Базовые понятия системного подхода 7 страница

Убедившись в аналогичности двух объектов, предполагают, что функции, свойства одного объекта присущи другому объекту, для которых они не установлены. Метод аналогий состоит в том, что изучает один объект - модель, а выводы переносятся на другой - ориги­нал. Иначе говоря, аналогия - вывод от модели к оригиналу.

Модель является своего рода инструментом исследования систем и позволяет на основе изменения исходных предположений прогнозировать поведение системы. Кроме того, модель представляет собой средство упрощения объекта и его изучения, поскольку позволяет исследовать систему с точки зрения ее существенных характеристик, абстрагиру­ясь от побочных влияний среды.

Среди методов упрощения, осуществляемых в процессе моделирования, можно назвать:

• исключение из рассмотрения ряда переменных - как исключение несущественных, так и за счет агрегирования переменных;

• изменение природы переменных - как за счет рассмотрения переменных в качестве констант, так и за счет рассмотрения дискретных величин как непрерывных;

• изменение характера связи между элементами (замены нелинейных зависимостей на линейные);

• изменение ограничений - как путем снятия ограничений, так и за счет введения новых.

Любая модель строится на основе некоторых теоретических принципов и реализуется определенными инструментальными средствами прикладных наук.

В теории систем широко используются специальные методы моделирования, которые применяются в прикладной информатике. К ним относятся:

•   имитационное динамическое моделирование, использующее методы статистики и специальный язык программирования взаимодействия структурных элементов;

• ситуативное моделирование, использующее методы теории множеств, теории алго­ритмов, математической логики (Булевой алгебры) и специальный язык анализа проблем­ных ситуаций;

• информационное моделирование, использующее математические методы теории информационного поля и теории информационных цепей.

Модели классифицируют по различным признакам. Приведем некоторые примеры. Графическая модель - объект, геометрически подобный оригиналу (географическая карта).

Геометрическая модель - объект, подобный оригиналу по форме (слепок). Функциональная модель - объект, отображающий поведение оригинала (любая дей­ствующая модель).

Символическая модель - выражается с помощью абстрактных символов (программа для ЭВМ).

Статистическая модель - описывает взаимосвязи между элементами, имеющие слу­чайный характер (схема Бернулли).

Описательная (дескриптивная) модель - словесное описание, сравнительные харак­теристики (различные определения).

Математическая модель - совокупность уравнений или неравенств, таблицы, матрицы и другие способы описания оригинала.

Примером статических моделей могут служить деньги (модель стоимости), фотогра­фия (модель конкретного объекта) или топографическая карта местности; динамических моделей - процесс обтекания модели самолета в аэродинамической трубе на различных режимах полета или демонстрация видеоролика, зафиксировавшего технологический про­цесс изготовления какого-либо продукта. Можно выделить абстрактные модели (образы, приходящие в сознание человека во сне), знаковые (математические модели) и т. д.

Кроме того, строятся смешанные модели. А. С. Малин и В. И. Мухин, рассматривая формы научного исследования, дают следующую классификацию моделей (табл. 4.1) [37].

Таблица 4.1 - Классификация моделей

Основание классификации	Наименование классов моделей
Время	Статические — все зависимости отнесены код-ному моменту времени и не меняются во времени в период санкционирования модели. Динамические — описывают систему управления во времени
Неопределенность	Вероятностные — на выходе имеют неоднознач­ные величины параметров. Детерминированные — такие модели, в которых для определенных совокупностей входных значе­ний параметров на выходе системы может быть получен единственный результат
Непрерывность модели­руемых процессов	Непрерывные — не содержат дискретных ве­личин, т. е. выражаются дифференциальными и интегральными уравнениями. Дискретные — все переменные в таких моделях выражены дискретными величинами
Тип связи между моде­лируемыми элементами объекта	Линейные — отображают состояние или функ­ционирование системы таким образом, чтобы все взаимозависимости в ней принимались линейными. Нелинейные — взаимозависимости в таких моде­лях выражаются нелинейными функциями
Способ представления моделей	Абстрактные — отражают предварительные, при­ближенные представления о системе управления. Физические — отражают материальные, вещественные, макетные модели и построены точно в соответствии со структурой системы управления

 

Поскольку различия между моделью и реальностью неизбежны, существует предел истинности: истинное, условно истинное и предполагаемое. Модель всегда беднее оригинала.

Если рассматривать определение как языковую модель системы, то следует понимать, что различие целей и требований к модели приводят к различным определениям (вербаль­ным моделям).

Приведем несколько определений.

Система есть средство достижения цели.

Цель - это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему.

Проблема представляет собой неудовлетворительное состояние системы. То есть в том случае, когда возникает проблема, то из окружающей среды необходимо выбрать отдельные объекты, свойства которых можно использовать для достижения цели (решения возникшей проблемы), и так их объединить между собой, чтобы они решили проблему.

Простейший пример: когда нас мучит жажда, то мы из внешней среды берем один объект (стакан) и определенным образом его соединяем с другим объектом внешней среды (водой) - в результате получаем систему, обеспечивающую достижение поставленной цели (способную решить нашу проблему - утолить жажду).

 

 

4.2. Модель «Черного ящика»

 

Определение системы, приведенное выше, довольно абстрактно и ничего не говорит о внутреннем устройстве системы, а также о связях с внешней средой.

Тем не менее в теории, да и в практике часто бывает достаточно иметь только часть информации об объекте. Например, когда мы не знаем текущего цифрового значения точного времени (проблема - незнание точного времени, цель - не опоздать куда-либо), то доста­точно посмотреть на часы, не задумываясь при этом об их внутреннем устройстве и источ­нике поступления энергии для их работы.

В приведенном примере назначение часов (цель их существования) - показывать точ­ное время в произвольный момент и тем самым воздействовать на внешнюю по отношению к ним среду.

Если следовать первому определению системы, то система является средством, а сле­довательно, существуют возможности воздействовать на это средство из внешней среды (уточнять ход, снабжать энергией, наблюдать и т. д.).

Графически отмеченные взаимодействия системы с внешней средой представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Модель «черного ящика»

 

Содержимое системы в данном случае не известно (или не представляет интереса для внешней среды), но этого достаточно для решения возникшей проблемы. Например, при употреблении таблетки анальгина не обязательно знать состав самой таблетки и предста­влять механизм воздействия ее компонентов на организм, а важно то, что при этом проходит головная боль.

Другими словами, важно определить, что нужно на входе в систему и что должно быть на выходе из нее, и неважно - что находится внутри системы. Поэтому приведенную модель часто называют моделью «черного ящика».

Понятие «черный ящик» было предложено У. Р. Эшби. В кибернетике оно позволяет изучать поведение систем, т. е. их реакций на разнообразные внешние воздействия, и в то же время абстрагироваться от их внутреннего устройства. Таким образом, система изучается не как совокупность взаимосвязанных элементов, а как нечто целое, взаимодействующее со средой на своих входах и выходах. Метод «черного ящика» применим в различных ситуа­циях.

Этот способ используется при недоступности внутренних процессов системы для исследования. Например, изучение деятельности новых лекарственных средств. Метод «черного ящика» используется при исследовании систем, все элементы и связи которых в принципе доступны, но либо многочисленны и сложны, что приводит к огромным затратам времени и средств при непосредственном изучении, либо такое изучение недопустимо по каким-либо соображениям. Примерами могут служить проверка на готовность к эксплуата­ции автоматической телефонной станции, которая проводится путем «прозванивания», а не непосредственно проверкой всех блоков, схем и т. д.

Исследование с помощью метода «черного ящика» заключается в том, что осуществля­ется предварительное наблюдение за взаимодействием системы с внешней средой и уста­новление списка входных и выходных воздействий, среди которых выделяются существен­ные воздействия. Затем осуществляется выбор входов и выходов для исследования с учетом имеющихся средств воздействия на систему и средств наблюдения за ее поведением.

На следующем этапе производятся воздействие на входы системы и регистрация ее выходов. В процессе изучения наблюдатель и «черный ящик» образуют систему с обратной связью, а первичные результаты исследования - множество пар состояний входа и выхода, анализ которых позволяет установить между ними причинно-следственную связь.

В настоящее время известны два вида «черных ящиков». К первому виду относят любой «черный ящик», который может рассматриваться как автомат, называемый конечным или бесконечным. Поведение таких «черных ящиков» известно.

Ко второму виду относятся такие «черные ящики», поведение которых может быть наблюдаемо только в эксперименте. В таком случае в явной или неявной форме высказы­вается гипотеза о предсказуемости поведения «черного ящика» в вероятностном смысле. Без предварительной гипотезы невозможно любое обобщение или, как говорят, невозможно сделать индуктивное заключение на основе экспериментов с «черным ящиком».

Таким образом, «черный ящик» - это система, в которой входные и выходные вели­чины известны, а внутреннее устройство ее и процессы, происходящие в ней, не известны. Можно только изучать систему по ее входам и выходам, но подобное изучение не позволяет получить полного представления о внутреннем устройстве системы, поскольку одним и тем же поведением могут обладать различные системы.

Следует подчеркнуть, что главной причиной множественности входов и выходов модели «черного ящика» является то, что всякая реальная система, как и любой объект, вза­имодействует с объектами внешней среды неограниченное число раз и по разному поводу. Пример с часами можно дополнить такой информацией: часы могут иметь различные «выходы» во внешнюю среду - удобство ношения, прочность, гигиеничность, точность, кра­сота, габариты и т. д.

 

4.3. Модель состава

 

Как определить внутреннее устройство «черного ящика», когда это необходимо?

Целостность и обособленность как внутренние свойства системы тем не менее позво­ляют различать ее составные части, которые в свою очередь (в зависимости от постановки проблемы) могут быть представленными составными частями и элементами.

Элементы - это те части, которые рассматриваются как неделимые. Система разделя­ется на элементы различными способами в зависимости от формулировки задачи, цели и конкретизации в процессе анализа. Иногда изменяют принцип разбиения, выделяя другие элементы.

Части системы, состоящие более чем из одного элемента, назовем подсистемами. Деле­ние на подсистемы выявляет взаимозависимые элементы с относительно обособленными функциями-подцелями, способствующими достижению общей цели системы. В любом слу­чае, когда речь идет о подсистеме, имеют в виду, что выделенная совокупность сохраняет целостность системы, в отличие от группы элементов, для которых это свойство может не выполняться.

Таким образом, нетрудно представить себе модель состава системы. Например, наруч­ные часы:

• браслет, состоящий из звеньев, защелки, элементов крепления к корпусу часов;

• часы, состоящие из часового механизма, корпуса, крышки и стекла.

• Графическая модель модели состава системы представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Модель состава

 

Простейшими моделями состава являются всевозможные классификаторы и неупоря­доченные перечни составных частей какой-либо системы.

4.4. Модель структуры

 

Структурой системы называется совокупность необходимых и достаточных для дости­жения цели отношений между элементами. В то же время под структурой понимают образ, некоторый рисунок явления или объекта, поэтому говорят, что структура отражает законо­мерную картину связей элементов системы. Другими словами, структура есть множество элементов, которые взаимодействуют между собой в определенном порядке для осуществле­ния функций системы. Структура определяет организованность системы, упорядоченность ее элементов и связей.

Как следует из определения структуры, в большей степени речь идет о связях между составными частями системы. Очевидно, что о связях между элементами системы можно говорить только после того, как определена модель состава системы, т. е. после того, как рассмотрены сами элементы.

Между реальными частями любой системы имеется невообразимое (может быть, бес­конечное) количество отношений в силу бесконечности самой природы. Однако, когда мы рассматриваем некоторую совокупность объектов (частей) как систему, то из всех отноше­ний важными, т. е. существенными, для достижения цели являются только некоторые из них. Точнее, в модель структуры системы мы включаем только конечное число связей, которые, по нашему мнению, существенны по отношению к рассматриваемой цели.

Связь - совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других эле­ментов системы. Установить связь между двумя элементами - значит, выявить наличие зави­симостей их свойств.

Взаимодействие - совокупность взаимосвязей и взаимоотношений между свойствами элементов, когда они приобретают характер взаимодействия друг с другом.

В философии учение о связях - основное понятие при описании явлений и процессов в виде универсального и связанного целого. Связи фигурируют в законах причинности, един­ства и борьбы противоположностей, содержания и формы, сущности и явления.

Связь как понятие, входящее в любое определение системы, характеризует возникно­вение и сохранение целостностных свойств системы, она отражает как строение, так и пра­вила функционирования системы.

Связи классифицируют по направленности (направленные и ненаправленные), по параметрам силы (сильные и слабые), по виду управления (подчинения и равноправные связи управления), по месту приложения (внутренние и внешние), по порядку действия (пря­мые и обратные).

Большое значение для организаций имеют такие типы связей, как: рекурсивная, т. е. причинно-следственная (связь между производительностью труда и заработной платой);

синергическая в виде кооперативного усиления некоторого явления от совместного действия элементов, приводящая к результату, превышающему суммарный вклад изолиро­ванных элементов системы (управленческая команда единомышленников);

циклическая в виде разновидности обратной связи (связи цикла принятия решений, например: проблема - цели - критерии достижения целей - генерирование альтернатив -выбор решения - реализация решения - проблема).

Таким образом, структура системы - это совокупность элементов системы и связей между ними в виде множества.

Графическая модель модели структуры приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Модель структурной схемы

 

Структурные отображения систем являются универсальными средствами их исследо­вания и во многих случаях помогают раскрыть неопределенность.

Например, обычный слесарный молоток представляет собой определенным образом связанную рукоятку и боек. Существенными в данном случае будут отношения между руко­яткой и бойком, обеспечивающие прочность (целостность) системы в процессе ее функци­онирования. При этом несущественным является то, из какого материала сделана рукоятка (металл, древесина или армированная пластмасса).

 

4.5. Модель структурной схемы

 

Если систему представить тремя указанными выше моделями, то мы будем иметь пред­ставление о том:

• что поступает в систему из внешней среды и что система передает во внешнюю среду;

• из каких частей и элементов состоит система;

• как части системы между собой связаны.

Существует и четвертая модель, которая объединяет три рассмотренные модели, носит название «структурная схема» и изображена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Модель структурной схемы

 

Подобную модель еще называют «белым, или прозрачным, ящиком» как противоположность модели «черного ящика», которая не дает информации о содержании системы и ее внутренних связях.

Таким образом, можно сформулировать второе определение системы. Система есть совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как нечто целое.

Анализ моделей структурной схемы различных систем привел математиков к выводу о том, что общим для всех структурных схем является наличие элементов и связей между ними. В результате получилась схема, в которой обозначается только наличие элементов и связей между ними, а также разница между элементами и связями. Такая схема называется графом.

В теории систем управления используются графы, имеющие линейную (а), древовид­ную (б), матричную (в) и сетевую (г) структуру (рис. 4.5).

 

Рис. 4.5. Графы, соответствующие различным структурам

 

В линейной структуре между элементами системы устанавливается линейная (после­довательная) связь.

В иерархической (древовидной) структуре, напоминающей дерево, перевернутое кор­нем вверх, отражаются связи, определяющие соподчиненность элементов, их иерархию. В теории организации иерархия определяет принципы эффективного функционирования раз­личных видов систем. Иерархические структуры являются декомпозицией системы в про­странстве. В теории иерархических структур выделяют особые классы многоуровневых иерархий. Они называются стратами, слоями или эшелонами. Такие иерархии обладают раз­личными принципами взаимоотношений элементов в пределах уровня и приоритетом вме­шательства высшего во взаимоотношения элементов нижележащего уровня.

Матричная структура не имеет иерархической направленности, а представляет собой в общем виде связи между элементами в виде сочетания строк и столбцов.

Сетевая структура есть представление (декомпозиция) сложной структуры во времени. Она включает вершины, пути и ребра. Сетевые элементы могут располагаться параллельно и последовательно. Они чаще всего бывают однонаправленными.

 

4.6. Классификация систем

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 217; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!