2.1.3. Структура и методы ее описания

Изучение процессов функционирования систем концентрирует внимание исследователя на тех свойствах, особенностях поведения и характеристиках системы, которые меняются во времени. При анализе структур, напротив, интересуются свойствами и характеристиками си­стемы, не зависящими от времени и сохраняющимися постоянными, не­изменными на всем промежутке функционирования или достаточно дли­тельной его части.

Однако структурные и функциональные свойства тесно связаны между собой. Даже хорошо изучив законы функционирования отдель­ных элементов, но не зная структуры, нельзя представить систему как целое и, следовательно, понять, как она функционирует. С другой сто­роны, не зная хотя бы общих законов функционирования системы, не­возможно определить ее структуру. Таким образом, анализ функциони­рования и изучение структуры являются двумя взаимосвязанными, дополняющими друг друга стадиями исследования любой системы.

Понятие структуры. Хотя смысл понятия структуры представля­ется интуитивно ясным, дать ему удовлетворительное определение не так-то легко. Может быть, поэтому в литературе встречается большое число различных определений структуры. В качестве примера приве­дем некоторые из них, на наш взгляд наиболее типичные.

«Структура есть форма представления некоторого объекта в виде составных частей» [51, с. 13]. «Структура — это множество всех воз­можных отношений между подсистемами и элементами внутри систе­мы» [24, с. 76]. «Подструктурой... понимается совокупность и взаимо­действие ее отдельных подсистем» [90, с. 14]. «Подструктурой... будем понимать совокупность элементов и связей между ними, которые опре­деляются, исходя из распределения функций и целей, поставленных пе­ред системой» [10, с. 39]. «Структура системы — это то, что остается неизменным в системе при изменении ее состояния, при реализации раз­личных форм поведения, при совершении системой операций и т. п.» [57, с. 31].

Структура системы есть устойчивая упорядоченность в простран­стве и во времени ее элементов и связей.

В совокупности данные определения достаточно хорошо отра­жают то главное, что присутствует в любой структуре: элементный состав, наличие связей, инвариантность (неизменность) во времени. В сущности лишь последнее свойство позволяет разграничить понятия системы и структуры. Однако учесть только инвариантность структу­ры еще недостаточно. Поскольку структура — это часть системы, не­обходимо четко указать, какая именно часть, какие свойства и призна­ки системы являются структурными, а какие — нет.

Системы, как правило, обладают различными структурами. Так, порядок вхождения элементов в подсистемы, а затем последовательное объединение подсистем в целостную систему образует структуру чле­нения системы. Эта структура всегда иерархического типа и имеет неменее двух уровней: «старший» уровень — система и «младший» уро­вень — элементы.

В зависимости от характера организации в системе элементов и их связей можно выделить три основных типа структур:сетевую, скелет­ную и централизованную, отражающих последовательное повышение степени централизации системы (рис. 2.1, а-в).

Вообще же типы конфигурации структур могут быть самые разно­образные (цепная, кольцевая, колесо, звездная и др.) и включать раз­личные комбинации взаимосвязей элементов (рис. 2.1, г).

По временному признаку выделяются экстенсивные структуры, в которых с течением времени происходит рост числа элементов, иинтенсивные, в которых происходит рост числа связей и их мощности при неизменном составе элементов.

Рис. 2.1. Типы структур

Структура является наиболее консервативной характеристикой системы: хотя состояние системы изменяется, структура ее сохраняется неизменной иногда весьма длительное время.

Структура может включать в себя как общесистемные свойства (наличие элементов, существование связей между ними и т. п.), так испециальные, присущие только данной конкретной системе и связанные с особенностями ее функционирования (специфика отношений между элементами, закономерности распределения информации, материаль­ных и иных потоков и т. п.). Определение структуры не требует безу­словной инвариантности перечисленных свойств на всем интервале фун­кционирования, что позволяет рассматривать также и системы с переменной структурой.

Подводя итоги, можно сказать, что формирование структуры яв­ляется частью решения общей задачи построения системы, причем та­кой, которая не определяет заранее систему в целом, а лишь выявляетее конфигурацию. Следовательно, построение структуры — самостоя­тельная задача, предваряющая синтез системы в целом и облегчающая его проведение. Рассмотрим теперь основные методы формализованно­го описания структурных свойств систем.

Структурные схемы. Если изобразить систему как совокупность блоков (подсистем), осуществляющих некоторые функциональные пре­образования, и связи между ними, то получим структурную схему, в обобщенном виде описывающую структуру системы. Под блоком обычно понимают, особенно в технических системах, функционально закон­ченное и оформленное в виде отдельного целого устройство. Но, вооб­ще говоря, членение на блоки не должно соответствовать этому прин­ципу и может осуществляться, исходя из требуемой степени детализации описания структуры, наглядности отображения в ней особенностей про­цессов функционирования, присущих системе. Помимо функциональ­ных в структурную схему могут включаться логические блоки, позво­ляющие изменять характер функционирования в зависимости от того, выполняются или нет некоторые заранее заданные условия.

Структурные схемы наглядны и вмещают в себя информацию о большом числе структурных свойств системы. Кроме того, структур­ные схемы легко поддаются уточнению и конкретизации, в ходе кото­рой не надо изменять отдельные ее элементы структурными схемами, включающими не один, как раньше, а несколько взаимодействующих блоков.

Графы. Отношения между элементами структуры могут быть пред­ставлены соответствующим графом, что позволяет формализовать про­цесс исследования инвариантных во времени свойств системы и исполь­зовать хорошо развитый математический аппарат теории графов.

Методика построения графа (диаграммы графа) по структурной схеме проста: с вершинами графа сопоставляют блоки, а с ребрами — связи между блоками. Получающееся при этом изображение графа на­глядно, оно даже обладает эстетической привлекательностью. Однакоэтого недостаточно для проведения формального анализа структур. Поэтому разработаны и широко используются помимо геометрическо­го другие способы задания графов.

Анализ структур. В рассмотренных ранее графовых моделях и вер­шины (элементы структуры), и ребра (связи между элементами) задава­лись исключительно самим фактом своего существования; присущие им свойства никак не раскрывались. Поэтому граф — модель структу­ры, требующая для своего построения минимум информации. Рассмот­рим основные этапы анализа структур.

Анализ элементов. При исследовании структуры особое значение имеет выделение элементов, соответствующих изолированным, вися­чим и тупиковым вершинам графов.

Наличие в графе изолированных вершин обычно свидетельствует об ошибках, допущенных при формировании или описании структуры (на рис. 2.3 — вершина 12). Ведь система — всегда целостный объект, все элементы которого взаимосвязаны.

Рис. 2.3. Построение исходного графа

Висячие и тупиковые вершины графа должны соответствовать входным и выходным элементам системы, через которые осуществляет­ся процесс ее взаимодействия с внешней средой. Исследуя граф струк­туры, следует убедиться в том, что все висячие и тупиковые вершины в нем правильно интерпретированы.

Анализ связей. Исследование особенностей связей между элемента­ми структуры направлено прежде всего на выявление в соответствую­щем графе петель, контуров и сильносвязных подграфов. Петля интер­претируется как наличие связи между входом и выходом одного и того же элемента. Контур образует путь — чередующуюся последователь­ность ребер и вершин, в котором начальная и конечная вершины совпа­дают. Подграф называется сильносвязным, если все входящие в него вершины взаимно достижимы, то есть из любой вершины подграфа мож­но попасть в любую другую его вершину. Граф на рис. 2.3 имеет петлю у вершины 11.

Под синтезом структуры часто понимают определение элементно­го состава системы и связей между элементами. Такая структура опи­сывается графом.