Блочно-иерархический подход. 
Основы проектирования приборов и систем

Разработка сложных ИУ занимает значительное время и требует привлечения большого числа специалистов. Затянутые сроки проектирования часто неприемлемы, так как оказываются соизмеримыми со временем морального износа объектов проектирования. Выход из этого положения состоит в использовании блочно-иерархического подхода к проектированию и автоматизации проектных работ.

Блочно-иерархический подход — это прием системного анализа, когда процесс проектирования расчленяют на уровни, на каждом из которых представления об объекте проектирования отличаются степенью детализации (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Уровни проектирования.

На высшем уровне используются наименее детализированные представления, отражающие лишь самые общие черты, особенности и требования, предъявляемые к объекту проектирования. На каждом следующем (более низком) уровне степень детализации объекта проектирования, перечень задач и число требований возрастают. В результате проектирование сложного ИУ разбивается на конечное число процедур проектирования менее сложных элементов ИУ: функциональных компонентов (ФК), функциональных устройств (ФУ), функциональных узлов (ФУЗ) и т. д., что является главным достоинством иерархического подхода. Недостатком подхода является то, что решения на каждом уровне проектирования принимаются в обстановке неполной информации. Поэтому оптимальность таких решений может подвергаться сомнению.

Блочно-иерархический подход является одной из форм системного подхода, при котором объект проектирования рассматривается как сложная система компонентов, принадлежащих не только объекту проектирования, но и другим объектам, взаимодействующим друг с другом и с окружающей средой. При этом все задачи проектирования решаются комплексно с учетом многообразия условий функционирования объекта и критериев его оценок. Другими формами системного подхода являются структурный, системно-морфологический и объектно-ориентированный подходы [1].

Сущность структурного подхода заключается в декомпозиции объекта проектирования, т. е. его представлении в виде множества взаимодействующих друг с другом элементов. При этом сохраняет целостное представление, при котором все компоненты взаимоувязаны и выполняют согласованные функции.

Системно-морфологический подход используется при сравнительном анализе конкурирующих вариантов построения объекта проектирования. В этом случае каждый из сравниваемых вариантов характеризуется множеством морфологических (существенных) признаков и их ранговыми (качественными) соотношениями. Выбор наилучшего варианта основан на многокритериальной оценке таких признаков (см. параграф 11.2).

Объектно-ориентированный подход используется при разработке программного обеспечения (ПО) сложных систем. Этот подход основан на использовании формальных моделей элементов ПО, которые можно рассматривать в качестве объектов-функций, имеющих упорядоченную иерархию целей. Такой подход подобен проектированию приборов и систем с использованием унифицированных элементов и функциональных блоков, входящих в Государственную систему промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Он позволяет разрабатывать хорошо структурированные, надежные в эксплуатации и достаточно просто модифицируемые программные системы, обеспечивающие расширение функциональных возможностей и гибкость создаваемых приборов и систем.

При использовании блочно-иерархического подхода процесс проектирования представляется в виде движения по структуре, имеющей вид перевернутого дерева (см. рис. 1.2). В зависимости от направления этого движения различают нисходящее, восходящее и смешанное проектирование [25].

Нисходящее проектирование осуществляется при движении по структуре, показанной на рис. 1.2, сверху вниз. В этом случае на каждом уровне проектирования (начиная с верхнего), исходя из требований предыдущего уровня, разрабатывается структура и определяются параметры соответствующих компонентов ИУ. Затем формулируются требования к элементам, расположенным на следующих (более низких) уровнях. Такое проектирование всегда гарантирует выполнение требований на каждом уровне и является весьма распространенным. Однако описанный процесс может остановиться на каком-либо уровне из-за того, что ранее принятые решения оказываются (для данного уровня проектирования) неверными. В этом случае приходится возвращаться на предыдущие (верхние) уровни с целью коррекции результатов. Таким образом, процесс нисходящего проектирования имеет итерационный характер.

Восходящее проектирование выполняется в обратном порядке — от низших уровней к высшему уровню. При этом на каждом уровне происходит последовательная «комплектация» отдельных частей прибора из деталей, сборочных единиц, узлов, блоков, устройств и т. д. до прибора в целом. Такой способ гарантирует реализуемость объекта проектирования (части прибора) на любом уровне, но не гарантирует получение необходимых выходных характеристик прибора в целом, причем это несоответствие обнаруживается лишь на завершающем (высшем) уровне проектирования. Причиной этому является то, что при «комплектации» на промежуточных уровнях часто выбирают не то, что нужно, а то, что имеется в наличии. В этом случае необходимо вернуться на предыдущие (более низкие) уровни проектирования и попытаться вновь «собрать» объект соответствующего уровня из других элементов. Поэтому восходящее проектирование также не исключает итераций процесса проектирования. На практике используются обе схемы. В таком случае процесс проектирования носит смешанный характер.

Чем сложнее ИУ, тем больше иерархических уровней проектирования. Например, оптические приборы имеют нс менее трех уровней проектирования [25]. На высшем уровне разрабатывается структурная схема прибора (включая осветительное устройство, устройство управления, изображающее устройство, анализатор изображения, устройство обработки, устройство позиционирования и пр.), на среднем (системотехническом) уровне осуществляется конструирование узлов (например, для изображающего устройства разрабатываются объектив, модулятор излучения, приемник излучения и пр.), на низшем (элементном) уровне разрабатываются элементы — линзы, зеркала, оптические фильтры и пр.; для электронных схем осуществляется выбор элементов (резисторов, конденсаторов, интегральных схем и пр.), обеспечивающих необходимые режимы работы электронных блоков и пр.