Тема 2. Методологічні питання системного моделювання.

Прирозглядітієї чи іншої системивихідним етапомїївивченняє визначенняїїкордонів. Мова йдепро необхідність поділувсіхелементівнадва класи: приналежнихіне належать системі. Прицьомутісутностіабооб'єкти, яківласненалежатьсистемі, ібудутьїїелементами. Навпаки, не належать системі об'єкти, але надають на неї той чи інший вплив, утворюють середовище або зовнішню по відношенню до системи предметну область. Традиційноодниміз принципів системного аналізуявлялосьприпущення про те, щомежа системичітко розділяєелементисистемитаїїзовнішнє середовище(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Загальне уявлення системи і навколишнього середовища в контексті традиційного системного аналізу Найважливішими характеристиками будь-якої системи є її структура і процес функціонування. Під структурою системи розуміють стійку під час сукупність взаємозв'язків між її елементами або компонентами. Саме структура системи пов'язує воєдино всі елементи і перешкоджає розпаду системи на окремі компоненти. Структура системи може відображати самі різні взаємозв'язки, в тому числі, і вкладеність елементів однієї системи в іншу. У цьому випадку прийнято називати більш дрібну або вкладену систему підсистемою, а більш велику систему – метасистеми. Процес функціонування системи тісно пов'язаний зі зміною властивостей системи або окремих її елементів у часі. При цьому важливою характеристикою системи є її стан, під яким розуміється сукупність властивостей або ознак системи, які в кожний момент часу відображають найбільш особливості поведінки системи . Розглянемо наступний приклад. В якості системи розглянемо такий об'єкт, як "Автомобіль". Межі цієї системи чітко обмежені тими компонентами, які розміщуються в корпусі окремого автомобіля. При цьому такий об'єкт, як двигун є елементом системи "Автомобіль". З іншого боку, двигун сам є системою, яка складається з окремих компонентів, таких як блок циліндрів, свічки запалювання та ін Тому система "Двигун" в свою чергу є підсистемою системи "Автомобіль". Система охолодження двигуна і система електроустаткування також будуть підсистемами "Автомобіль". Структура системи може бути описана з різних точок зору. Найбільш загальне уявлення про структуру дає схема пристрою тієї чи іншої системи. При цьому взаємодія елементів може носити не тільки механічний, електричний або біологічний характер, але й інформаційний, що характерно для сучасних організаційно-технічних систем. Стан системи також можна розглядати з різних точок зору, найбільш загальною з яких являється розгляд особливостей функціонування або експлуатації тієї чи іншої системи. Процес функціонування системи відображає поведінку системи в часі і може бути представлений як послідовна зміна її станів. Якщо система змінює одне свій стан на інший стан, то прийнято говорити, що система переходить з одного стану в інший. Сукупність ознак чи умов зміни станів системи в цьому випадку називається переходом. Для системи з дискретними станами процес функціонування може бути представлений у вигляді послідовності станів з відповідними переходами. При розгляді рухається по трасі автомобіля можна виділити різні характеристики його стану. Це, перш за все, швидкість руху автомобіля, кутове положення передніх коліс щодо поздовжньої осі, температура охолоджуючої рідини, кількість палива в баці та інші. Зміна значень цих характеристик можуть призвести до зміни станів автомобіля, зокрема, до зміни його швидкості і напряму руху. Методологія системного моделювання служить концептуальною основою системно-орієнтованої структуризації предметної області. У цьому випадку вихідними компонентами концептуалізації є системи і взаємозв'язки між ними. Результатом системного моделювання є побудова деякої моделі системи та відповідної предметної області, яка описує найважливіші з точки зору розв'язуваної проблеми аспекти системи. Під моделлю будемо розуміти деяке уявлення про систему, що відображає найбільш істотні закономірності її структури та процесу функціонування та зафіксоване на деякій мові або в деякій формі. Стосовно теми нашого розгляду нас будуть цікавити тільки такі аспекти побудови моделей, які пов'язані з інформаційним або логічним моделюванням систем. Прикладами моделей є не тільки відомі фізичні моделі (аеродинамічна модель гоночного автомобіля або проектованого літака), але й логічні моделі різних систем (математична модель коливальної системи, аналітична модель системи електропостачання регіону, інформаційна модель виборчої компанії та ін.) Загальною властивістю всіх моделей є їх подібність деякого реального об'єкту або системі-оригіналу. Важливість побудови моделей полягає в можливості їх використання для одержання інформації про властивості або поведінці системи-оригіналу. При цьому сам процес побудови і подальшого застосування моделей для отримання інформації про систему-оригіналі є основним змістом процесу системного моделювання. Найбільш загальною інформаційною моделлю системи є так звана модель "чорного ящика". У цьому випадку система представляється у вигляді прямокутника, внутрішній устрій якого приховано від системного аналітика або взагалі невідомо. Однак система не є повністю ізольованою від зовнішнього середовища, оскільки остання надає на систему деякі інформаційні або матеріальні впливу. Такі дії отримали назву вхідних впливів або вхідних параметрів, вхідних змінних. Серед вхідних впливів виділяють спеціальний клас-так званих управляючий впливів (змінних). Останні призначені для того, щоб чинити на систему цілеспрямований вплив, призначене для досягнення системою деякої мети (цілей) або бажаної поведінки. У свою чергу система також надає на середу або інші системи певні інформаційні або матеріальні впливу, які одержали назву вихідних впливів (параметрів, змінних). Графічно дана модель може бути зображена наступним чином (рис. 1.2).

Входные воздействия (переменные)

Выходные воздействия (переменны)

Рис. 1.2. Графічне зображення моделі системи у вигляді "чорного ящика" Цінність моделей, подібних моделі "чорного ящика", дуже умовна. Основне її призначення полягає в тому, щоб структурувати вихідну інформацію щодо самої системи та зовнішньої по відношенню до неї середовища. Тому ця модель, перш за все, фіксує згадувані вище межі системи. На додаток до цього модель специфікує впливу, на які реагує система, і як проявляється ця реакція на навколишні об'єкти і системи. При цьому в разі кількісного опису вхідних (вихідних) впливів їх іноді називають вхідними (вихідними) змінними. У рамках системного моделювання розроблені певні методологічні засоби, що дозволяють виконати подальшу структуризацію або концептуалізацію цієї найбільш загальної моделі системи. У самому загальному випадку процес системного моделювання може бути представлений у формі взаємопов'язаних етапів, на кожному з яких виконуються певні дії, спрямовані на побудову та подальше використання інформаційно-логічних моделей систем (рис. 1.3). Характерною особливістю даного процесу є його циклічний або ітеративний характер, який відображає сучасні вимоги до аналізу та проектуванню складних систем. Таким чином, окремими етапами процесу системного моделювання є: 1. Аналіз проблемної ситуації. 2. Структуризація предметної області та побудова моделі . 3. Виконання обчислювальних експериментів з моделлю. 4. Застосування результатів обчислювальних експериментів. 5. Корекція або доробка моделі. Рис. 1.3. Загальна концептуальна схема процесу системного моделювання Нижче дається коротка характеристика кожного з етапів, конкретний зміст яких залежить від специфічних особливостей вирішуваних завдань в тій чи іншій проблемній області. При цьому кожен окремий цикл процесу системного моделювання ініціюється етапом аналізу проблемної ситуації, в чому проявляється реалізація вимоги проблемно-орієнтованого підходу до побудови і використання інформаційно-логічних моделей систем. 1. Аналіз проблемної ситуації Одним з основних принципів системного моделювання є проблемна орієнтація процесів побудови та використання моделей. Іншими словами, та або інша модель конкретної системи будується в контексті рішення деякої проблеми або досягнення певної мети. Головне призначення першого етапу - логічне осмислення розв'язуваної проблеми в контексті методології системного моделювання. При цьому виконується аналіз усіх доступних ресурсів (матеріальних, фінансових, інформаційних та ін), необхідних для побудови моделі, її використання та реалізації отриманих результатів з метою вирішення наявної проблеми. У разі відсутності необхідних ресурсів на даному етапі може бути прийняте рішення або про звуження (зменшенні масштабу) розв'язуваної проблеми, або взагалі про відмову від використання коштів системного моделювання. На цьому етапі також виконується аналіз вимог, пропонованих в тій чи іншій формі до результату вирішення проблеми. Початковий аналіз розв'язуваної проблеми і відповідної проблемної області є найменш формалізованих з точки зору застосування відомих аналітичних підходів і засобів. Тому на даному етапі рекомендується застосовувати так звані евристичні або неформальні методи системного аналізу. До них відносяться: - методи побудови логістичних сценаріїв на природній мові для аналізу можливих способів і альтернативних шляхів вирішення проблеми; -. методи мозкової атаки (штурму) для генерації нових ідей і нестандартних підходів до вирішення проблеми; - методи морфологічного та концептуального аналізу для досягнення необхідної повноти розгляду вихідної проблеми; -методи побудови і аналізу цілей і завдань, які дозволяють розбити вихідну проблему на ряд більш приватних чи більше простих підпроблем.

2. предметної області та побудова моделі          Метою даного етапу є побудова адекватної моделі системи та відповідає відповідній предметної області в найбільш загальному контексті вирішення результатної проблеми. Структуризація проблемної області передбачає визначення і подальше уточнення її меж, а також встановлення меж і складу систем, які потенційно можуть брати участь у вирішенні вихідної проблеми. Відповідна інформація представляється у формі моделі системи або проблемної області в цілому на деякому формально-логічному мовою.             Мова йде про те, що вся доступна інформація про вирішення проблеми має бути зафіксована у вигляді деякої інформаційно-логічної моделі системи. При цьому модель повинна задовольняти принципу адекватності відображення основних особливостей системи-оригіналу. Іншими словами, модель не повинна бути ні поверхневої (неповної), яка не враховує істотні аспекти структури або поведінки системи-оригіналу, ні надмірно складною або надлишкової, в рамках якої розробники намагаються врахувати навіть неіснуючих, з точки зору вихідної проблеми деталі системи-оригіналу. .             Даний етап побудови інформаційно-логічної моделі припускає ви- конання наступній послідовності дій: 1. Побудова концептуальної або інформаційної моделі системи та проблемної області, яка містить найбільш загальну інформацію і відображення структурних взаємозв'язків ситеми-оригіналу з іншими об'єктами заокруленого середовища. 2. Побудова аналітичної або математичної моделі системи, яка деталізує окремі аспекти структури і поведінки системи-оригіналу у формі тексту з використанням спеціальної математичної нотації (символік). 3. Побудова імітаційної або програмної моделі системи, яка безпосередньо реалізує інформаційно-логічну модель у формі, спеціально призначеної для її дослідження з використанням комп'ютерів. 4. Процес розробки адекватних моделей та їх подальшого конструктивного застосування вимагає не тільки знання загальної методології системного аналізу, але і наявності відповідних образотворчих засобів або мов для фіксації результатів моделювання та їх документування. Очевидно, що оригінальна мова не цілком підходить для цієї мети, оскільки володіє неоднозначністю і невизначеністю. Тому для побудови моделей використовуються формально-теоретичні методи, засновані на подальшому розвитку математичні та логічних засобів моделювання. Для цієї мети також запропоновані різні графічні нотації і мови моделювання, в тій чи іншій мірі відображають специфіку вирішуваних завдань на основі застосування відповідних програмних інструментів. 3. Виконання обчислювальних експериментів з моделлю            Модель системи розробляється для отримання деякої нової інформації про систему-оригіналі з метою вирішення вихідної проблеми. У цьому випадку базовим об'єктом для отримання такої інформації є програмна модель складної системи, реалізована на одній з мов програмування або побудови з використанням відповідних програмних інструментів.             Реалізація даного етапу в контексті методології системного моделювання означає виконання серії експериментів з програмною моделлю системи на тій чи іншій обчислювальній платформі. При цьому можливі наступні дії, що відображають зміст власне процесу планування експериментів: 1. Формування конкретних значень наборів вихідних даних (вхідних змінних), які характеризують окремий обчислювальний експеримент з програмною моделлю системи. 2. Виконання розрахунків або, в загальному випадку, виконання окремої ітерації з імітаційної моделлю системи з метою отримання конкретних значень вихідних параметрів (змінних) моделі. 3. Оцінка точності і верифікація отриманих результатів на основі перевірки узгодженості окремих компонентів обчислювальних розрахунків з використанням аналітичної моделі. 4. Інтерпретація отриманих результатів у формі управляючих впливів або альтернатив вирішення вихідної проблеми. 5. Оцінка потенційної можливості реалізації отриманих результатів стосовно до системи-оригіналу. 4. Застосування результатів обчислювальних експериментів           Змістом даного етапу є матеріальне чи інформаційне вплив на систему-оригінал з метою вирішення вихідної проблеми. При цьому може знадобитися планування організаційних заходів з реалізації подібних впливів і контроль їх виконання.          Після реалізації рекомендацій виконаних досліджень, що виявляється можливим тільки після закінчення етапу обчислювальних експериментів з моделлю, взагалі кажучи, може скластися одна з двох ситуацій. Вихідна проблема повністю вирішена- тим самим цілі системного моделювання досягнуті. У цьому випадку можна перейти до вирішення чергової проблеми з даної предметної області, що характеризує початок нового циклу системного моделювання.           Вихідна проблема не вирішена або вирішено не повністю-тим самим цілі системного моделювання не досягнуті. У цьому випадку необхідно ретельно проаналізувати ситуацію, що склалася і причини невдачі. Після цього можна перейти або до корекції вихідної моделі системи, або відмовитися від побудованої моделі та реалізовувати цикл системного моделювання заново. 5. Корекція або доробка моделі          Мета даного етапу неявно була вже сформульована вище, а саме - внесення змін в існуючу модель, які спрямовані на забезпечення її адекватності розв'язуваної проблеми. Мова може йти як про включення до складу вихідної моделі додаткових компонентів, так і про радикальну зміну структури та змісту моделі. Важливо відзначити проблемно-орієнтований характер цих змін, тобто корекція або доробка моделі повинні виконувати в безпосередньому контексті з вирішуваною проблемою.         Згадувані вище складні системи, дослідження яких представляє найбільший інтерес в рамках методології системного моделювання, утворюють окремий підклас систем. При цьому складність системи і, відповідно, її моделі можуть бути розглянуті з різних точок зору. Перш за все, можна виділити складність структури системи, яка характеризується більшою кількістю елементів системи і різними типами взаємозв'язків між цими елементами.         

Так, наприклад, якщо кількість елементів системи перевищує деяке порогове значення, яке, взагалі кажучи, не є строго фіксованим, то така система може бути названа складною. Наприклад, якщо програмна система управління базою даних налічує більше 100 окремих форм введення і виведення інформації, то багато програмісти вважатимуть її складною. Транспортні та енергетичні системи сучасних мегаполісів, макроекономіка або окремі галузі також можуть служити прикладами складних систем, що складаються з десятків і сотень окремих підсистем або елементів з нетрівіальної структурою взаємозв'язків між ними.       Другим аспектом складності є складність процесу функціонування системи або окремих її підсистем. Це може бути пов'язано як з непередбаченим характером поведінки системи, так і неможливістю формального представлення правил перетворення вхідних впливів у вихідні. Цей важливий аспект складності системи може бути пов'язаний з наявністю невизначеності в описі процесу поведінки системи-оригіналу.       Так, наприклад, процес поведінки учасників деякого ринку товарів або послуг у певній мірі непередбачуваний або характеризується невизначеністю станів своїх елементів. Процес функціонування сучасних операційних систем також характеризується складністю поведінки, оскільки їх надійність і безпека не завжди задовольняють вимогам різних категорій користувачів.        При аналізі структури і поведінки складних систем, як правило, присутні різні фактори невизначеності, які можуть бути враховані і адекватно представлені в процесі побудови інформаційно-логічних моделей в рамках нового напряму системного моделювання - нечіткого моделювання.