Подсистема в системном анализе

Структура системного анализа

Общий подход к решению проблем может быть представлен как цикл (рис. 4.8). При этом в процессе функционирования реальной системы выявляется проблема практики как несоответствие существующего положения дел требуемому. Для решения проблемы проводится системное исследование (декомпозиция, анализ и синтез) системы, снимающее проблему. В ходе синтеза осуществляется оценка анализируемой и синтезируемой систем. Реализация синтезированной системы в виде предлагаемой физической системы позволяет провести оценку степени снятия проблемы практики и принять решение на функционирование модернизированной (новой) реальной системы.

При таком представлении становится очевидным еще один аспект определения системы: система есть средство решения проблем. Основные задачи системного анализа могут быть представлены в виде трехуровневого дерева функций (рис. 4.9).

На этапе декомпозиции, обеспечивающем общее представление системы, осуществляются:

1. Определение и декомпозиция общей цели исследования и основной функции системы как ограничение траектории в пространстве состояний системы или в области допустимых ситуаций. Наиболее часто декомпозиция проводится путем построения дерева целей и дерева функций.

2. Выделение системы из среды (разделение на систему и «несистему») по критерию участия каждого рассматриваемого элемента в процессе, приводящем к результату на основе рассмотрения системы как составной части надсистемы.

3. Описание воздействующих факторов.

4. Описание тенденций развития, неопределенностей разного рода.

5. Описание системы как «черного ящика».

6. Функциональная (по функциям), компонентная (по виду элементов) и структурная (по виду отношений между элементами) декомпозиции системы.

Глубина декомпозиции системы ограничивается. Декомпозиция должна прекращаться, если необходимо изменить уровень абстракции – представить элемент как подсистему. Если при декомпозиции системы выясняется, что модель начинает описывать внутренний алгоритм функционирования элемента вместо закона его функционирования в виде «черного ящика», то в этом случае произошло изменение уровня абстракции. Это означает выход за пределы цели исследования системы и, следовательно, вызывает прекращение декомпозиции.

В автоматизированных методиках типичной является декомпозиция модели на глубину 5-6 уровней. На такую глубину декомпозируется обычно одна из подсистем. Функции, которые требуют такого уровня детализации, часто очень важны, и их детальное описание дает ключ к секретам работы всей системы.

Рис. 4.8.Общий подход к решению проблем

В общей теории систем доказано, что большинство систем могут быть декомпозированы на базовые представления подсистем.

К ним относятся:

· последовательное (каскадное) соединение элементов;

· параллельное соединение элементов;

· соединение с помощью обратной связи.

Проблема проведения декомпозиции состоит в том, что в сложных системах отсутствует однозначное соответствие между законом функционирования подсистем и алгоритмом, его реализующим. Поэтому осуществляется формирование нескольких вариантов (или одного варианта, если система отображена в виде иерархической структуры) декомпозиции системы.

Рис. 4.9.Дерево функций системного анализа

Наиболее применяемые стратегии декомпозиции.

1. Функциональная декомпозиция. Декомпозиция базируется на анализе функций системы. При этом ставится вопрос, что делает система, независимо от того, как она работает. Основанием разбиения на функциональные подсистемы служит общность функций, выполняемых группами элементов.

2. Декомпозиция по жизненному циклу. Признак выделения подсистем — изменение закона функционирования подсистем на разных этапах цикла существования системы «от рождения до гибели». Рекомендуется применять эту стратегию, когда целью системы является оптимизация процессов и когда можно определить последовательные стадии преобразования входов в выходы.

3. Декомпозиция по физическому процессу. Признак выделения подсистем – шаги выполнения алгоритма функционирования подсистемы, стадии смены состояний. Хотя эта стратегия полезна при описании существующих процессов, результатом ее часто может стать слишком последовательное описание системы, которое не будет в полной мере учитывать ограничения, диктуемые функциями друг другу. При этом может оказаться скрытой последовательность управления. Применять эту стратегию следует, только если целью модели является описание физического процесса как такового.

4. Декомпозиция по подсистемам (структурная декомпозиция). Признак выделения подсистем — сильная связь между элементами по одному из типов отношений (связей), существующих в системе (информационных, логических, иерархических, энергетических и т.п.). Силу связи, например, по информации можно оценить коэффициентом информационной взаимосвязи подсистем , где – количество взаимоиспользуемых информационных массивов в подсистемах, – общее количество информационных массивов. Для описания всей системы должна быть построена составная модель, объединяющая все отдельные модели. Рекомендуется использовать разложение на подсистемы, только когда такое разделение на основные части системы не изменяется. Нестабильность границ подсистем быстро обесценит как отдельные модели, так и их объединение.

На этапе анализа, обеспечивающем формирование детального представления системы, осуществляются:

1. Функционально-структурный анализ существующей системы, позволяющий сформулировать требования к создаваемой системе. Он включает уточнение состава и законов функционирования элементов, алгоритмов функционирования и взаимовлияний подсистем, разделение управляемых и неуправляемых характеристик, задание пространства состояний Z, задание параметрического пространства Т, в котором задано поведение системы, анализ целостности и формулирование требований к создаваемой системе.

2. Морфологический анализ – анализ взаимосвязи компонентов.

3. Генетический анализ – анализ предыстории, причин развития ситуации, имеющихся тенденций, построение прогнозов.

4. Анализ аналогов.

5. Анализ эффективности (по результативности, ресурсоемкости, оперативности). Он включает выбор шкалы измерения, формирование показателей эффективности, обоснование и формирование критериев эффективности, непосредственно оценивание и анализ полученных оценок.

6. Формирование требований к создаваемой системе, включая выбор критериев оценки и ограничений.

На этапе синтеза системы осуществляются:

1. Разработка модели требуемой системы (выбор математического аппарата, моделирование, оценка модели по критериям адекватности, простоты, соответствия между точностью и сложностью, баланса погрешностей, многовариантности реализаций, блочности построения).

2. Синтез альтернативных структур системы, снимающей проблему.

3. Синтез параметров системы, снимающей проблему.

4. Оценивание вариантов синтезированной системы (обоснование схемы оценивания, реализация модели, проведение эксперимента по оценке, обработка результатов оценивания, анализ результатов, выбор наилучшего варианта).

Основные определения системного анализа

Системный анализ – методология решения проблем, основанная на структуризации и количественном сравнении альтернатив.

Системный анализ – логически связанная совокупность теоретических и эмпирических положений из области математики, естественных наук и опыта разработчика сложных систем, обеспечивающих повышение обусловленности решения конкретных проблем.

Проблема – несоответствие между существующим и требуемым (целевым) состоянием системы при данном состоянии среды в рассматриваемый момент времени.

В системном анализе используются:

· математический аппарат теории систем

· методы математической логики

· теория принятия решений

· теория оценки эффективности

· теория нечётных множеств

· методы искусственного интеллекта

Применение системного анализа даёт возможность не упустить из рассмотрения важные стороны изучаемого объекта или процесса. Иногда говорят, что системный анализ – это методика улучшающего воздействия на систему.

Входные сигналы, воздействия внешней среды и управляющие воздействия являются независимыми переменными, поэтому при строгом подходе изменение любой из этих переменных влечёт за собой изменение состава элемента системы.

Среда – множество объектов вне данного элемента (системы), которые оказывают влияние на элемент (систему) и сами находятся под воздействием этого элемента (системы).

Подсистема – часть системы, выделенная по определённому признаку, обладающая некоторой самостоятельностью и допускающая разделение на элементы в рамках данного рассмотрения.

Характеристика – то, что отражает некоторые свойства элемента системы; для задания характеристики надо указать её имя и область допустимых значений. Область допустимых значений задается перечислением или функционально. Характеристики делятся на количественные и качественные. Количественные характеристики называют параметрами. В литературе понятия «параметр» и «характеристика» часто отождествляются.

Свойство – какая-либо сторона объекта, обуславливающая его отличие или сходство с ним и проявляющаяся при взаимодействии с ним. Таким образом, характеристики элемента являются зависимыми переменными и отражают свойства элемента. Свойства могут быть внешние и внутренние. Внешние свойства проявляются в форме выходных характеристик , только при взаимодействии с внешними объектами. А внутренние свойства проявляются в форме переменных состояния при взаимодействии с внутренними элементами рассматриваемой системы и являются причиной внешних свойств. Одна из основных целей системного анализа – выявление внутренних свойств системы, определяющих её поведения. По структуре свойства делятся на простые и сложные (интегральные). Простые внешние свойства доступны непосредственному наблюдению, внутренние же свойства конструируются нашим сознанием логически и наблюдению недоступны. В формализованном виде свойства могут быть представлены так же и в виде закона функционирования элемента.

Читать еще: Основные приемы анализа

Законом функционирования , описывающим процесс функционирования элемента системы во времени, называется зависимость . Оператор преобразует независимые переменные в зависимые и отражает поведение элемента (системы) во времени, т.е. процесс изменения состоянии элемента (системы), оцениваемый по степени достижения цели его функционирования. Понятие поведения принято относить только к целенаправленным системам и оценивать по показателям.

Цель – ситуация или область ситуаций, которая должна быть достигнута при функционировании системы за определённый промежуток времени. Цель может задаваться требованиями к показателям результативности, ресурсоёмкости, оперативности функционирования системы либо к траектории достижения заданного результата. Как правило, цели для системы определяется старшей системой, а именно в той, в которой рассматриваемая система является элементом.

Показатель – характеристика, отражающая качество системы или целевую направленность процесса (операции), реализуемого системой: . Показатели делятся на частные показатели качества (эффективности) системы , которые отражают существующие свойства системы, и обобщённые показатели качества (эффективности) системы. Различия между показателями качества и эффективности заключаются в том, что показатель эффективности характеризует процесс (алгоритм) и эффект от функционирования системы, а показатели качества – пригодность системы для использования её по назначению.

Связи – отношения между элементами (обмен, взаимодействие). Выделяют внутренние и внешние связи. Внешние связи – это связи системы с внешней средой. Они проявляются в виде характерных свойств системы. Определение внешних связей позволяет отделить систему от окружающего мира и является необходимым начальным этапом исследования.

В ряде случаев считается достаточным ограничить исследование всей системы установкой законов её функционирования. При этом систему отождествляют с функцией и представляют в виде чёрного ящика. Однако в задачах анализа обычно требуется выяснить, какими внутренними связями обусловлены интересующие исследователя свойства системы. Поэтому основным содержанием системного анализа является определение структурных, функциональных, каузальных (причинных), информационных и пространственно-временных внутренних связей системы. Выделение связей разных видов наряду с выделением элементов является важным этапом системного анализа и позволяет судить о сложности системы.

Алгоритм функционирования – метод получения выходных характеристик с учётом входных воздействий , управляющих воздействий и воздействий среды . По сути, алгоритм функционирования раскрывает механизм проявления внутренних свойств системы, определяемых её поведением в соответствии с законом функционирования. Один и тот же закон функционирования элемента системы может быть реализован различными способами, т.е. с помощью различных алгоритмов функционирования . Наличие выбора алгоритма приводит к тому, что системы с одними и теми же законами функционирования обладают разными качествами и эффективностью процесса функционирования.

Качество – это совокупность существующих свойств объекта, обуславливающих его пригодность использования по назначению. Оценка качества может производиться по одному интегральному свойству, выраженному через обобщённый показатель качества системы.

Процесс – совокупность состояний системы , упорядоченных по изменению какого-либо параметра , определяющего свойства системы (как правило, время). В общем случае время в модели системы на интервале от до можно рассматривать как непрерывное или как дискретное, т.е. квантованное на отрезки длиной временных единиц каждый, . Здесь – число интервалов дискретизации.

Эффективность процесса – степень его приспособленности к достижению цели. Принято различать эффективность процесса, реализуемого системой, и качество системы. Эффективность проявляется только при функционировании и зависит от свойств самой системы, способа её применения и от воздействий внешней среды.

Критерий эффективности – это обобщённый показатель и правило выбора лучшей системы (лучшего решения). Например, . Если решение выбирается по качественной характеристике, то критерий называется решающим правилом.

Состояние системы – множество значений, характеризующих систему в данный момент времени.

Структура – совокупность элементов, образующих систему, и связей между ними. Изменяя связи при сохранении элементов, можно получить другую систему, обладающую новыми свойствами или реализующую другой закон функционирования. Пример: параллельное и последовательное соединение проводников.

Ситуация – совокупность состояний системы и среды в один и тот же момент времени.

Модели сложных систем

Под моделированием понимают процесс исследования реальной системы, включающий построение модели, изучение её свойств и перенос полученных знаний на моделируемую систему. Общими функциями моделирования являются: описание, объяснение, прогнозирование поведения реальной системы.

Модель – это объект, который имеет сходство в некоторых отношениях с прототипом и служит средством описания, объяснения, прогнозирования поведения прототипа. Сложные системы характеризуются выполняемыми процессами (функциями), структурой и поведением во времени, поэтому различают следующие виды моделей:

1. Функциональная модель системы – описывает совокупность выполняемых системой функций, характер морфологии системы, её построение (состав функциональных подсистем и их взаимосвязи).

2. Информационная модель – отражает отношения между элементами системы в виде структур данных (состав и взаимосвязи).

3. Поведенческая (событийная) модель – описывает информационные процессы (динамику функционирования); в ней фигурируют такие категории, как состояния системы, события, переход системы из одного состояния в другое, условия перехода, последовательность событий.

Существуют различные классификации моделей и систем. Важное место в них занимают математические модели, которые описывают систему с использованием уравнений, неравенств и т. п.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ;

Основы системного анализа были впервые разработаны американской корпорацией “REND” в 1948 году для оптимизации задач военного управления.

Понятие системного анализа включает несколько аспектов:

1. Научная дисциплина, разрабатывающая общие принципы исследования сложных объектов объектов с учётом их системного характера.

2. Методология исследования объектов посредством их представления в качестве систем и анализа этих систем.

Системный анализ является высокоэффективным средством решения сложных, чаще всего недостаточно четко структурированных проблем в различных областях человеческой деятельности, в том числе, и в области управления. При этом любой объект рассматривается как система взаимосвязанных подсистем и элементов, их свойств и качеств. Системный анализ сводится к уточнению сложной проблемы, ее структуризации в серию задач, решаемых с помощью различных методов, нахождению критериев их решения, детализации целей, конструированию эффективной организации для достижения целей. Системный анализ представляет собой определённое искусство, требующее как большого объёма самых разносторонних знаний, так и специальной подготовки.

Главное назначение системного анализа – это представление сущности проблем, стоящих перед руководителями, по возможности в более простом и доступном для понимания виде, не предлагая при этом окончательных решений. Чрезвычайно важным является также получение количественных характеристик преимуществ и недостатков возможных вариантов решения для того, чтобы иметь возможность выбрать наилучший из них.

Основными этапами системного анализа можно назвать следующие:

а) постановка задачи — определение объекта исследования, формулирование и выбор целей, разработка и определение критериев для изучения объекта и управления им;

б) выделение системы, подлежащей изучению, и ее структуризация;

в) составление модели (математической, физической, вербальной и т.п.), выделение существенных воздействующих факторов, их описание и количественная оценка полученных параметров, установление зависимостей между параметрами, описание системы путем выделения подсистем и определение их иерархии, окончательная фиксация целей и критериев [ 10 ].

Системный анализ — это бурно развивающееся в настоящее время научное направление, которое является одним из наиболее мощных средств решения прикладных проблем в науке о природе, технике, биологии, социальной сфере и др.

Читать еще: Объекты микроэкономического анализа

Один из известных отечественных “системщиков” В.И.Садовский пишет: “Исторически системный анализ является дальнейшим развитием исследования операций и системотехники, имевших шумный успех в 50-60 годы. Как и его предшественники, системный анализ (или анализ систем) – это прежде всего определенный тип научно- технической деятельности, необходимой для исследования и конструирования сложных и сверхсложных объектов… В таком понимании системный анализ — это особый тип научно-технического искусства, приводящего в руках опытного мастера к значительным результатам и практически бесполезного при его чисто механическом, нетворческом применении” [ 13 ].

По мнению Ю.М. Плотинского: “Системный анализ занимается не только изучением какого-либо объекта (явления, процесса, но главным образом исследованием связанной с ним проблемной ситуации, т.е. постановкой задачи”. Вместе с тем он отмечает, что системный анализ в настоящее время испытывает потребность в расширении собственных методов исследования, а не заимствования вместе с конкретными приложениями из прикладной математики, кибернетики, исследования операций [ 11 ].

3.3.1. Основные понятия системного анализа.

Ключевым понятием системного анализа является понятие “система”.

Слово “система” греческого происхождения означает целое, составленное из частей, соединение. В русском языке это слово широко распространено и имеет множество значений. Это и порядок в работе, и форма, способ устройства чего-либо, и техническое устройство, и общественный строй, и совокупность хозяйственных единиц и т.п.

В связи с тем, что системные представления, системное мышление начали развиваться совсем недавно, идет процесс осознания, определения систем, системного подхода, системного анализа и нахождения путей использования их на практике.

Предложено множество определений понятия системы. Например, “Системой является все, что мы хотим рассматривать как систему” [ 10 ].

Р.Акофф рассматривает систему как целое, определяемое одной или несколькими основными функциями, где под функцией понимается “миссия”, назначение системы.

Одно из многочисленных определений гласит, что система представляет собой комплекс связанных между собой или взаимозависимых объектов, которые образуют сложное единство, целое, состоящее из частей, расположенных упорядоченно в соответствии с какой-то схемой или планом.

Можно принять следующее рабочее определение: Система — множество связанных между собой определёнными отношениями объектов (предметов, явлений, принципов, взглядов, знаний и т.п.), представляющих собой некое целостное образование, единство.

Системой может быть также упорядоченное собрание информационных данных (например, банки данных), фактов, законодательных актов, доктрин и т.п.

Под объектом понимается часть мира, выделяемая в виде единого целого в течение определённого отрезка времени. Объекты могут быть материальными и абстрактными, естественными или созданными людьми.

Большинство объектов обладает бесконечным числом свойств, любое из которых можно изучать. Однако полностью изучить никакой объект невозможно. Поэтому рекомендуется отобрать небольшое число характеристик, которые достаточно полно описывают данный объект. При этом, вероятно можно использовать принцип Парето 20:80, т.е. не учитывать большую часть информации не имеющей большого значения. После этого необходимо определить процедуру измерения каждого свойства.

Внешняя (окружающая среда) представляет собой множество объектов не входящих в систему, изменение свойств которых может влиять на состояние системы.

Любое существенное свойство, используемое для определения различий в исследованиях называют базой. Чаще всего используют три вида баз: время, пространство и группа. Выбор баз, необходимых для исследования объектов достаточно гибок, но на него накладываются определённые ограничения, которые рассматриваются как требования к базам.

1. Базы должны быть применимы ко всем свойствам системы, для которой они определены.

2. Базы должны отвечать назначению, для которого определяется данная система.

3. Наблюдения всех свойств системы должно однозначно определяться базами системы, т.е. каждый элемент базового множества (определённый момент времени, точка пространства, элемент группы или их комбинация) определяет одно и только одно проявление любого из их свойств.

С учетом выполнения перечисленных требований систему иногда определяют как множество свойств, с каждым из которых связано множество его проявлений, и множество баз, с каждой из которых связано множество её элементов.

Любая исследуемая система чаще всего рассматривается не как реальный объект, а лишь как отображение некоторых его свойств (абстрагирование).

Р.Эшби отмечал, что система – это не предмет, а список переменных.

Переменныепредставляют собой некоторые свойства (признаки) объекта, определяемые конкретной процедурой наблюдения или измерения. Каждая переменная отличается от других некоторыми величинами, которые принято называть состояниями (или значениями) переменной, а все их множество — множеством состояний.

Наблюдения одной и той же переменной различаются по значениям параметров (характеризующие базу). На основе отдельных множеств состояний или параметрических множеств могут быть определены некоторые математические отношения, характеризующие функционирование конкретной системы.

В системном анализе исследуются также обобщённые переменные и параметры, которые представляют собой абстрактные величины, т.е. не определённые через конкретные свойства и базы.

Процесс перехода от обобщённых переменных и параметров к конкретным называется их конкретизацией, а обратное отображение называют абстрагированием конкретных переменных или конкретных параметров.

Большое значение для эффективного системного анализа имеет правильный выбор канала наблюдения, т.е. какое-то физическое устройство или процедуру, позволяющую отображать конкретную переменную. Такое устройство называют измерительным прибором или инструментом, а процедура представляет собой набор команд и правил, определяющих способы использования инструмента в различных условиях. Измерительные инструменты и процедуры в значительной степени зависят от того, что они измеряют. Поэтому их правильный выбор оказывает значительное влияние на описание системы.

Системы с входными переменными, которые задаются извне, а выходные переменные, которые определяются внутри системы, называются направленными системами. Системы, у которых переменные не отвечают этим требованиям, называются нейтральными.

Основными признаками систем могут быть: множество элементов, единство главной цели для всех элементов; наличие связей между ними; целостность и единство элементов; структура и иерархичность; относительная самостоятельность, четко выраженное управление.

Подсистема — часть системы, которая представляет собой самостоятельную систему, обладающую системными свойствами, т.е. систему более низкого уровня.

Надсистема (или суперсистема) — система, включающая в себя определенное количество систем.

Элемент – неразложимый далее компонент системы.

Связь — форма взаимодействия элементов системы. С помощью связей формируются отношения, определенные для данной системы, например, связи управления и подчинения (вертикальные связи), связи равноправных отношений (горизонтальные связи), прямые и обратные.

Наиболее важными свойствами систем являются:

· система стремится сохранить свою структуру;

· система имеет потребность в управлении;

· в системе формируется сложная зависимость от свойств, входящих в нее элементов и подсистем.