4. Основные понятия системного анализа

Элемент. Под элементом понимается простейшая неделимая часть системы или предел членения системы с точки зрения решения конкретной задачи или поставленной цели. Элементами системы могут быть понятия, технические объекты, субъекты(люди), а также совокупность их свойств или отношений.

Подсистема. Система может быть расчленена на отдельные подсистемы, являющиеся частями системы, способными выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы.

Подсистема должна обладать свойствами системы и может рассматриваться как самостоятельная система нижележащего уровня иерархии по сравнению с изучаемой системой. Этим подсистема отличается от простой группы элементов, которая не объединена общей подцелью и для которой не выполняется условие целостности (такая группа носит название компоненты).

Граница. Любая реально существующая система отделена от внешней среды некоторой границей (необязательно ей принадлежащей). Граница является особой функциональной подсистемой (кожа человека, служба охраны государственной границы и т.д.). Наличие границы есть одно из необходимых условий существования системы. Границы системы определяются подсистемами, находящимися под контролем лица, принимающего решение (например «самолет-пилот»).

Внешняя среда. На первых этапах исследования важно отделить (отграничить) систему от среды, с которой взаимодействует или будет взаимодействовать система.

Внешняя среда определяется факторами, влияющими на анализируемую систему, но находящимся вне сферы влияния лица, принимающего решение (например атмосфера и система «самолет-пилот»).

С позиций системного анализа при рассмотрении сложного объекта необходимо учитывать всю совокупность внешних факторов, определяющих связь объекта с внешней средой и другими системами. Внешние факторы оказывают влияние на принятие решения при проектировании и освоении объекта и определяют функциональные и физические требования к нему.

Совокупное системное окружение обычно делится на три части: 1) физическое и техническое; 2) экономическое; 3) социальное.

Под физическим и техническим окружением понимают совокупность ограничений, связанных с физической или технической реализацией объекта. К ним относятся ограничения на тактико-технические характеристики и параметры объекта, определяющие область его функционирования, а также ограничения, определяющие физическую реализуемость проекта [10].

Физическое и техническое окружение может включать: существующие системы, методы их производства, применения, монтажа, эксплуатации, ремонта, а также прогнозы их развития; принятые технические стандарты, инструкции, технические условия; состояние технологии и природное окружение. Природное окружение состоит из огромного числа факторов, которые влияют на систему, налагают ограничения на ее конструкцию. К ним относятся: виды и запасы естественного сырья, физическая география, растительный и животный мир, климат, включающий в себя температуру, давление, влажность, солнечную радиацию, ветер, осадки, молнии и т.п.

Физические и технические факторы делятся на внутренние (внутри данной системы, организации, отрасли) и внешние. Всякий раз, когда решается вопрос о создании новой системы, проводятся исследования не только технической, но и экономической осуществимости, включающей, в том числе, организационную структуру, кадры, политику, ценообразование, коммерческие операции.

Экономическое окружение составляет всю экономическую сторону проекта - стоимость проектируемого объекта, затраты на материалы, покупные изделия, производство, экономическую эффективность и т.д.

Социальное окружение составляет такую совокупность ограничений, которые определяются социальным заказом на проектируемое изделие. Сюда следует отнести ограничения по технике безопасности, охране труда и окружающей среды, патентно-правовые ограничения и др., учитывающие как индивидуальные, так и общечеловеческие факторы.

Специфика системного анализа состоит, в первую очередь, в разделении собственно системы и среды и в относительности такого разделения. Разделение системы и среды (окружения) связывается с рассмотрением системы на том или ином иерархическом уровне. Это значит, что на каждой ступени детализации под системой понимается та часть сложного устройства, поведение которой нас интересует, а под средой - все объекты, внешние по отношению к рассматриваемой части устройства и взаимодействующие с ней.

Структура (строение, расположение, порядок). При исследовании объекта (системы) чаще всего ставится задача выяснения того, что представляет собой объект или процесс, что в нем обеспечивает выполнение поставленной цели. Техническая система представляет собой комплекс взаимосвязанных технических средств, обеспечивающих преобразование массы, энергии и информации для достижения цели. Структура определяется элементным составом и совокупностью устойчивых связей, объединяющих элементы системы; она отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и подсистемами, которые обеспечивают существование системы и ее основных свойств.

Структурная модель объекта может быть выражена графически, в виде матриц, графов, номограмм и других языков моделирования структур.

Одна и та же система может быть отображена разными структурами в зависимость от этапа представления объекта в виде системы, от аспекта представления, от цели ее создания.

В случае многоцелевых ситуаций можно построить несколько иерархических структур, соответствующих разным целям, и при этом в разных структурах могут принимать участие одни и те же компоненты. Кроме того, даже при одной и той же цели, если иерархическую структуру формируют разные исследователи, то в зависимости от их предшествующего опыта, квалификации и знания системы они могут получить разные иерархические структуры.

Связь. Это понятие входит в любое определение системы и характеризует и ее строение (статику), и функционирование (динамику). Связь можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом). По первым двум признакам можно разделить связи на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру - на связи подчинения, связи равноправные (или безразличные), связи управления. Связи можно разделить также по месту приложения - внутренние и внешние, по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах - прямые и обратные. Очень важную роль в системах играют обратные связи, хорошо знакомые всем инженерам.

Взаимодействия (обмены). Взаимные связи отдельных структурных образований устанавливаются посредством взаимодействий, которые носят всеобъемлющий обменный характер. Классическими примерами обменов могут служить процессы взаимодействия элементарных частиц, обмены электронов атомов при образовании молекул, обмены веществом и энергией в технологических системах, обмены стоимостями в экономике и т.д.

Информационная природа обменов. Само существование системы предполагает ее проявление, выделение среди других систем (т.е. рефлексию не только во внутрь, но и во вне). В этом смысле каким бы ни было по своей природе (физическим, экономическим, социальным и т.п.) взаимодействие, оно по сути своей всегда будет информационным.

Состояние. Этим понятием обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Состояние характеризуется значениями признаков системы в данный момент времени. Если обозначить элементы (компоненты, функциональные блоки и т.п.), определяющие состояние системы, через Е, и учесть, что «входы» можно разделить на управляющие Y и возмущающие X (неконтролируемые) и что «выходы» (выходные) результаты, сигналы - g зависят от E, Y и X, т.е. gt = f(Et, Yt, Xt), то в зависимости от задачи состояние может быть определено как {E,Y}, {E,Y,g} или {E,Y,X,g} [10].

Множество состояний системы может быть конечным, счетным или континуальным (непрерывная совокупность, например все точки на прямой).

Поведение. Изменение состояний системы во времени называют поведением. Когда неизвестны закономерности переходов из одного состояния в другое, это значит, что система обладает каким-то поведением и необходимо выяснить эти закономерности. Таким образом, поведение системы есть развернутая во времени последовательность реакций системы на внешнее воздействие.

Равновесие это способность системы сохранять свое состояние сколь угодно долго при отсутствии внешних возмущающих воздействий или при постоянных воздействиях.

Устойчивость - это способность системы возвращаться в состояние равновесия после выведения ее из этого состояния под влиянием внешних возмущающих воздействий. Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия.

Развитие. Процессы в системах могут протекать эволюционно, т.е. иметь тенденцию к развитию в направлении увеличения сложности, и энтропийно, т.е. иметь тенденцию к постепенному рассеянию и уменьшению степени организации. Эволюция свойственна открытым системам, имеющим вход и выход, а энтропийные процессы присущи лишь замкнутым системам.

Цель - заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека (БСЭ), одна из центральных категорий системного анализа. Цель зависит от объективных законов действительности, реальных возможностей и применяемых средств. В зависимости от стадии познания объекта, от этапа исследования в понятие «цель» вкладывают различное толкование - от идеальных устремлений до конкретных целей - результатов, достижимых в пределах некоторого интервала времени, которые иногда даже формулируются в терминах конечного продукта деятельности. Поэтому в практических исследованиях нужно прежде всего оговорить, в каком смысле на данном этапе рассмотрения системы используется понятие «цель».

Цель, вытекающая из возникшей проблемы, дает объективный критерий для отбора того, что должно войти в систему из окружающей среды. Из бесконечного мира в систему включается только конечное число элементов, которое необходимо для функционирования системы, обеспечивающей достижение цели.

Необходимо заметить, что установление цели для определения системы является сложным процессом и часто не поддается строгой формализации. Иногда в рамках рассматриваемой системы не удается установить вид целевой функции, в этом случае надо переходить к большей системе, включающей рассматриваемую как часть.

Понятие цели тесно связано с понятиями целенаправленности, целесообразности.

Критерий - мерило, точка зрения, т.е. правило (или норма), по которому отбирается те или иные средства достижения цели. В общем случае цель указывает направление действия (например, повысить качество обработки полупроводниковых пластин, повысить производительность установки флюсования), а критерий дополняет понятие цели и указывает эффективный способ ее достижения (за счет снижения числа поверхностных дефектов, за счет наиболее быстрого выведения флюса на нужный уровень). Если имеется достаточная информация о критериях и они являются количественными, то можно связать аналитическим выражением цель и средства ее достижения, что будет представлять собой критерий эффективности или критерий функционирования системы. Если нужно удовлетворить не одно требование, то выражения получаются путем некоторого объединения критериев.

Критерии эффективности позволяют решать вопросы выбора средств для достижения цели путем оптимизации аналитических выражений различными методами. Однако значительная часть критериев носит качественный характер, поэтому такого аналитического выражения получить не удается [5].

Рассмотренные понятия и термины составляют основу понятийного аппарата и языка системного анализа.