна числу имен в ее обозначении.
Селекция отношения — операция выборки
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>по строкам (кортежам), удовлетворяющим формуле F
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. В формулу входят операнды, являющиеся константами или номерами (именами) атрибутов, арифметические операторы
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>сравнения: и логические операторы .
Например, обозначает множество кортежей, в которых компоненты атрибута В
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>равны f, или обозначает множество кортежей, в которых компоненты 2-го атрибута больше компонентов 3-го атрибута и одновременно равны компоненты атрибутов А
Пересечение отношений есть краткая
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>запись для отношения R – (R – S)
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и обозначает множество кортежей, принадлежащих одновременно R и S.
Частное отношений — множество кортежей, содержащих r – s
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>первых компонентов кортежей отношения R
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, в которых остальные (s) компонентов принадлежат отношению S.
Соединение ( -соединение) отношений
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>— это селекция (с формулой
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>) декартова произведения отношений R и S:
В частности, означает, что сначала надо выполнить декартово произведение
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>отношений R и S
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, а затем в новом отношении выполнить селекцию по формуле А < D.
Эквисоединение отношений — это
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>-соединение, если в формуле используются только равенства (см. таблицу 11.1, строку 9).
Естественное соединение — это эквисоединение
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, которое выполняется для атрибутов отношений R и S
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>с одинаковыми именами (см таблицу 11.1, строку 10). Так как для указанных атрибутов имена и значения полностью совпадают, то один из них в каждой паре в результирующем отношении устраняют.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Естественное соединение — одна из основных операций при формировании запросов к реляционной БД.
Композиция отношений — это проекция
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>-соединения или проекции селекции декартова произведения. По сути,
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>естественное соединение — тоже частный случай композиции. Декомпозиция
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>отношений — это операция, обратная композиции, т. е. восстановление двух отношений из одного, естественное соединение
В терминах реляционной алгебры легко записываются запросы к реляционной базе данных. Если задано несколько отношений, то запрос
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>выражается в виде операции композиции к этим отношениям.
Однако формальное применение композиции — последовательное применение декартова произведения всех отношений, селекции и проекции — приводит к неоправданным затратам машинного времени. Поскольку
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>арность и число кортежей в исходных отношениях могут быть велики (десятки, сотни), нецелесообразно формировать сначала все
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>декартово произведение, а только затем применять селекцию и проекцию. Так, если два отношения имеют по n
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>кортежей и время доступа к каждой
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>записи — t0
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, то общее время доступа к памяти для формирования полного декартова произведения Tдоступа
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”> = n2t0.
Если n = 104, t0
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”> = 10 мс, то Tдоступа
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”> = 106 11,5 сут. Поэтому с
целью экономии машинного времени необходимо выполнять предварительную оптимизацию запросов к реляционной базе данных. Общая стратегия оптимизации заключается в следующем:
выполнять селекции и проекции как можно раньше до декартова умножения (с целью сокращения арности и количества кортежей);
собирать в каскады селекции и проекции, чтобы выполнять их за один просмотр файла;
обрабатывать (сортировать, индексировать) файлы перед выполнением соединения;
комбинировать проекции с предшествующими или последующими двуместными операциями.
Для осуществления этой стратегии применяются эквивалентные выражения реляционной алгебры, приведенные в табл. 2
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. Законы коммутативности и ассоциативности означают произвольный выбор в очередности соединений и умножений.
Тема 6. периферийное оборудование сапр
Помимо PC, ПК и других ЭВМ для организации
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>САПР РЭС требуется дорогостоящее периферийное оборудование. Периферийное оборудование ЭВМ — это совокупность технических и программных средств, обеспечивающих взаимодействие ЭВМ с пользователем и внешней средой, а также хранение, подготовку и преобразование информации к виду, удобному для ввода/вывода [
Периферийное оборудование подразделяется на две группы: локальное, устанавливаемое рядом и подключаемое непосредственно к ЭВМ, и удаленное (
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>терминальное). По выполняемым функциям и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>локальное, и терминальное оборудование включают в себя средства хранения, телеобработки и ввода/вывода информации.
Средства взаимного общения с пользователем должны осуществлять представление и ввод информации в основном в графической форме.
В настоящее время существуют различные методы ввода и регистрации графической информации: высвечивание точек и линий на экране монитора, нанесение точек, вычерчивание линий и символов изображения на бумаге (в том числе специальной), изменение цвета бумаги путем химической (термической) реакции, электризация поверхности фотополупроводника, проецирование изображения с помощью луча лазера и другие.
Каждый метод и устройства, реализующие его, имеют свои достоинства и недостатки. Основными критериями для их сравнения являются:
- качество изображения;
- скорость формирования изображения;
- стоимость оборудования и его эксплуатации;
- особенности программного обеспечения.
По программному обслуживанию периферийные устройства САПР
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>делятся на два класса: растровые и координатные (векторные).
В растровых устройствах выводится мозаичный рисунок из отдельных точек —
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>пикселей, или ПЭЛов (от англ. picture element),
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>потипу телевизионной развертки. При этом осуществляется последовательный перебор
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>элементов мозаики и выделение пикселей, составляющих изображение. Время вывода изображения постоянно, не зависит от сложности рисунка и определяется только числом элементов мозаики (пикселей) и скоростью их перебора.
При векторном способе осуществляется последовательное вычерчивание линий, составляющих изображение.
В современных САПР широкое применение находят оба типа устройств. Все периферийные устройства делятся на три основные группы:
Первая группа средств включает в себя накопители на магнитных дисках или накопители на магнитных лентах (
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>стримеры), представляющие собой обычные ВЗУ.
Средства ввода/вывода с документов имеют свою специфику для ввода/вывода текста и графической информации. К ним относятся различные печатающие устройства
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>(принтеры), графопостроители, планшеты, сканеры.
Средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ включают в себя устройства отображения алфавитно-цифровой и графической информации ( дисплеи
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>, проекционные системы), акустические устройства ввода/вывода информации, устройства связи с реальными объектами (датчики, исполнительные устройства), а также средства ручного ввода информации: алфавитно-цифровую клавиатуру, различные планшеты и манипуляторы (электронная “
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>мышь”, управляющие ручки — джойстики, управляющий шар — трекбол).
Наиболее распространенным электронным средством отображения информации является дисплей.
Большинство современных дисплеев PC и ПК строится на основе платы графического адаптера (графического процессора) и монитора.
Требования к качеству графического изображения в задачах САПР весьма велики, поэтому обычные графические адаптеры ПК стандарта
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>VGA (640×480 точек разрешения, 256 цветов и ниже) не подходят для визуализации изображений. Существует несколько видов изображений в пакетах САПР:
Наиболее простые черно-белые изображения и каркасные трехмерные изображения могут строиться векторными методами. Остальные виды изображений требуют растровой цветной (полутоновой) графики с высоким разрешением и богатой цветовой палитрой.
Для изображений среднего качества могут быть использованы графические адаптеры мощных ПК типа SVGA
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>с разрешением не менее 1024×768 точек, 256 цветов и адаптеры наиболее недорогих PC, например семейства
Для визуализации реалистичных трехмерных изображений, конструкций сложных объектов и многослойных топологий БИС требуются более высокие быстродействие
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и разрешение графических адаптеров. Такие графические адаптеры называют графическими процессорами, a PC
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>с графическим процессором и цветным монитором повышенного разрешения и размера подиагонали (19 дюймов и выше) — графической рабочей станцией.
Так, в графической PC фирмы
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>IBM PS-730 используется плата графического процессора, обеспечивающая разрешение 1280×1024 точки с более чем 4 млрд. оттенков цветов.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Быстродействиетакой графической станции при визуализации изображений — 990 тыс. трехмерных графических преобразований в секунду, что эквивалентно воспроизведению 120 тыс. трехмерных треугольников с закрашиванием в секунду.
В связи с высокими требованиями к качеству изображений в области САПР
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>доминируют цветные и полутоновые мониторы на электроннолучевых трубках с повышенными разрешением, строчной и кадровой развертками. Ведутся интенсивные разработки высококачественных мониторов на жидких кристаллах. Следует отметить быстрое развитие лазерных проекционных систем визуализации изображений на больших плоских экранах с повышенным разрешением до 1024×1024 точек.
В этом случае разверткалуча лазера производится зеркальными механическими отклоняющими системами либо электронными системами на базе акустооптических дефлекторов.
Устройства графического вывода (печатающие устройства
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>— принтеры, графопостроители) занимают ведущее
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>место среди номенклатуры периферийных устройств на рынке технических средств
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>САПР (более 2/3 от всей оконечной аппаратуры). Сложилось разделение устройств вывода на
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>печатающие устройства и графопостроители
Печатающие устройства по порядку вывода делятся на:
По физическому принципу различают печатающие устройства
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>ударного и безударного действия. В первом случае изображение получают в результате удара по
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>носителю записи специальным органом — молоточком, стержнем или иглой. В устройствах безударного действия изображение выводится в результате физико-химического, электрического и другого воздействия на оконечный носитель записи (бумагу) или некоторый промежуточный носитель (специальную пленку, различные барабаны, пластины).
Наиболее популярны среди принтеров ударного действия матричные печатающие устройства, в которых изображения (знаки) формируются специальной головкой, содержащей стержни — иглы, возбуждаемые электромагнитным или пьезоэлектрическим приводом.
В простых моделях головок — 9-12 игл, в более сложных — 18-24. Сложные модели обеспечивают достаточно высокое качество печати, но низкое быстродействие
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>. К недостатку печатающих устройств ударного действия относится также наличие большого количества механических элементов, работающих при высоких динамических нагрузках, и связанные с этим ограниченныйресурс, повышенный уровень шума и ненадежность.
Печатающие устройства безударного действия относятся к матричным устройствам. Изображение формируется из отдельных точек с четкостью от 3 до 32 точек на 1 мм.
В большинстве из них применяется одинаковый принцип: формирование скрытого электрического или магнитного изображения на промежуточном носителе, далее происходит его визуализация
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и перенос на бумагу. Среди безударных печатающих устройств наиболее популярны
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>термопечати, струйные устройства
Термопечатающие устройства используют термопечатные головки (терморезисторы) и копировальные пленки (5-10 мкм) с легкоплавким красящим слоем.
Струйные печатающие устройства относятся к посимвольным матричным устройствам. Существует два типа таких печатей: с непрерывной капельной струей и импульсные (ждущие).
В первых заряженные капельки красителя летят мимо отклоняющей системы и формируют символы (графику) на бумаге. Скорость такой печати — до 300 см2/мин при разрешении 20 точек на 1 мм. В ждущих принтерах капли вылетают лишь тогда, когда необходимо сформировать символ.
В них используются многосопловые (до 9-12 сопл и более) струйные головки, обеспечивающие плотность записи 4-12 точек на 1 мм. Возбуждение капсул-инъекторов осуществляетсяпьезоэлементом или нагревом микрорезистора.
Наибольшую популярность в настоящее время имеет лазерная печать, обеспечивающая очень высокую скорость печати (до 10 страниц в минуту) при высокой четкости — до 32-40 точек на 1 мм.
В таких устройствах изображение регистрируется электрографическим способом. Лазер создает скрытое изображение на барабане, а его визуализация
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>осуществляется специальным порошком — тонером с тепловым закреплением на бумаге. При этом луч лазера по
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>одной координате разворачивается механически с помощью зеркальной многогранной призмы, а по
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>другой координате — электронным способом с помощью акустооптического дефлектора. Управляет работой лазерной печати
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>мощная микро-ЭВМ, формируя страницы вывода, получаемые от PC или ПК.
К недостаткам лазерной печати следует отнести ее относительно высокую
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>стоимость и сложность формирования цветных изображений. Лазерные
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>принтеры обычно используются коллективно несколькими пользователями через ЛВС. Лидером в производстве
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>лазерных печатей является фирма
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Hewlett-Packard. Параметры одного из относительно недорогих лазерных принтеров HP LaserJet IIP:
Графопостроители подразделяются на два основных типа: растровые и
Растровые устройства по своей конструкции близки к принтерам безударного действия и используют электрохимический, электротермический и другие принципы работы.
Пишущий узел в них представляет собой гребенку электродов, образующую растр во всю ширину бумаги. Специальная бумага перемещается в одну сторону ведущим барабаном; при подаче напряжения на те или иные электроды и общий электрод проходит химическая или термическая
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>реакция и возникает отпечаток на бумаге. Разрешающая способность таких устройств — 4-8 точек на 1 мм. Достоинство
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>растровых устройств — высокая скорость работы, не зависящая от сложности изображения; недостаток — сложность конструкции системы управления напряжением на электродах гребенки.
Векторные (координатные) графопостроители относятся к электромеханическим устройствам и выполняются в двух видах: планшетном и рулонном.
В планшетном графопостроителе бумага фиксируется, а пишущий узел закреплен на каретке, установленной, в свою
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>очередь, на движущейся планке. Тем самым каретка может перемещаться в любую точку планшета. Используется векторный способ управления
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>графопостроителем путем подачи аналоговых или дискретных (шаговых) сигналов, пропорциональных изменениям координат при перемещении пишущего узла.
Для вывода сложных кривых применяется линейная, линейно-круговая или параболическая интерполяция с помощью специальной управляющей микро-ЭВМ, входящей в составграфопостроителя.
В рулонном графопостроителе планка неподвижна, а барабан или валик перемещает бумагу.
Рулонный графопостроитель более автоматизирован в работе, чем планшетный, однако для него нельзя использовать произвольные листы, бланки и т. п.
Основное назначение устройств ввода графической информации заключается в преобразовании аналоговых объектов изображения в дискретную форму представления в ЭВМ.
При вводе осуществляются две основные операции:
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>поиск, выделение (считывание) изображения и кодирование
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>информации. Постепени автоматизации
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>операции считывания изображения устройства ввода разделяются на полуавтоматические и автоматические. В первых
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>поиск элементов осуществляется вручную, а кодирование
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>информации — автоматически; во вторых устройствах и считывание, и кодирование информации производятся автоматически с помощью ЭВМ.
Для управления маркером на дисплее и ввода команд используются ручные манипуляторы: электронная “
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>мышь”, управляющая ручка — джойстик, управляющий шар — трекбол. Во всех манипуляторах враще- ние сферы передается на движки потенциометров — валюаторов. Тем самым изменяются сигналы, соответствующие текущим координатам.
Такие устройства относятся к дисплейным указателям, так же как алфавитно-цифровая и функциональная клавиатура, световое перо, сенсорный экран.
Среди полуавтоматических устройств ввода изображений наиболее популярны полуавтоматические сканеры, в которых
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>чувствительный элемент считывания изображения перемещается по
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>элементам изображения рукой человека. Автоматические устройства ввода изображений выполняют считывание информации без участия человека. Существует два типа автоматических устройств ввода: следящие — аналог векторных устройств вывода — и сканирующие (
Следящие устройства ввода выполняют слежение за линией и устанавливаются либо на
В сканирующих устройствах ( сканерах ) осуществляется растровое
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>представление вводимого документа, выполняетсяраспознавание
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>образов, символов, знаков; далее изображение может быть графически отредактировано на дисплее
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>и выведено нарастровое устройство вывода. В автоматических и полуавтоматических
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>сканерах в качестве чувствительного элемента используется однокоординатная линейка фотоприемников или линейка приемников на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>По другой координате перемещение линейки осуществляется вручную или автоматически с помощью шагового двигателя. Поверхность считываемого изображения освещается светодиодами, что улучшает равномерность засветки и качество считываемого изображения.
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>Сканеры на основе таких систем позволяют получать четкость картинки до нескольких десятков точек на 1 мм. Для быстрого ввода в ЭВМ изображений, сравнимых
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>по четкости с телевизионным, применяются автоматические сканеры
К средствам непосредственного взаимодействия с ЭВМ относятся и акустические системы ввода/вывода информации. Средства акустического ввода подразделяются на устройства ввода изолированной и дискретной речи (отдельные команды) и устройства ввода слитной речи.
Средства акустического вывода делятся на устройства синтеза звуков, устройства синтеза речи по правилам синтеза и
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>по образцам. Синтез по
lang=”ru-RU” lang=”ru-RU”>правилам ведет к созданию искусственной речи; синтез по образцам заключается в кодировании естественной речи для последующего воспроизведения (так называемые компилятивные синтезаторы).
Технические средства САПР динамично развиваются в сторону максимально быстрой реакции на любую команду человека и организации ввода/вывода любой информации в виде, естественном для специалиста проблемной области, в которой функционирует конкретная САПР.
