系统工程

两分，需要计算的选择题

系统工程概述

• 系统
  • 由交互的元素组织起来的组合，用于实现一个或多个特定的目的
  • 一组综合的元素、子系统或组件，用以完成一个确定的目标
• 系统元素
  • 软硬件、人、流程、程序等
• 系统元素组成系统，系统组成系统体系（系统之系统，SoS）
• 系统工程
  • 运用系统方法，对系统规划、研究、设计、制造、试验和使用的组织管理技术
  • 为最好地实现系统的目的，对系统的组成要素、组织结构、信息流、控制机构等进行分析研究的科学方法
  • 从整体出发，合理开发、设计、实施和运用系统科学的工程技术
  • 从系统观念出发，以最优化方法求得系统整体最优的、综合化的组织、管理、技术和方法的总称。
• 一个视角、流程、或一门专业
• 系统工程视角：目的、组成要素、组织结构、信息流、控制结构
• 系统工程核心
  • 分析和设计与其部分截然不同的整体
  • 坚持全面看问题
  • 考虑所有的侧面
  • 考虑一切可变因素
  • 把问题的社会方面与技术方面联系起来

系统工程方法论

• 霍尔三维结构
  • 特点：系统化、综合化、最优化、程序化、标准化
  • 时间维7步骤：规划、拟定方案、研制、生产、安装、运行、更新
  • 逻辑维7阶段：明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施
  • 知识维n领域：工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等

---

切克兰德方法

• 解决问题：
  • 硬科学 --> 软科学
  • 最优化 --> 比较与探寻
• 逻辑维7阶段
  • 认识问题、根底定义、建立概念模型、比较及探寻、选择、设计与实施、评估与反馈

并行工程方法

• 目标：提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间
• 重点强调
  • 设计开发期间将概念设计、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来，保证以最快的速度按要求的质量完成
  • 各项工作由与此相关的项目小组完成。进程中小组成员各自安排自身的工作，但可以随时或定期反馈信息，并对出现的问题协调解决
  • 依据适当的信息系统工具，反馈与协调整个项目的进行。利用现代CIM技术，在产品的研制与开发期间，辅助项目的并行化

综合集成方法

• 钱学森方法
  • 简单系统 --》简单巨系统–》巨系统–》复杂巨系统
• 主要性质
  • 开放性、复杂性、进化和涌现性，层次性，巨量性
• 基本原则
  • 整体论原则，相互联系，有序性原则，动态原则
• 主要特点
  • 定性研究与定量研究有机结合，贯穿全过程
  • 科学理论与经验知识结合，把人们对客观事物的知识综合集成解决问题
  • 应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究
  • 根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究与微观研究统一起来
  • 必须有大型计算机系统支持，不仅有管理信息系统、决策支持系统等功能，而且还要有综合集成的功能

WSR 系统方法

• 物理 Wuli
  • 应用自然科学中的各种科学方法
• 事理 Shili
  • 使用各种运筹学，系统工程，管理科学，控制论和一些数学方法
• 人理 Renli
  • 关系、感情、习惯、知识、利益、斗争、和解、和谐和管理等
• 实践准则：懂物理，明事理，通人理
• 逻辑维 7 步骤
  • 理解意图，制定目标，调查分析，构造策略，选择方案，协调关系，实现构想

系统工程生命周期

• 生命周期阶段（时间维）：规划、设计、开发、制造、安装、运行、更新
  • 探索性研究阶段：识别利益攸关者的需求，探索创意和技术
  • 概念阶段：细化利益攸关者的需求，探索可行概念，提出有望实现的解决方案
  • 开发阶段：细化系统需求，创建解决方案的描述，构建系统，验证并确认系统
  • 生产阶段：生产系统并进行检验和验证
  • 实用阶段：运行系统以满足用户需求
  • 保障阶段：提供持续的系统能力
  • 退役阶段：存储、退档或退出系统

系统 工程开发方法

开发方法（生命周期方法）

• 计划驱动方法：类比结构化

  • 始终遵守规定流程
  • 特别关注文档的完整性
  • 特别关注需求的可追溯性
  • 特别关注每种表示的事后验证
    

• 渐进迭代式开发

  • 需求不清晰、不确定、或客户希望引入新技术
  • 较小的，不复杂的系统
  • 灵活性
  • 通过剪裁突出了产品开发的核心活动
    

• 精益开发

  • 准时化
  • 消除浪费
  • 一种整体性的范式
  • 动态的、只是驱动的、以客户为中心的过程
    

• 敏捷开发

  • 工作原则：尽早、拥抱变化、持续交付
  • 个人原则：可持续、简洁艺术
  • 沟通原则：一起工作、面对面、产品度量进度
  • 团队原则：自组织团队、定期反思
    

MBSE 基于模型的系统工程

基于模型的系统工程 MBSE：MBSE 是建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统需求、分析、设计、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有生命周期阶段

• 核心思想
  • 采用形式化、图形化、关联化的建模语言及相应的建模工具，改造系统工程的技术过程，充分利用计算机、信息技术的优势，开展建模（含分析、优化、仿真）工作，为系统实现、验证奠定更为坚实的基础，从而提升整个研制过程的效率。

基于模型的系统工程

三阶段工具

• 需求分析
  • 需求图
  • 用例图
  • 包图
• 功能分析与分配
  • 顺序图
  • 活动图
  • 状态机图
• 设计综合
  • 模块定义图
  • 内部块图
  • 参数图

三支柱

• 建模语言：SysML《extends UML 2.0》
• 建模工具：以建模软件为核心的计算机和网络环境
• 建模思路：设计团队如何利用系统建模语言的各种图形建立系统模型，根据组织机构特点，研究适合自身的工作流程

系统性能

• 系统性能指标
  
  

  • 主频：时钟频率
  • 运算速度
  • PDR：数据处理速率
  • 运算精度
  • 内存容量：主存容量
  • 性价比
  • 硬盘速度：外存存储周期
  • RASIS：可靠性、可用性、可维护性、完整性、安全性
  • 可扩充性
  • 兼容性
  • 各种响应时间
  • 各种利用率
  • 吞吐率
  • 平均故障响应时间
    

• 操作系统的性能指标

  • 吞吐率
  • 吞吐量
  • 上下文切换时间
  • 响应时间
  • 资源利用率
  • 可靠性
  • 可移植性
    

• 网络的性能指标

  • 吞吐量
  • 用户级性能指标
  • 应用级性能指标
  • 网络级性能指标
  • 设备级性能指标

• 数据库的性能指标

  • 数据库大小
  • 单表大小
  • 单记录大小
  • 数据库表数量
  • 表索引数量
  • 数据库索引数量
  • 表记录数量
  • 日志文件大小

• 数据库管理系统的性能指标

  • 最大并发事务处理能力
  • 最大连接数
  • 查询语句性能
  • 负载均衡能力

• 应用系统的性能指标

  • 资源占用
  • 可用性
  • 响应时间
  • 并发用户数

• web 服务器的性能指标

  • 上下文切换
  • 资源利用率
  • 响应时间
  • 吞吐率
  • 吞吐量
  • 可移植性
  • 可靠性

系统性能计算

MIPS 计算

每秒处理的百万级的机器语言指令数，衡量CPU速度的指标

每秒指令数：IPS = ^指令数⁄_执行时间

每秒百万指令数：MIPS = ^指令数⁄_执行时间 x ¹⁄_10⁶

频率、周期

频率：单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量
周期：物理量作周而复始的变化时，重复一次所经历的时间。

频率 X 周期 = 1

CPU 晶振、时钟频率、时钟周期

时钟频率，又称时钟频率速度或主频。
时钟通过晶振提供了某个频率的规律信号。
通常用千兆赫兹（GHz），即十亿周期每秒来表示

主频 = 1 / 时钟周期

指令周期

取出一条指令并执行这条指令的时间。
由若干个机器周期组成
是从取指令、分析指令到完成所需的全部时间

还有好多公式不方便展现，这部分多刷几道题就行了

系统性能设计

• 性能瓶颈：某个硬件或软件接近其容量限制时发生并显示出来的事件或情况

• 性能调整：

  • 性能管理的主要活动
  • 调整参数以调整性能
    

• 识别性能约束

• 指定系统负载

• 设定性能目标

• 收集-分析-配置-测试-收集

服务器	数据库管理系统	应用系统
CPU使用率 内存使用率 硬盘剩余空间	数据库设计优化，SQL语句优化 进程和线程状态， 日志文件大小 系统资源占用	可用性，响应时间 并发用户数 系统资源占用

• 阿姆达尔定律（Amdahl’s Law)
  • 计算机系统设计的重要定量原理之一
  • 定义：加速比=不使用增强部件时完成整个任务的时间/使用增强部件时使用整个增强部件的时间=原执行时间/新执行时间

系统中对某一部件采用更快执行方式所能获得的系统性能改进程度，取决于这种执行方式被使用的频率，或所占总执行时间的比例。

• 负载均衡：由多台服务器以对称方式组成对等服务器集群。每台服务器地位等价，可单独对外提供服务。
  

• 负载均衡集群：

  • 高性能：提高系统性能，增加系统处理能力
  • 高并发：增加系统吞吐量
  • 高可用：故障侦测（HTTP/TCP/UDP），自动转移
  • 可扩展：提高系统可伸缩性
  • 增安全：访问控制列表（ACL）

• 负载均衡类型：

  • 软件<–>硬件
  • 全局<–>本地

• 负载均衡技术

  • 基于DNS的负载均衡
  • 代理服务器负载均衡
  • 混合型负载均衡
  • 地址转换网关负载均衡
  • 反向代理负载均衡
  • 网络地址转换负载均衡
  • 协议内部支持负载均衡

• 负载均衡算法
  
  

  • 静态算法：无集群服务器状态参与
    • （加权）随机算法
    • （加权）轮询算法
    • 源地址哈希算法
  • 动态算法：需要集群服务器状态参与计算
    • （加权）最少连接数算法
    • （加权）响应时间算法
    • 自适应算法（基于资源的算法）
  • 加权算法：各服务器可能因配置不同导致处理能力不同
    

系统性能评估

系统性能评估方法

• 时钟频率法：以时钟频率高低衡量
• 指令执行速度法：以MIPS为单位量化计算机性能
• 等效指令速度法：将指令比例不同问题纳入考量，通过各指令在程序中的占比计算出结果
• 数据处理速率法：综合考量CPU、主存整体计算机性能
• 综合理论性能法：使用MTOPS表示
  • 计算出处理部件每个计算单元的有效计算率
  • 按不同字长加以调整，得出该计算单元的理论性能
  • 所有组成该处理部件的计算单元理论性能之和
• 基准程序法：目前一致承认的测试系统性能的较好方法，依靠评价程序来评价机器性能

---

• 基准测试程序：应用程序中用的最多、最频繁的那部分核心程序作为评估计算机性能的标准程序
• 基准测试程序分类：核心程序、小型基准程序、合成基准程序、基准程序测试组
  

web服务器性能评估

系统监视

总结重点

• 性能指标
  • 计算机
  • 数据库
  • 应用系统
  • web服务器
• 性能设计
  • 性能调整
  • 负载均衡
  • 负载均衡算法
• 性能评估
  • 基准程序法
  • 基准程序类别与准确度
  • Web服务器性能评估
  • 系统监视