15
режим «советчика», система выдает список рекомендуемых
действий по управлению, а решение об их использовании принимает и
реализует оператор;
диалоговый режим, в котором оператор корректирует установки
технологических параметров, которые в последствии реализует комплекс
технических средств самой системы и также на основе них дает рекомендаций в
решении технических задач [9].
Автоматический режим реализации управляющих функций
предусматривает автоматическую выдачу и реализацию управляющих команд.
В автоматическом режиме все необходимые действия по обработке данных
производятся без участия оператора. Различают несколько видов:
режим косвенного управления, когда средства вычислительной
техники автоматически изменяют установки и параметры настройки
(регулирования) локальных систем автоматического управления;
режим прямого (непосредственного) цифрового или аналого-
цифрового управления, когда управляющие вычислительные устройства
формируют воздействия на исполнительные механизмы [5,8].
1.2. Жизненный цикл и модели жизненного цикла АСУ ТП
Жизненные циклы (ЖЦ) процесса разработки системы заключаются в
четко определенных и отдельных этапах работы, которые применяются
системными инженерами и разработчиками систем для планирования,
проектирования, создания, тестирования и доставки информационных систем.
ЖЦ автоматизированной системы носят итерационный характер
(многократные повторения, не приводящие к вызову самих себя).
В процессе создания системы для уменьшения накопления ошибок
возникает необходимость своевременных действий для актуальной
модификации информационной модели объекта, опираясь при этом на
фактическую обстановку.
16
Модель ЖЦ – это каркас для определения повторяемых процессов,
задающий курс дальнейшей деятельности в создании качественного
программного продукта, дающий разработчиками возможность как
использовать лучшие практические решения других разработчиков, так и
делится своим опытными разработанными практиками.
Преимущества от применения моделей ЖЦ:
способствуют составлению списка требований до проектирования
системы;
способствуют процессу проектирования программного обеспечения
до построения компонентов системы;
определяют какой именно набор тестируемых поставок рабочего
продукта может помочь в сопровождении системы;
дают возможность руководящему составу следить за качеством
продукта и производительности процесса разработки и деятельностью по
разработке проекта;
снижают затраты, связанные с разработкой и сопровождением
объекта;
повышают организованность действии при эксплуатации проекта
(структурированность и управляемость).
Инфраструктура ЖЦ разработки системы представляет собой указания
последовательности действий для разработчиков при разработке системы.
Состоит из набора инструкций, на которых каждый этап модели ЖЦ использует
результаты предыдущего. При принятии модели ЖЦ производят оценку
используемой в настоящее время системы, параметры оборудования для сбора
данных, технико-экономическую обоснованность модели и уже после этого
отправляют на утверждение [5].
За всё время существования терминологии модели ЖЦ было создано
множество разновидностей моделей, в их числе каскадная, эволюционная,
пошаговая, спиральная, итерационная, инкрементная, V-образная и многие
17
другие. Модели могут радикально отличатся друг от друга но этапы ЖЦ имеют
общие, поэтому рассмотрим эти этапы вне какой-либо определенной модели:
Разработка требований – на этом этапе производится полный анализ
функциональности разрабатываемой системы, цели её создания, определяются
задачи, производится предварительный анализ детальных требований, которые
должны быть реализованы в конечном продукте. Изучение характеристик,
масштабов, целей и технологических особенностей разрабатываемого объекта
помогает выявить и разрешить будущие противоречия в разрабатываемой
системе.
Проектирование – этот этап также называют стадией дизайна и
архитектуры, на этом этапе разработчики системы взяв за основу
сформированные в предыдущем этапе требования, разрабатывают
высокоуровневый дизайн системы. Определяются наиболее подходящие виды
технологического оборудования, которые будут задействованы на всех уровнях
системы. Все возникающие технические вопросы обсуждаются и решаются
командой разработчиков, при необходимости связываются для согласования с
заказчиком системы. Формируются и утверждаются функциональные
характеристики программной части, визуализация технологических параметров
и внешний вид системы в целом [6].
Реализация – после определения всех требований и утверждения
итогового вида проекта, производится закупка и доставка всего необходимого
оборудования и ПО, наем квалифицированного персонала. Далее происходит
монтаж и наладка всех устройств нижнего уровня, производится монтаж
коммуникационных сетей между ними, монтаж ПЛК контроллеров и написание
алгоритмов к ним с учетом всех функций оборудования. Создание верхнего
уровня автоматизации SCADA системы и человеко-машинного интерфейса.
Тестирование - все компоненты объединяются в общую сеть и
происходит первый запуск программы, при работе которой выявляются и
исправляются все несоответствия алгоритмов управления, работы устройств
18
всех уровней, проверяется работоспособность всех функций системы,
заявленные в требованиях к ней. Длительность процесса тестирования зависит
от квалификации и сноровке персонала, участвовавшего в реализации проекта.
Ввод в действие – когда система ПО и программного обеспечения
полностью отлажена и протестирована, проект постепенно запускается в
производство (в многозадачном непрерывном производстве технически
невозможно произвести внедрение всех систем сразу).
Производится обучение технологического персонала работе с новым
оборудованием, обучение работы с системой. Для этого инженерно-
технологическими работниками разрабатывается новая технологическая карта,
которая учитывает всё новое оборудование вносящее поправку в
технологический процесс, детально описывается каждая из функций каждого
компонента системы.
Технический персонал производит наблюдение в режиме реального
времени за работой системы. При обнаружении неисправности или ошибки
технический персонал в зависимости от масштаба по возможности производить
устранение и наладку неисправных компонентов системы [3,5,19].
Рассмотрим основные виды моделей ЖЦ.
Каскадная модель или водопадная модель ЖЦ – это последовательность
этапов в которой построена последовательно в фиксированном порядке
(завершение работ на одном этапе дает старт для начала работы над
следующим). Учитывая её распространенность и длительность применения, её
можно смело назвать классической моделью ЖЦ.
Многие виды моделей ЖЦ обладают схожим построением и
последовательностью этапов, т.к. это самый прямолинейный и простой путь
создания готового продукта.
Типичный пример построения такой модели указан на рисунке 2.
19
Рисунок 2 – Каскадная модель [16]
Модель применяют для разработки систем в которых ещё на этапе
разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования.
Достоинства каскадной модели:
простота и очевидность в использовании;
стабильность требований в течении всего ЖЦ разработки;
каждая стадия формирует законченный вид программной и
аппаратной части, которая отвечает заявленным критериям;
четкая последовательность этапов позволяет уверенней
планировать сроки выполнения работ и затрачиваемых ресурсов (деньги,
материалы, персонал).
Недостатки каскадной модели:
реальные процессы разработки редко умещаются в такие жесткие
поэтапные рамки;
ЖЦ основан на точных исходных требованиях к проекту, в
реальности требования определены лишь частично;
разработанный проект будет доступен заказчику лишь в конечной
стадии его разработки, что в случае неточного определения требований может
привести к несогласованию и, следовательно, переделыванию уже практически
готового проекта [3,16,28].
20
Итерационная модель - по последовательности шагов очень похожа на
каскадную модель, но радикально отличается наличием промежуточного
контроля и циклов обратной связи с предыдущими шагами.
Типичная схема итерационной модели указана на рисунке 3.
Рисунок 3 – Итерационная модель ЖЦ [16]
Между этапная корректировка позволяет в реальном времени учитывать
влияние результатов разработки каждого этапа между собой и вносить
изменения в уже пройденные шаги разработки. Это является одновременно как
достоинством, так и недостатком модели: поэтапная корректировка позволяет
уменьшить трудовые затраты на каждый этап, но в то же время не позволяет
полностью завершить разработку каждого этапа тем самым продлевая его
актуальность в течении всего периода наладки системы.
Достоинства итерационной модели:
Снижение рисков на ранних стадиях проектирования;
Непрерывная связь с заказчиком на протяжении всего периода
работ;
Возможность обнаружить конфликты между требованиями на ранее
стадии;
Эффективно использует накопленный опыт;
Равномерно распределяет нагрузку на всех участников проекта.
Недостатки итерационной модели:
21
Долгое время отсутствует целостное понимание ограничений
проектирования;
Возврат к предыдущему этапу отбрасывает часть проделанной
работы на шаг назад;
Исполнительность и добросовестность работников снижается на
стадиях разработки, из-за возможности в любой момент скорректировать
проект;
Полная картина функций проекта приходит лишь на поздних
стадиях его разработки;
ЖЦ подразумевает возможность изменения начальных требования,
что при недобросовестном заказчике сильно усложняет работу [5,16,20].
Инкрементная модель - это поэтапная модель ЖЦ с применением
функций промежуточного контроля и циклов обратной связи.
Последовательность шагов модели указана в рисунке 4.
Рисунок 4 – Инкрементная модель ЖЦ [16]
Работа над проектом также начинается определения требований к
системе, после чего выполняется последовательная разработка её
версий(инкрементов). При чем каждый инкремент является законченной
работоспособной системой.
22
В первой версии реализуется основная часть запланированных
требований, в следующем инкременте реализуются остальные дополнительные
не столь значимые требования и т.д.
Процесс создания инкрементов продолжается пока не будет получен
готовый вариант системы, подходящий по функциональности по всем
параметрам и уже он проходит стадию внедрения в производство.
Разработка инкрементной модели подходит в случае если:
у заказчика отсутствует возможность текущего финансирования
всего проекта целиком;
отсутствие необходимых ресурсов на объекте автоматизации для
реализации проекта в срок;
неопределенность начальных требований к проекту.
Достоинства инкрементной модели:
Снижение стоимости первоначальной поставки ПО;
Уменьшение рисков при неудачном подборе начальных
требований;
Ускоренное течение процесса проектирования;
Быстрота работы над каждым инкрементом упрощает
взаимодействие с потребностями заказчика
Заказчик получает возможность оценить функциональные
возможности продукта еще на ранних стадиях;
Недостатки инкрементной модели:
Менее чёткая определённость в требованиях
Постоянная возможность изменения технологии может нарушить
сроки их выполнения;
Возможность привлечения сторонних ресурсов ограничено на
долгий срок;
Увеличивает время разработки этапов планирования и
проектирования, из-за зависимости модели от их надлежащего выполнения;
23
Не предусмотрен возврат на предыдущие этапы в рамках одного
инкремента [4,20].
Спиральная модель - в этой модели ЖЦ на каждом витке спирали
происходит разработка очередной версии системы, уточняются требования к
проекту путем непосредственного тестирования прототипа системы,
определяется его актуальность и соответствие, по итогу запускающие стадию
планирования разработки над следующим витком.
Пример спирального подхода к разработке ЖЦ системы указан на
рисунке 5.
Рисунок 5 – Спиральная модель ЖЦ [16]
В разработке по спиральному методу ЖЦ особое внимание уделяют
этапам анализа и проектирования, на которых после создания очередного
прототипа системы, происходит переоценка и проверка тех или иных
внедренных технических решений, что положительно сказывается на качестве
готового продукта т.к. большинство ошибок и не состыковок определяется в
прототипах(макетах) системных [3.19].
24
Модель сочетает в себе все возможности и функции предыдущих моделей
ЖЦ, но не повторяет их недостатков.
Применение спиральной модели целесообразно при разработке проектов,
использующих новые технологии или крайне сложных проектов, в которых
изначально подразумевается, что проект будет подвержен существенным
изменениям или добавлением новых требований к системе.
Достоинства спиральной модели:
Анализ рисков уменьшает их количество и позволяет заранее
определить непреодолимые из них;
Гибкость проектирования основана на совмещении преимуществ
каскадной и итерационной модели;
За счёт ускорения получения ранних прототипов системы, заказчик
получает возможность оценить и внести рекомендации для готового продукта;
Заказчик получает доступ к участию практически во всех этапах
создания системы;
Упрощает работу над проектом за счёт разбиения общего объема
работ на небольшие части.
Недостатки спиральной модели:
Сложная структура модели приводит к возникновению проблем в
работе с ней у персонала и заказчиков;
Большой объем документации из-за большого количества
промежуточных циклов;
Трудности в определении критериев для продолжения разработки
следующих циклов итерации;
Для разработки модели требуются мощные инструментальные
средства и методы прототипирования;
Не подходит для маленьких проектов, имеющих низкие показатели
риска, в ввиду дороговизны и стоимости модели разработки.