О проектировании систем

Левин Марк Шмуилович,
к.т.н., с.н.с. (mslevin@acm.org)
Институт проблем передачи информации РАН (& МФТИ), Москва

Рассматривается подход к преподаванию проектирования систем с ориентацией на различные области информационных технологий (компьютерные и информационные системы, коммуникации, организационные системы). Подход основан на уровнях: модели и алгоритмы, схемы проектирования/решения задач, базовые типовые задачи (выбор, иерархическое проектирование и др.), реальные приложения. Курс включает системный инжиниринг, системный анализ и многокритериальное принятие решений, оптимизацию и комбинаторную оптимизацию, схемы проектирования, вопросы поддержки жизненного цикла (разработка требований, тестирование, техническое обслуживание, оценивание и диагностика). Подход реализован в ряде курсов, включая курс на факультете радиотехники и кибернетики МФТИ.

Данная работа описывает подход к преподаванию проектирования систем в области информационных технологий. Подход реализован в ряде учебных курсов [5,6,8,9]. Базовым учебным курсом является курс проектирования систем на факультете радиотехники и кибернетики МФТИ [6,9]. В общем случае можно выделит базовые уровни грамотности в области информационных технологий:

1. Базовая грамотность (умение читать, писать, считать);
2. Компьютерная грамотность (работа с компьютерами, написание программ, работа в Интернете и др.) [2];
3. Подготовка и принятие решение, анализ и решение прикладных задач [4,8].

Наш подход ориентирован на 3-й уровень. Подход реализует следующий тренд (последовательность) в преподавании (Рис. 1):

• А. Предварительная грамотность в области информационных технологий (например, языки программирования, информационные структуры, прикладные компьютерные системы);
• Б. Основной материал по курсу проектирование систем.
• В. Типовые задачи структурного моделирования, управления, распределения ресурсов для системы информационных технологий (компьютерные и информационные системы, коммуникации, алгоритмы и процедуры, организационные системы, системы управления);
• Д. Приложения (включая многодисциплинарные системы).

Подход содержит три основных уровня преподавания: (а) модели, алгоритмы, (б) схемы решения задач (в том числе, типовые схемы), (в) примеры реальных приложений (примеры основаны на опыте и интересов студентов).
Структура базового курса включает следующее:

1. системный инжениринг и жизненный цикл;
2. системный анализ и методы многокритериального принятия решений;
3. оптимизация и комбинаторная оптимизация (включая набор основных задачи, вопросы сложности, алгоритмы и подходы к построению эвристик);
4. схемы проектирования (design frameworks), включая подходы к проектированию, эволюционные методы, метод исследования пространства параметров, многодисциплинарную оптимизацию, морфологические подходы;
5. дополнительные системные вопросы (разработка требований, тестирование, техническое обслуживание, оценивание и диагностика).

По сути дела, описываемый подход "покрывает" цикл подготовки и принятия решений (Рис. 2): (1) прикладная задача(и), (2) математическая модель(и), (3) схема(ы) решения/алгоритм(ы), (4) программы/процедуры, (5) процессы решения (вычисления, экспертные процедуры), (6) решения. Таким образом, студенты ориентированы на получение знаний и опыта в анализе исходной прикладной задачи и рациональном распределении имеющихся ресурсов (включая разработку моделей, алгоритмов, организацию процесса формирования решения) для получения решения.

В курс кроме лекций входят 12 лабораторных работ (Рис. 3):

1. Иерархическое проектирование систем;
2. Методы многокритериального ранжирования (метод функции полезности, Парето подход, метод порогов несравнимости);
3. Многокритериальная задача о рюкзаке;
4. Метод близости к идеальной точке;
5. Иерархическая кластеризация;
6. Многокритериальная задача блочного рюкзака;
7. Иерархическое оценивание модульной системы (иерархии интеграционных таблиц);
8. Типовой составной прикладной пример: кластеризация и многокритериальная задача блочного рюкзака;
9. Задача назначения/размещения;
10. Типовой составной прикладной пример (расширение лабораторной работы 8): кластеризация, задача размещения и многокритериальная задача блочного рюкзака;
11. Задача коммивояжера;
12. Индивидуальная работа по выбору (алгоритм/прикладная задача).

В рамках лабораторных работ студенты должны изучить задачу /модель, написать программу (реализация алгоритма) в среде MatLab [16], подготовить численный пример и отчет о работе. Часть студентов в качестве примеров исследуют прикладные задачи из своей профессиональной области.

Особое значение имеют базовые типовые схемы проектирования, которые соответствуют процессам решения сложных прикладных задач:

1. Иерархическое морфологическое многокритериальное проектирование [6,8,10];
2. Схема сопоставления двух множеств элементов: кластеризация, назначение/размещение, задача блочного рюкзака;
3. Многостадийное иерархическое проектирование (проектирование траектории системы).

Применение указанных схем проектирования к реальным прикладным задачам приводит к исследовательским и проектным результатам. Таким образом, часть студентов исследует свои прикладные задачи на основе освоенных моделей и схем решения. Это приводит к студенческим проектам на основе опыта и/или интереса студентов. В качестве примеров тем студенческих проектов можно привести следующие:

1. Прикладные программные системы;
2. Прикладные задачи в спорте (организация соревнований, планирование бодибилдинга и др.);
3. Искусство (проектирование музыкального проекта);
4. Анализ и проектирование коммуникационных систем (включая протоколы, топологию, задачи тестирования, улучшение);
5. Компьютерные системы (например, управление памятью, Интернет приложения);
6. Образование (например, проектирование компьютерного класса, образовательные сайты в Интернете);
7. Электронные системы (например, телеметрическая система);
8. Системы управления (например, построение стратегий маркетинга).

Часть студенческих проектов готовится или уже опубликована в виде статей, например: [7,10,11,12,13,14,15,18].

Следует упомянуть близкие направления в области университетского образования:

1. Инженерный курс по проектированию (MIT [17]);
2. Образовательное направление в области решений задач на основе мышления специалиста в компьютерных науках (CMU, School of Computer Science, Сenter ALADIN, program PROBE [3]);
3. Ряд курсов по системному инженирингу (MIT, GMU, Stevens Institute of Technology [1]).

В заключение можно указать схему связи материалов по курсу проектирование систем и типовых задач проектирования (приложения, задачи в области образования) (Рис. 4) [9].

Литература:

1. D.E. Brown, W.T. Scherer, A comparison of systems engineering programs in the United States. IEEE Trans. on SMC, Part C, 30(2), 204-212, 2000.
2. A.P. Ershov. Aesthetics and human factor in programming. Comm. of the ACM, 15(7), 501-505, 1972.
3. Center ALADIN, School of Computer Sciences, Carnegie mellon University, http://www.aladin.cs.cmu.edu/
4. М.Ш. Левин, О третьей грамотности. НТИ, сер. 2, 1995, N. 6.-С.20-30. (M.Sh. Levin, The third literacy. Automatic Doc. And Math. Ling., 29(3), 66-81, 1995)
5. М.Ш. Левин, О преподавании информацинных технологий. НТИ, сер. 1.-1996.- N. 5.-С. 14-23.
6. M.Sh. Levin, Course on system design (English & Russian), http://www.iitp.ru/SYSD.HTM , 2004…2007.
7. M.Sh. Levin, A.M. Tsyganova, Hierarchical morphological approach to protocol analysis and design. Intl. Workshop "Distributed Computer and Communication Networks", Sofia, Bulgaria, pp. 217-221, 2005.
8. M.Sh. Levin, Composite Systems Decisions. Springer, 2006.
9. M.Sh. Levin, Desing of systems: structural approach", DETC2006-99547, 18th Int. Conference on Design Theory and Methodology DTM, Pennsilvania, USA, 2006.
10. М.Ш. Левин, А.В. Сафонов, Проектирование и перепроектиро-вание конфигураций оборудования коммуникационной сети. Информационные технологии и вычислительные системы, N. 4, 63-73, 2006.
11. M.Sh. Levin, R.D. Grigorov, Web-based applied information infrastructure: composition. 2007.
12. M.Sh. Levin, R.O. Vishnitskiy, Hierarchical morphological design of GSM system. 2007.
13. M.Sh. Levin, T.A. Borzhievsky, Towards morphological approach to electronic shopping. 2007.
14. М.Ш. Левин, И. Ходаковский, Морфологичекое проектирование телеметрической системы. 2007.
15. М.Ш. Левин, Р. Корейнюшкин, О модульном проектировании стратегии принятия решений. 2007.
16. MatLab, http://www.matworks.com
17. MIT OpenCourseWare, http://ocw.mit.edu
18. А.В. Сафонов, М.Ш. Левин, Перепроектирование конфигурации сетевого оборудования. Труды 6-й межд. конф. CAD/CAM/PDM-2006, ИПУ РАН, Москва, 179-183, 2006.