Иерархическая структурная схема, ее составление и детализация.
Иерархическое представление структуры объекта позволяет упорядочить элементы, компоненты, подсистемы по степени их важности («иерархия» – служебная лестница, многоступенчатость). Иерархическая упорядоченность является одним из наиболее важных средств исследования систем.
Между уровнями иерархической структуры могут существовать взаимоотношения строгого подчинения подсистем (узлов) нижележащего уровня одной из подсистем вышележащего уровня (такие иерархии называют сильными или иерархиями типа «дерева»). Могут быть связи и в пределах одного уровня иерархии, может один и тот же узел нижележащего уровня иерархии быть одновременно подчинен нескольким узлам вышележащего уровня (такие иерархии называют структурами со слабыми связями), могут существовать и более сложные взаимоотношения (например, иерархии типа «слоев», «эшелонов» и др.).
Идеальная иерархическая структура (рис. 1.17) характеризуется следующими признаками: многоуровневость; субординация внутренних связей – элементы, подсистемы данного уровня связаны только с подсистемами (элементами) ближайших верхнего и нижнего уровней; ветвистость – подсистема данного уровня связана только с одной подсистемой верхнего уровня и с несколькими подсистемами (элементами) нижнего уровня; пирамидальность – на самом верхнем уровне имеется только одна вершина (собственно исследуемая система); субординация внешних связей – это ситуация, при которой подсистемы (элементы) каждого уровня могут иметь связи с внешней средой, однако эти связи контролируются подсистемами ближайшего верхнего уровня; внешняя связь системы контролируется только извне.
|
|
|
В реальных системах встречаются различные отступления от идеальной иерархической структуры (рис. 4.9): подсистема данного уровня связана только с одной подсистемой (элементом) нижнего уровня (рис. 4.9, а); подсистема (элемент) данного уровня связана более чем с одной подсистемой верхнего уровня (рис. 4.9, б); подсистема, элемент данного уровня связаны с подсистемами высших уровней, минуя ближайший верхний уровень (рис. 4.9, в); на самом верхнем уровне имеется несколько вершин (незавершенность иерархии, рис. 4.9, г); подсистемы, элементы одного уровня связаны между собой (внутриуровневая зависимость, рис. 4.98, д); связи подсистем данного уровня с внешней средой не контролируются подсистемами других уровней (нарушение субординации внешних связей, рис. 4.9, е).
Рис. 4.8. Идеальная иерархическая структура
Рис. 4.9. Типы нарушений идеальной иерархической структуры
Перечисленные типы нарушений идеальности иерархии являются единичными, на практике встречаются всевозможные их комбинации. Нарушения могут быть вызваны несовершенством самой структуры или наличием связей через внешнюю среду, т.е. подсистемы, элементы данной системы одновременно входят в другие системы с другой структурой.
|
|
|
Декомпозиция – последовательное разукрупнение. Этот методический прием применяется при системном анализе проблемы или объекта, помогает ничего не забыть, не упустить из виду тот или иной аспект, свойство, результат и т.д.
Для морфологического описания объекта (системы) часто используется представление его в виде дерева декомпозиции.
Построение дерева декомпозиции начинают с выделения вершины самого верхнего уровня иерархии (обычно это сам исследуемый объект). Далее осуществляют последовательное членение объекта на подсистемы вплоть до элементов и располагают их по важности на соответствующем уровне иерархии. При этом вершинами дерева будут структурные составляющие объекта, а ребрами (ветвями) – функциональные и структурные связи (табл. 4.2).
Граф должен удовлетворять следующим условиям: не содержать замкнутых циклов (петель) и несвязанных вершин, т.е. иметь форму дерева. Для построения дерева исследуемой системы необходимо знать полный перечень всех существующих и потенциально возможных элементов, реализующих функции объекта и его подсистем.
|
|
|
Таблица 4.2
Пример построения дерева декомпозиции технологической машины
Естественно, встает вопрос, до какого уровня следует разукрупнять объект, проблему? Уровень детализации зависит от целей исследования и определяется лицом, осуществляющим его.
Например, при проведении прогнозных исследований (нормативное прогнозирование) главная цель делится на подцели до тех пор, пока не становятся ясны пути достижения (средства достижения) каждой подцели. Заведомо достижимые цели называются элементарными.
В основу расчленения (декомпозиции) системы при ее морфологическом описании могут быть положены три подхода: объектный, функциональный и смешанный.
При объектном подходе из системы выделяют подсистемы, каждая из которых может рассматриваться как самостоятельная система соответствующего уровня иерархии. При этом каждая подсистема может быть описана информационно и функционально.
Объектный подход к декомпозиции системы рекомендуется в тех случаях, когда система имеет количественно сложную структуру при небольшой сложности и разнообразии составляющих ее подсистем. В этом случае выделяют группы сходных по свойствам подсистем и анализируют наиболее типичную подсистему каждой группы, благодаря чему существенно снижается объем описания системы.
|
|
|
В основу функционального подхода положен функциональный признак расчленения системы. Его рекомендуется применять в том случае, когда число подсистем структурируемой системы невелико, но их функциональное описание является весьма сложным. В этом случае выделяется группа сходных функций и рассматривается возможность их реализации независимо от принадлежности к тем или иным подсистемам.
Выбор принципа расчленения зависит от множества факторов: цели исследования, природы системы, масштабности системы и др. Поэтому иногда бывает трудно принять однозначное решение о принципе формирования структуры. В таких случаях используют смешанный – объектно-функциональный принцип расчленения системы. От выбора того или иного принципа структурирования зависит достоверность результатов исследования системы. В практических задачах выбор принципа структурирования осуществляется с помощью экспертов, т.е. путем глубокого логического анализа совокупности целей исследования системы и ее основных свойств.
Достоинства отображения объекта в виде дерева заключаются в наглядности представления связей внутри системы и взаимодействия ее со средой. Однако такое представление объекта имеет и существенный недостаток. Дело в том, что дерево фиксирует только вертикальные связи между элементами системы и не отражает горизонтальные связи между ними. В результате погрешность исследования будет тем значительнее, чем сильнее горизонтальные связи и слабее вертикальные.
При системном анализе после структуризации объекта осуществляют его анализ и синтез, заключающиеся в изучении того, как влияют отдельные локальные изменения или изменения некоторых подсистем на всю систему в целом, так как деятельность любой части системы оказывает влияние на деятельность всех ее других частей.
Дерево декомпозиции позволяет определить соотношение между объектом и фоном, взаимосвязи между различными подсистемами и элементами объекта, очертить область поиска информации, необходимой для исследования и использования в разработке, выделить структурные элементы, подлежащие проверке на патентную чистоту, сформировать номенклатуру технико-экономических показателей для оценки его технического уровня.
Функциональное описание
Используется для описания всей системы и каждого входящего в нее элемента. Функция системы – это ее свойство в динамике, приводящее к достижению цели. Функция формируется как действие, воздействие, например: передавать усилие, предохранить от удара и т.д., т.е. должно быть 2 слова – глагол и существительное. Нужно использовать существительные, имеющие размерность. В ходе функционального анализа нужно получить ответ на вопрос: «Что делает эта вещь, прибор, машина, организация?».
Функции классифицируют по следующим признакам:
1) область проявления (внешние и внутренние);
2) роль в достижении цели (главные и второстепенные);
3) роль в обеспечении работоспособности объекта (основные ивспомогательные);
4) степень полезности (полезные, бесполезные, вредные);
5) характер проявления (потребительское, эксплуатационное, эстетические, экономические, конструктивные, технологические и др.).
Внешние (общеобъектные) функции отражают функциональные отношения между объектом и сферой применения. Среди них различают главные и второстепенные. Главная функция определяет назначение, сущность, смысл существования объекта в целом. Второстепенная функция не влияет на работоспособность объекта, отражает побочные цели его создания, обеспечивает спрос.
Внутренние (внутриобъектные) функции отражают действия, взаимосвязи внутри объекта и обусловлены принципом построения, особенностями его исполнения. Среди них различают основные и вспомогательные функции.
Основная функция обеспечивает работоспособность объекта, создает необходимые условия для осуществления главной функции. Различают следующие основные функции: прием, ввод (вещества, энергии, информации), передачу, преобразование, хранение, выдачу (отдачу) результатов.
Вспомогательные функции способствуют реализации основных. Различают следующие вспомогательные функции: соединительные, изолирующие, фиксирующие, направляющие, гарантирующие и др.
Полезные функции (внешние и внутренние) отражают функционально необходимые, потребительские свойства и определяют работоспособность объекта.
Бесполезные (ненужные) функции – излишние функции, не снижающие работоспособности объекта, но создающие избыточность и удорожание объекта.
Вредные функции – отрицательно влияющие на работоспособность объекта и его потребительские свойства, удорожающие объект.
Материальный носитель функции – отдельный конструктивный, технологический и другой элемент (либо их совокупность), участвующий в реализации функции.
Выявление основных функций и их отделение от вспомогательных имеет важное значение, поскольку именно среди вспомогательных находятся ненужные функции, которые являются наиболее существенным резервом снижения себестоимости изделия.
Одни и те же функции могут классифицироваться как главные, второстепенные, основные, вспомогательные или ненужные в зависимости от назначения изделия, условий его использования. Например, для изделия «нож-сувенир» эстетические функции могут быть главными, а для изделия «нож бытовой» – второстепенными.
При функциональном подходе желательно получить ответы на следующие вопросы:
– Что в настоящий момент представляет собой система, функции которой необходимо осуществить наиболее рационально?
– Какие у нее функции?
– Какая главная функция?
– Какие второстепенные функции?
– Какие основные и вспомогательные?
– Все ли функции необходимы потребителю?
– Можно ли исключить ненужные функции?
– Может ли быть более эффективным комплекс функций, выполняемых анализируемой системой?
При определении функций желательно придерживаться следующих рекомендаций.
1. Не следует формулировать функцию в слишком общем виде, например для двигателя – преобразовывать энергию. Лучше несколько конкретизировать – создавать крутящий момент.
2. Не следует формулировать функцию чрезмерно конкретно, привязываясь только к какому-либо существующему варианту, например: нарезать резьбу, сверлить отверстие, сваривать детали и т.д. Это приводит к сужению поля поиска, ограничивает возможности выбора оптимальных или даже рациональных вариантов решений.
3. При определении функций, фактически выполняемых объектом (деталью, блоком, узлом и т.д.), следует выявлять и указывать все выполняемые функции, даже те, для которых объект не предназначался. Это помогает выявить ненужные функции и найти пути их устранения.
4. Сначала следует формулировать функции объекта в целом, а затем его составляющих (подсистем, сборочных единиц, деталей и их элементов). При этом следует обращать внимание на одинаковые функции, выполняемые однотипными составными частями.
5. Функциональный анализ следует проводить не только на основе детального изучения сформулированных и зафиксированных в технической документации требований, но и путем выявления дополнительных функций, в которых нуждается или будет нуждаться потребитель. Источником выявления перспективных требований может служить патентная, научно-техническая, конъюнктурно-экономическая, прогнозная информация.
Часто четкая формулировка функций уже сама по себе открывает новые, неизвестные ранее возможности в конструировании, технологии, организации производства, управления, т.е. в системе проектирования в широком смысле этого слова. Большую помощь в изучении функций может оказать создание классификаторов функций по группам однотипных изделий.
Описание объекта на языке функций (функциональная модель) может быть представлено в виде графа. На верхнем уровне располагаются главные и второстепенные – функции, на следующем – основные функции объекта, на последующих – вспомогательные функции объекта и его составляющих (рис.1.19, 1.20).
| Главная функция |
| F 1 |
| Второстепенная функция |
| F2 |
| Второстепенная функция |
| F3 |
| I уровень Основные функции |
| F 11 |
| F 12 |
| II уровень Вспомогательные функции |
| F 111 |
| F 112 |
| F 121 |
| F 122 |
| III уровень Вспомогательные функции |
| F 1111 |
| F 1112 |
| F 1121 |
| F 1122 |
Рис. 4.10. Дерево декомпозиции (граф) функций
При анализе и синтезе реальных систем многие вопросы не могут быть решены без рассмотрения связей между структурой и функцией. Наложение структурной модели на функциональную дает возможность получить совмещенную модель (табл. 4.3), главное назначение которой – помочь определить лишние функции и элементы. При функционировании объекта происходят различные преобразования входов в выходные действия, определяемые различным набором параметров. Функционирование системы проявляется в ее переходе от одного параметра к другому, в изменении значения параметров или в сохранении этих значений в течение некоторого промежутка времени.
Любая техническая система состоит из отдельных составных частей (подсистем), имеющих определенные свойства набор функциональных связей между ними. Как каждая система, объект техники может быть охарактеризован с качественной и количественной стороны.
| Преобразование частоты вращения |
| Фиксация шестерен |
| Передача вращения |
| Стопорение шестерен |
| Держать детали |
| Предохранять детали от загрязнения |
Рис. 4.11. Функциональная модель коробки передач
Таблица 4.3
Фрагмент функционально-структурной модели
| Материальный | Функции | ||||||||
| F 1 | |||||||||
| Наименование детали | Шифр | F 11 | F 12 | ||||||
| F 111 | F 112 | F 121 | F 122 | ||||||
| F 1111 | F 1112 | F 1121 | F 1122 | F 1211 | F 1212 | F 1221 | F 1222 | ||
| Крышка | 01 | + | + | ||||||
| Корпус | 08 | + | + | ||||||
| Золотник | 12 | + | + | + | + | ||||
| Диск верхний | 16 | + | + | ||||||
Информационное описание
К информационным аспектам системы относятся: цели, информационные потоки, сведения об управлении, организации и др., а также теоретические научные знания, эмпирические сведения, базы данных, мнения экспертов и т.д.
Главное – установить источники и направления передачи всей информации в системе, выявить основную, описать избыточную, собрать необходимую информацию для принятия решения.
Это позволяет отразить главные свойства системы.
4.2.1.6. Прямые, косвенные и обратные связи в системе. Структура системного модуля.
В соответствии с современными системными воззрениями связи в системе определяются взаимодействием так называемых системных модулей, которые являются носителями всей информации о структуре, составе системы и связей как внутри, так и вне системы. Для построения структуры системы необходимо исходить из того, что элементами системы являются системные объекты, их свойства и связи. Системные объекты – это отдельные модули, содержащие вход, процесс, выход, обратную связь и ограничение. Процесс обладает тем свойством, что он переводит вход и выход. Эта связь в системе называется прямой. Связь определяет порядок следования процессов. В любой системе в целом или подсистеме имеется основной процесс, процесс обратной связи и процесс ограничений. Обратная связь воздействует на вход процесса для сближения желательного и реального выхода. Желательный выход определяется заказчиком (потребителем) системы. Ограничение системы отражается моделью выхода. Ограничение содержит цель функционирования системы и принуждающие связи (см. практическое занятие №2 и №3).
Связи могут быть 1-го, 2-го и 3-го порядка. Связи 1-го порядка – это функционально необходимые. Связи 2-го порядка – это дополнительные, косвенные, они улучшают действие системы, но не являются функционально необходимыми. Они обеспечивают корпоративное действие, увеличивают общий эффект до величины большей, чем сумма эффектов независимых действий. Связи 3-го порядка – это излишние или противоречивые связи.
Особое значение в каждой системе имеют обратные связи. Обратная связь – это функция системы или подсистемы, сравнивающей выход с критерием. Целью обратной связи является управление, контроль состояния системы. Необходимое действие системы поддерживается путем устранения различия между выходом и критерием.
4.2.1.7. Виды и свойства систем.
В зависимости от решаемой задачи системы разделяют на классы по различным признакам. Классификация систем способствует выбору соответствующих приемов и методов системного анализа или методов формализованного представления систем, наиболее подходящих для соответствующего класса при решении практических задач.
Наиболее общая классификация делит системы на абстрактные и материальные. Материальные, в свою очередь, делятся на естественные (совокупность объектов природы) и искусственные (технические, информационные, организационно-экономические и т.п.). Абстрактные системы подразделяются на описательные (логические) и символические (математические).
Существуют классификации систем по виду отображаемого объекта (устройство, вещество, способ), по виду научного направления (технические, химические и др.), по виду выбранного формализованного аппарата представления системы (матрицы, графы, уравнения и др.), по сложности (простые, сложные, большие), по степени организованности (детерминированные, стохастические) и др. Общая классификация систем по В.Д. Могилевскому [5] дана на рис. 4.12.
Свойства систем различаются в зависимости от их вида и области существования. Области существования можно классифицировать, исходя из следующих условий: являются системы живыми или неживыми, абстрактными или конкретными, открытыми или замкнутыми; обладают высокой или низкой степенью энтропии (или неопределенности); являются системы простыми организованными, сложными неорганизованными или сложными организованными; являются ли они целенаправленными; существует ли в них обратная связь; иерархически упорядочены системы или нет. Ни одна система не является абсолютно замкнутой.
Основные свойства систем сводятся к следующему.
Целостность. Комплекс объектов (какова бы ни была их природа), рассматриваемых в качестве системы, представляет собой некоторое единство, целостность, обладающую общими свойствами и поведением (эмерджентность).
Делимость. Целостный объект всегда рассматривается в качестве объекта, состоящего из элементов.
Изолированность. Комплекс объектов, образующих систему, и связи между ними можно отграничить от окружения и рассматривать изолированно.
Относительность изолированности. Изолированность системы является относительной, поскольку учитывается воздействие наблюдателя и среды на объект и его обратное воздействие через элементы, являющиеся входами и выходами.
Разнообразие (множественность). Каждый элемент системы обладает собственным поведением и состоянием, отличным от поведения и состояния других элементов и системы в целом.
Наблюдаемость. Все, без исключения, входы и выходы системы либо контролируемы, либо, по крайней мере, наблюдаемы.
Неопределенность. Наблюдатель не может одновременно фиксировать все свойства и отношения элементов системы и именно с целью их выявления осуществляет исследование.
Отображаемость. Язык наблюдателя имеет достаточно общих элементов с естественным языком исследуемого объекта и может отобразить все те свойства и отношения, которые нужны для решения задач.
Нетождественностьотображения. Знаковая система наблюдателя отлична от знаковой системы проявления свойств объектов и их отношений; неизбежная при этом потеря информации определяет нетождественность отображения системы исследуемому объекту.
| Природные системы |
| Вселенная |
| Планетарная система |
| Система земной поверхности |
| Водная система |
| Атмосферная система |
| Биологические системы |
| ДУХОВНЫЕ системы |
| Системы наук |
| Философские системы |
| Религиозные системы |
| Системы искусства |
| Организационные системы |
| ТЕХНОЛОГИЧЕСкИЕ системы |
| Производственные системы |
| Энергетические системы |
| Информационные системы |
| Транспортные системы |
| Финансовая система |
Рис. 4.12. Общая классификация систем по В.Д. Могилевскому
4.2.1.8. Динамические модели систем.
Модели, которые рассматривались выше, являются как бы фотографиями систем. Они могут быть названы статическими.
Следующий этап в исследовании систем, состоит в том, чтобы понять, как система работает, что происходит с ней и окружающей средой в ходе реализации поставленной цели. При этом подход к описанию модели должен быть другой: оно должно отражать поведение системы, происходящие со временем изменения, последовательность этапов, операций, действий.
Системы, в которых происходят изменения со временем, называются динамическими. Различают два типа динамики: функционирование и развитие.
Под функционированием понимают процессы, которые происходят в системе и окружающей среде, стабильно реализующей фиксированную цель (часы, городской транспорт, канцелярия, станок и т.п.). Развитием называют то, что происходит с системой при изменении ее целей. При развитии существующая структура перестает отвечать новой цели, для обеспечения новой функции приходится изменять структуру, а иногда и состав системы.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 431; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!