Системный анализ в управлении - Анфилатов В.С., Емельянов А.А., Кукушкин А.А. (под ред. Емельянова А.А

пути приемлемы в меньшей степени. В этом случае остается один путь: заключение о подобии модели и прототипа делать на осно­ ве сопоставления их структур и реализуемых функций. Такие зак­ лючения не носят формального характера, поскольку основыва­ ются на опыте и интуиции исследователя.

По результатам проверки модели на адекватность принима­ ется решение о возможности ее практического использования или

опроведении корректировки.

4.Корректировка модели. При корректировке модели могут уточняться существенные параметры, ограничения на значения управляемых параметров, показатели исхода операции, связи показателей исхода операции с существенными параметрами, критерий эффективности. После внесения изменений в модель вновь выполняется оценка адекватности.

5.Оптимизация модели. Сущность оптимизации моделей со­ стоит в их упрощении при заданном уровне адекватности. Ос­ новными показателями, по которым возможна оптимизация мо­ дели, выступают время и затраты средств для проведения иссле­ дований на ней. В основе оптимизации лежит возможность преобразования моделей из одной формы в другую. Преобразо­ вание может выполняться либо с использованием математичес­ ких методов, либо эвристическим путем.

1.4.

ПРИНЦИПЫ И СТРУКТУРА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Универсальной методики - инструкции по проведению сис­ темного анализа - не существует. Такая методика разрабатыва­ ется и применяется в тех случаях, когда у исследователя нет дос­ таточных сведений о системе, которые позволили бы формали­ зовать процесс ее исследования, включающий постановку и решение возникшей проблемы.

В принципе за основу при разработке методики системного анализа можно взять этапы проведения любого научного иссле­ дования или этапы исследования и разработки, принятые в тео­ рии автоматического управления. Однако специфической особен-

ностью любой методики системного анализа является то, что она должна опираться на понятие системы и использовать законо­ мерности построения, функционирования и развития систем. Здесь нужно подчеркнуть, что при практическом применении ме­ тодик системного анализа рассматривается следующее: часто пос­ ле выполнения того или иного этапа возникает необходимость возвратиться к предьщущему или еще более раннему этапу, а иног­ да и повторить процедуру системного анализа полностью. Это проявление закономерности саморегулирования, самоорганиза­ ции, которую при разработке методики можно учитывать созна­ тельно, ввести правила, определяющие, в каких случаях необхо­ дим возврат к предьщущим этапам.

Общим для всех методик системного анализа является опре­ деление закона функционирования системы, формирование ва­ риантов структуры системы (нескольких альтернативных алго­ ритмов, реализующих заданный закон функционирования) и вы­ бор наилучшего варианта, осуществляемого путем рещения задач декомпозиции, анализа исследуемой системы и синтеза системы и снимающего проблему практики. Основой построения методи­ ки анализа и синтеза систем в конкретных условиях является со­ блюдение принципов системного анализа.

1.4.1. ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Принципы системного анализа - это некоторые положения общего характера, являющиеся обобщением опыта работы чело­ века со сложными системами. Различные авторы излагают прин­ ципы с определенными отличиями, поскольку общепринятых формулировок на настоящее время нет. Однако так или иначе все формулировки описывают одни и те же понятия.

Наиболее часто к системным причисляют следующие прин­ ципы: принцип конечной цели, принцип измерения, принцип эквифинальности, принцип единства, принцип связности, принцип модульного построения, принцип иерархии, принцип функцио­ нальности, принцип развития (историчности, открытости), прин­ цип децентрализации, принцип неопределенности.

Принцип конечной цели. Это абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели. Принцип имеет несколько правил:

•для проведения системного анализа необходимо в первую очередь сформулировать цель исследования. Расплывчатые, не полностью определенные цели влекут за собой неверные выводы;

•анализ следует вести на базе первоочередного уяснения ос­ новной цели (функции, основного назначения) исследуемой сис­ темы, что позволит определить ее основные существенные свой­ ства, показатели качества и критерии оценки;

•при синтезе систем любая попытка изменения или совер­ шенствования должна оцениваться относительно того, помогает или мешает она достижению конечной цели;

•цель функционирования искусственной системы задается, как правило, системой, в которой исследуемая система является составной частью.

Принцип измерения. О качестве функционирования какой-либо системы можно судить только применительно к системе более высокого порядка. Другими словами, для определения эффектив­ ности функционирования системы надо представить ее как часть более общей и проводить оценку внешних свойств исследуемой системы относительно целей и задач суперсистемы.

Принцип эквифинальности. Система может достигнуть требу­ емого конечного состояния, не зависящего от времени и опреде­ ляемого исключительно собственными характеристиками систе­ мы при различных начальных условиях и различными путями. Это форма устойчивости по отношению к начальным и гранич­ ным условиям.

Принцип единства. Это совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей (элементов). Принцип ориен­ тирован на «взгляд внутрь» системы, на расчленение ее с сохра­ нением целостных представлений о системе.

Принцип связности. Рассмотрение любой части совместно с ее окружением подразумевает проведение процедуры выявления связей между элементами системы и выявление связей с внешней средой (учет внешней среды). В соответствии с этим принципом систему в первую очередь следует рассматривать как часть (эле­ мент, подсистему) другой системы, называемой суперсистемой или старшей системой.

Принцип модульного построения. Полезно выделение моду­ лей в системе и рассмотрение ее как совокупности модулей. Принцип указывает на возможность вместо части системы ис­ следовать совокупность ее входных и выходных воздействий (аб­ страгирование от излишней детализации).

Принцип иерархии. Полезно введение иерархии частей и их ранжирование, что упрощает разработку системы и устанавли­ вает порядЛс рассмотрения частей.

Принцип функциональности. Это совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой. Принцип утверждает, что любая структура тесно связана с фун­ кцией системы и ее частей. В случае придания системе новых функций полезно пересматривать ее структуру, а не пытаться втиснуть новую функцию в старую схему. Поскольку выполняе­ мые функции составляют процессы, то целесообразно рассмат­ ривать отдельно процессы, функции, структуры. В свою очередь, процессы сводятся к анализу потоков различных видов:

•материальный поток;

•поток энергии;

•поток информации;

•смена состояний.

Сэтой точки зрения структура есть множество ограничений на потоки в пространстве и во времени.

Принцип развития. Это учет изменяемости системы, ее способ­ ности к развитию, адаптации, расширению, замене частей, накап­ ливанию информации. В основу синтезируемой системы требует­ ся закладывать возможность развития, наращивания, усовершен­ ствования. Обычно расширение функций предусматривается за счет обеспечения возможности включения новых модулей, совме­ стимых с уже имеющимися. С другой стороны, при анализе прин­ цип развития ориентирует на необходимость учета предыстории развития системы и тенденций, имеющихся в настоящее время, для вскрытия закономерностей ее функционирования.

Одним из способов учета этого принципа разработчиками является рассмотрение системы относительно ее жизненного цикла. Условными фазами жизненного цикла ИС являются про­ ектирование, изготовление, ввод в эксплуатацию, эксплуатация, наращивание возможностей (модернизация), вывод из эксплуа­ тации (замена), уничтожение.

Отдельные авторы этот принцип называют принципом из­ менения (историчности) или открытости. Для того чтобы сис­ тема функционировала, она должна изменяться, взаимодейство­ вать со средой.

Принцип децентрализации. Это сочетание в сложных систе­ мах централизованного и децентрализованного управления, ко­ торое, как правило, заключается в том, что степень централиза­ ции должна быть минимальной, обеспечивающей выполнение поставленной цели.

Недостаток децентрализованного управления - увеличение времени адаптации системы. Он существенно влияет на функ­ ционирование системы в быстро меняющихся средах. То, что в централизованных системах можно сделать за короткое время, в децентрализованной системе будет осуществляться весьма мед­ ленно. Например, общее время синхронизации (перевода из состояния Z[ в Zj) цепи из Л^ автоматов с п внутренними состоя­ ниями, зависящими от состояний соседних автоматов, при централизованном управлении составляет 1 такт, а для взаимо­ действующих только с непосредственными соседями составля­ ет = 3N такта, в зависимости от сложности автоматов.

Недостатком централизованного управления является слож­ ность управления из-за огромного потока информации, подле­ жащей переработке в старшей системе управления. Поэтому в сложной системе обычно присутствуют два уровня управления. В медленно меняющейся обстановке децентрализованная часть системы успешно справляется с адаптацией поведения системы к среде и с достижением глобальной цели системы за счет опе­ ративного управления, а при резких изменениях среды осуще­ ствляется централизованное управление по переводу системы в новое состояние.

Принцип неопределенности. Это учет неопределенностей и случайностей в системе. Принцип утверждает, что можно иметь дело с системой, в которой структура, функционирование или внешние воздействия не полностью определены.

Сложные открытые системы не подчиняются вероятностным законам. В таких системах можно оценивать «наихудшие» ситу­ ации и рассмотрение проводить для них. Этот способ обычно называют методом гарантируемого результата. Он применим, когда неопределенность не описывается аппаратом теории ве­ роятностей.

законом функционирования подсистем и алгоритмом, его реали­ зующим. Поэтому осуществляется формирование нескольких ва­ риантов (или одного варианта, если система отображена в виде иерархической структуры) декомпозиции системы.

Рассмотрим некоторые наиболее часто применяемые страте­ гии декомпозиции.

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

Декомпозиция по жизненному циклу. Признак выделения под­ систем - изменение закона функционирования подсистем на раз­ ных этапах цикла существования системы «от рождения до гибе­ ли». Рекомендуется применять эту стратегию, когда целью систе­ мы является оптимизация процессов и когда можно определить последовательные стадии преобразования входов в выходы.

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

Декомпозиция по подсистемам (структурная декомпозиция).

Признак выделения подсистем - сильная связь между элемента­ ми по одному из типов отношений (связей), существующих в сис­ теме (информационных, логических, иерархических, энергетичес­ ких и т.п.). Силу связи, например, по информации можно оце­ нить коэффициентом информационной взаимосвязи подсистем к = N/NQ , где Л'^ - количество взаимоиспользуемых информаци­ онных массивов в подсистемах, NQ - общее количество информа­ ционных массивов. Для описания всей системы должна быть по­ строена составная модель, объединяющая все отдельные моде­ ли. Рекомендуется использовать разложение на подсистемы, только когда такое разделение на основные части системы не из-

70 Глава 1

меняется. Нестабильность границ подсистем быстро обесценит как отдельные модели, так и их объединение.

На этапе анализа, обеспечивающем формирование деталь­ ного представления системы, осуществляются:

1. Функционально-структурный анализ существующей систе­ мы, позволяющий сформулировать требования к создаваемой системе. Он включает уточнение состава и законов функциони­ рования элементов, алгоритмов функционирования и взаимовли­ яний подсистем, разделение управляемых и неуправляемых ха­ рактеристик, задание пространства состояний Z, задание пара­ метрического пространства Т, в котором задано поведение системы, анализ целостности системы, формулирование требо­ ваний к создаваемой системе.

2.Морфологический анализ - анализ взаимосвязи компонентов.

3.Генетический анализ - анализ предыстории, причин разви­ тия 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 фор­ мирование критериев эффективности, непосредственно оценива­ ние и анализ полученных оценок.

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

Этап синтеза системы, решающей проблему, представлен в виде упрощенной функциональной диаграммы на рис. 1.10.

На этом этапе осуществляются:

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

2.Синтез альтернативных структур«истемы, снимающей про­ блему.

3.Синтез параметров системы, снимающей проблему.

4.Оценивание вариантов синтезированной системы (обосно­ вание схемы оценивания, реализация модели, проведение экспе­ римента по оценке, обработка результатов оценивания, анализ результатов, выбор наилучшего варианта).