РАЗДЕЛ 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СИСТЕМАХ.
МОДЕЛИРОВАНИЕ В СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4 ИЗУЧЕНИЕ РАЗНОВИДНОСТЕЙ И СВОЙСТВ СИСТЕМ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ БОЛЬШОГО
МАСШТАБА НА ПРИМЕРАХ. ПРОЦЕССЫ И СВЯЗИ В СИСТЕМАХ (2 часа).
Цель и задачи практического занятия
Цель работы заключается в получении на втором уровне представлений о свойствах систем как объектов системного анализа
Основные задачи:
– получение углубленного представления о системах как объектах системного анализа;
- получение углубленного представления о моделях систем как отображение целевых свойств системы;
– структурная иерархическая схема системы, ее составление и декомпозиция;
– связи в системах: прямые косвенные и обратные.
Основные теоретические положения и представления о системах
4.2.1 Представление о системах. Модели систем. Структурная иерархическая схема, ее составление и декомпозиция, прямые косвенные и обратные связи
4.2.1.1 Общие положения. Множественность моделей систем.
Центральной концепцией системного подхода, всей науки «системологии» является понятие системы. Многие авторы анализировали это понятие, развивали его, давали определения до различной степени формализации. Существует множество определений системы.
Системы могут быть материальными, создаваемыми природой и человеком (искусственными), и абстрактными, духовными, состоящими из идей, мыслей, чувств.
4.2.1.2. Первое (целевое) определение системы. Сложности установления соответствия «цель-система».
|
|
|
Рассмотрим сначала искусственную систему, создаваемую человеком. Как известно, любая человеческая деятельность носит целенаправленныйхарактер. Цели достигаются сочетанием различных возможностей, ресурсов – собственных и имеющихся в окружении. Если цель еще не достигнута, возникает проблемная ситуация. Примеров можно привести множество: создание АСУ вызвано невозможностью полной и быстрой обработки информации, мобильная телефонная связь возникла, когда появилась острая потребность в оперативном обмене информацией для деловых нужд и т.п. В этом смысле говорят, что необходимость – мать изобретения. Итак, постепенно формируется цель – как образ (модель) желаемого будущего, состояния среды, которое бы решило проблему.
Далее вся последующая деятельность направлена на достижение цели. Этапы этой деятельности структурированные, формализованные и составляют существо системного анализа. На основе этих логичных рассуждений заключаем, что система есть средство достижения цели. Это и есть первое определение понятия системы.
Простые примеры:
1.Указывать время в произвольный момент – часы.
|
|
|
2. Выпекать хлеб – пекарня.
3. Передавать информацию зрительную и звуковую на расстояние – телевидение.
Для достижения одной цели могут быть выбраны разные средства – системы.С другой стороны, данную систему можно использовать и для других целей, не предусмотренных при ее создании. Неправильно или неточно сформулированная цель ведет к неверно, неадекватно созданной системе.
Таким образом, между целью и системой непросто установить соответствие даже для уже известных и существующих ситуаций. Поэтому в инженерной практике техническое задание – один из важнейших этапов создания системы. Однако эти замечания не противоречат первому определению системы: система есть средство достижения цели, средство решения проблемы. Есть еще одно образное выражение «Без проблемы нет системы».
Другим аспектом этого определения является его конструктивность, а именно ответ на вопрос: какие объекты из окружающей среды нужно включать в состав системы? Ответ: любые, если они необходимы для достижения цели.
4.2.1.3. Представление системы в виде блока с неизвестной структурой. Модель «черного ящика».
В первом определении системы речь идет лишь о ее назначении; обратимся теперь к характеристикам конструкции системы с тем, чтобы получить более удобную и развитую форму модели системы, которая бы позволяла включать в нее по необходимости дополнительные сведения.
|
|
|
В качестве наглядного, образного представления о модели устройства системыее изображают в виде непрозрачного ящика, выделенного из окружающей среды. Эта простая интерпретация отражает два важных свойства системы: целостность и обособленность от окружающей среды. Вместе с тем, хотя «ящик» и обособлен от окружающей среды, он не является от нее изолированным, т.к. цель системы – это ведь изменения в окружающей среде, некие продукты, которые потребляются вне системы.
Иначе говоря, система связана со средой, и этими связями воздействует на окружающую среду. Эти связи называются выходами системы. Если выходы обозначить стрелками, то они соответствуют в словесном определении понятию цель.С другой стороны, система выступает средством достижения цели, поэтому на нее нужно воздействовать со стороны окружающей среды. Эти связи называются входами системы.
Получаем таким образом модель «черного ящика» (рис. 4.1).
| СИСТЕМА |
| Входы |
| Выходы |
| Окружающая |
| среда |
|
|
|
Рис. 4.1. Модель «черного ящика»
Модель «черного ящика» – это образное изображение, в котором нет сведений о внутреннем содержании «ящика», фиксируются только входные и выходные связи с системой. Такая модель часто оказывается полезной. Например, систему «телевизионный приемник» можно представить ниже приведенной моделью «черного ящика» (рис. 4.2).
| ТЕЛЕВИЗОР |
| Электропитание |
| Экран |
| Звукодинамики |
| Антенна |
| Ручки управления |
Рис. 4.2. «Черный ящик» как бытовая модель телевизора
Формализованная (математическая) модель «черного ящика» сводится к заданию двух множеств: X – входных, Y – выходных переменных.
Кажущаяся простота модели системы в виде «черного ящика» исчезает при решении конкретной системной задачи – определении списка и характеристик входов и выходов. Этот список характеризуется множественностью, т.к. любой объект взаимодействует с окружающей средой большим числом связей. Отобрать же нужно конечное число. Критерием является целевое назначение модели системы. Здесь и возникают ошибки, т.к. не включенные связи все равно действуют, а кажущаяся не существенность может оказаться ошибочной. Эту мысль можно проследить на примере грузового автомобиля (рис. 1.12). Какие входные воздействия указывать?
| АВТОМОБИЛЬ ЛЕГКОВОЙ |
| Двери |
| Регуляторы |
| Окна, замки |
| Руль |
| Переключение сигнализации и освещения |
| Педали 1, 2, 3 |
| Рычаг коробки передач |
| Ручки стояночного тормоза |
| Рис. 4.3. Входы в «черный ящик» - грузовой автомобиль |
Может быть наряду с приведенными нужно также включать свойства поверхности земли, сцепление с грунтом, поле тяготения земли, сопротивление воздуха, силы инерции и т.д. Какие отобрать? Задача нетривиальная.
Аналогичные рассуждения можно привести и относительно выхода – цели системы. Сложность заключается в том, что всегда главную цель приходится сопровождать дополнительными целями. Например, для пассажирского самолета (рис. 4.4) перечень характеристик на выходе может быть различным в зависимости от решаемой проблемы.
ПАССАЖИРСКИЙ
САМОЛЕТ
Комфорт пассажиров (шум, болтанка)
Способность летать с определенной скоростью
Длина ВПП
Экономичность
Рис. 4.4. Выходы для модели «черного ящика» – пассажирского самолета
Часто дополнительные цели не менее важны, чем основные. Все вместе они называются ограничениями, которые делятся на цель (одна) и принуждающие связи.
Часто модель «черного ящика» не только полезна, но и единственна, т.к. по соотношению входов и выходов мы делаем выводы о внутреннем устройстве системы.
4.2.1.4. Модель состава системы.
Целостность и обособленность системы – это ее внешние свойства, они отображены в модели «черного ящика».
Внутреннее устройство системы отражает ее составные части, которые могут быть разбиты на более мелкие составляющие.
Итак, в составе системы могут быть подсистемы, последние в свою очередь состоят из элементов (Э) – неделимых далее составляющих. Можно ввести иерархию подсистем, указывая их уровень (рис. 4.5) и табл. 4.1.
| Подсистема – 2 уровень |
| Э |
| Э |
| Подсистема – 1 уровень |
| Э |
| Э |
| Э |
| Подсистема – 1 уровень |
| Э |
| Э |
| Э |
| Э |
Рис. 4.5 Модель состава системы
Примеры состава систем Таблица 4.1
| Система | Подсистема | Элемент |
| Телевидение | Передачи | Телестудия |
| Антенно-передающее устройство | ||
| Канал связи | Среда | |
| Спутники-ретрансляторы | ||
| Приема | Местное телевидение | |
| Телевизоры | ||
| Семья | Члены семьи | Муж |
| Жена | ||
| Предки | ||
| Потомки | ||
| Имущество | Жилье и хозяйство | |
| Личная собственность семьи | ||
| Отопительная | Источники тепла | Котельная или отвод трассы |
| Распределение и доставка тепла | Трубы, вентили, калориферы | |
| Эксплуатации | Служба эксплуатации и ремонта, персонал | |
| Сервисная организация | Отдел маркетинга | Рекламная подсистема |
| Отдел исследований | ||
| Отдел реализации | Разделы по видам продуктов | |
| Производственный сектор | Разделы по видам услуг | |
| Финансовый сектор | Планово-финансовый сектор | |
| Бухгалтерия | ||
| Материально-техническое обеспечение | Сектор технологического оборудования | |
| Сектор запасных агрегатов | ||
| Сектор запасных деталей |
Подобно тому, как сложно определить входы и выходы системы, нелегче задача и определения (идентификации) состава системы.
Все сказанное относится и к границам, отделяющим систему от окружающей среды (рис. 4.6). Приведем еще несколько примеров.
1. Часы. Модель состава часов приведена на рис. 4.6. Возникает вопрос, включать ли в систему эталон времени?
| Эталон времени |
| Датчик времени |
| Индикатор |
| Энергия извне |
| Показание |
| часов |
| Регулировка |
| Рис. 4.6. Модель состава системы – часы |
2. Система технического обслуживания и ремонта парка машин также может быть представлена с этих позиций: цель – достижение наивысших показателей производительности оборудования. Состав системы: каналы обслуживания, диагностические средства, ремонтные бригады, склады запасных частей и узлов, управляющие структуры (табл. 4.1)
Таким образом, первое определение системы («система – средство достижения цели») подчеркивает, прежде всего, целевую подчиненность всех сторон организации системы. Однако даже на простых примерах обнаруживаются сложности: соответствие между целями и системами не всегда однозначно (одна система может быть связана с несколькими целями, одной цели могут отвечать разные системы) и не всегда очевидно (выявить действительные цели существующей системы не просто). Тем не менее, целевая предназначенность системы – ее исходное, главное свойство.
Модель состава системы ограничивается снизу тем, что считается элементом, а сверху – границей системы. Как эта граница, так и границы разбиения на подсистемы определяется целями построения модели, и, следовательно, не имеют абсолютного характера. Это не означает, что сама система или ее состав не реальны. Мы имеем дело не с разными системами, а с разными моделями систем.
4.2.1.5. Модель структуры системы. Морфологическое, функциональное и информационное описание структуры системы. Иерархическая структурная схема, ее составление и декомпозиция.
Структура – это способ соединения подсистем и элементов, т.е. установление между ними определенных связей – отношений. Совокупность необходимых и достаточных связей для достижения цели называется структурой системы.
Аналогично предыдущему, между реальными объектами, вовлеченными в систему, имеется множество отношений – связей. Однако при построении конкретной модели конкретной системы выбирают только важные связи, т.е. существенные для достижения цели связи.
Приведем некоторые примеры.
1. Расчет механизма не учитывает силы взаимного притяжения деталей. Эти силы есть, но они малы в сравнении с силами тяжести.
2. Часто не учитывают электрические свойства в механических процессах.
Отношения между элементами могут быть разнообразными. Их нужно перечислять, квалифицировать. Однако, как правило, всех связей – отношений мы не знаем.
Обобщая ранее изложенное, можно дать второе определение системы: система – это совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как целое. Структурная схема является инвариантом модели системы: это все элементы, все связи между элементами внутри системы и связи элементов с окружающей средой (рис. 4.6).
Структурные схемы имеют нечто общее, поэтому они стали объектом отдельных исследований. Для этого абстрагируются от конкретной, содержательной стороны структурной схемы, рассматривает только наличие элементов и связей между ними. Такие схемы называют графами. В графе различают вершины, ребра (дуги). Если указано направление связи, граф называют ориентированным. Если связи имеют различный вес, их называют взвешенными и т.д. Особую роль играют обратные связи. В графическом изображении структурные графы могут быть (рис. 4.7).
Для решения организационных задач структурной интерпретации оказывается недостаточно. Главным становится составление функциональных схем, учитывающих конкретные связи входных, внутренних и выходных элементов системы.
Итак, структура системы – это некоторая модель, отражающая группу свойств системы, позволяющая взглянуть не нее с различных позиций с последующим согласованием позиций в едином поле.
Для полного описания системы необходимо
1) определить ее состав и структуру – выделить подсистемы, элементы, установить взаимосвязи между ними, определить основные свойства элементов;
2) определить функции системы – это означает выделить ее из внешней среды путем установления границы, определить все входы и выходы системы и слагающих ее подсистем, описать функциональные соотношения между входами и выходами.
В соответствии с современными системными воззрениями при изучении сложных объектов (систем) составляют 3 вида описания:
1) морфологическое – внутреннее устройство системы;
2) функциональное – деятельность системы;
3) информационное – степень неопределенности состояния системы и его изменения.
| Рис. 4.7. Графические варианты структурных схем |
Морфологические свойства – это распределение вещества, функциональные – преобразование энергии, информационные – это организация системы. В реальности все эти свойства взаимосвязаны, поэтому в общем случае необходимо сделать комплексное единое описание системы, которое отражает ее устройство, деятельность (в т.ч. способность к развитию, сущности взаимодействия с внешней средой).
Любая система должна изучаться извне и изнутри. Изучение извне – это взаимодействие с внешней средой, т.е. рассмотрение функций. Исследование системы изнутри – это изучение ее состава и структуры. Вместе с тем, функционирование системы и ее внутреннее устройство неотделимы: нет структур без функций, как и функций без структур. Поэтому СА требует одновременного учета устройства системы и ее функций.
Морфологическое описание системы. Мы будем рассматривать этот вопрос применительно к техническим, технологическим объектам и их системам управления. Эти объекты характеризуются большим числом элементов, множеством взаимосвязей, значительным объемом перерабатываемой информации. Т.е. это сложные, большие системы или системы со сложной структурой.
При структурном описании и анализе системы выполняют следующие действия:
1) разрабатывают правила символического отображения систем;
2) определяют состав и составляют структурную схему и оценивают качество структуры системы;
3) вырабатывают заключение об оптимальности структуры и рекомендации по ее совершенствованию.
Связи между элементами системы весьма многообразны: направленные, ненаправленные, постоянные, переменные. Любые связи должны носить причинно-следственные характер. Ненаправленные связи свидетельствуют о нерациональном построении системы.
Структурные модели принадлежат к классу графов и имеют для системного анализа фундаментальное значение. Эти модели устанавливают самые простые, первичные взаимосвязи между элементами системы.
В качестве наиболее распространенных выделяют класс древовидных или иерархических структур.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 283; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!