1.3.1Структура и иерархия систем
Структурой системы называется представление системы в виде групп элементов с указанием связей между ними, неизменное на все время рассмотрения и дающее представление о системе в целом. Указанное представление может иметь материальную, функциональную, алгоритмическую и другие основы.
Группы элементов в структуре обычно выделяются по принципу простых или относительно более слабых связей между элементами разных групп. Структуру системы удобно изображать в виде графической схемы, состоящей из ячеек (групп) и соединяющих их линий (связей). Такие схемы называются структурными.
Приведем примеры структур. Вещественная структура сборного моста состоит из его отдельных, собираемых на месте секций. Грубая структурная схема такой системы укажет только эти секции и порядок их соединения. Последнее и есть связи, которые здесь носят силовой характер. Пример функциональной структуры – это деление двигателя внутреннего сгорания на системы: питания, смазки, охлаждения, передачи силового момента и др. Пример системы, где вещественные и функциональные структуры слиты, – это отделы проектного института, занимающиеся разными сторонами одной и той же проблемы. Типичной алгоритмической структурой будет алгоритм (схема) программного средства, указывающая последовательность действий. Также алгоритмической структурой будет инструкция, определяющая действия при отыскании неисправности технического объекта.
Примерами структур других типов являются календарь (временная структура) или деление книги на главы. Ситуация с книгой интересна тем, что здесь основа деления может быть информационной (в научной литературе), вещественной (для типографии глава – это количество бумаги и рабочего труда) или более сложной, например, основанной на наборе эстетических воздействий на читателя (для художественной литературы).
Структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней (или преобладающим) типам связей. Простейшими из них являются последовательное, параллельное соединение элементов и обратная связь.
Поясним понятие обратной связи. Оно означает, что результат функционирования элемента влияет на поступающие к нему воздействия. Как правило, обратная связь выступает важным регулятором в системе. Крайне редко встречается система без того или иного вида обратной связи.
Рис. 1.1. Простейшие типы связей
Близким к понятию структуры является термин декомпозиция.
Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой. Примерами декомпозиции являются: рассмотрение физического явления или математическое описание отдельно для каждой части системы; разделение объекта на отдельно проектируемые части, зоны обслуживания; другие частично или полностью независимые манипуляции с частями системы.
Важнейшим стимулом и сутью декомпозиции является упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком. Такое упрощение может:
фактически приводить к замене системы некоторой другой, соответствующей исходной – это делается вводом гипотез об отбрасывании или ослаблении отдельных связей в системе;
полностью соответствовать исходной системе и при этом облегчать работу с ней – такая декомпозиция, называемая строгой, требует специальных процедур согласования и координации рассмотрения частей.
Иерархией назовем структуру с наличием подчиненности, т.е. неравноправных связей между элементами, когда воздействия в одном из направлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другом.
Среди иерархических структур встречаются такие экзотические, как кольцевые (первый элемент доминирует над вторым, второй – над третьим и т.д., но последний – над первым) или меняющие направление доминирования. Но основных, важных для практики иерархических структур всего две – древовидная и ромбовидная.
Древовидная структура наиболее проста для анализа и реализации. В ней всегда удобно выделять иерархические уровни – группы элементов, находящиеся на одинаковом удалении от верхнего (главенствующего) элемента. Примеры таких структур в искусственных и живых системах чрезвычайно многочисленны:
цепочка «министерство–главк–завод–цех–бригада–звено»;
задача проектирования технического объекта – от его основных характеристик (верхний уровень) через проектирование основных частей, функциональных систем, групп агрегатов, механизмов до уровня отдельных деталей;
иерархия целей в задаче автоматизированного производства – от цели участка, состоящей в максимальном выпуске продукции, до программного обеспечения отдельной операции на станке (цель – операция);
живая природа – иерархия по признаку управляемости процессов в организме, иерархия в стаде и др.
Ромбовидная структура ведет к двойной (иногда и более) подчиненности, отчетности, принадлежности нижнего элемента. В технике – это участие данного элемента в работе более чем одного узла, блока, использование одних и тех же данных или результатов измерений в разных задачах.
Рис. 1.2. Примеры иерархических структур: а) древовидной; б) ромбовидной.
Любая иерархия сужает возможности и гибкость системы. Элементы нижнего уровня сковываются доминированием сверху, они способны влиять на это доминирование лишь частично и с задержкой. Введение иерархии резко упрощает создание и функционирование системы, и поэтому ее можно считать вынужденным, но необходимым приемом рассмотрения сложных систем.
Отрицательные последствия введения иерархии во многом могут быть преодолены предоставлением отдельным элементам возможности реагировать на часть воздействий без жесткой регламентации сверху.