2190

функцией понимается свойство, приводящее к достижению цели.

Проявление функций системы во времени S(t), т. е. функционирование системы, означает переход системы из одного состояния в другое, т.е. движение в пространстве состояний Z. При эксплуатации системы S весьма важно качество ее функционирования, определяемое показателем эффективности, являющееся значением критерия оценки эффективности.

Рис. 10

Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на отдельные подсистемы, т. е. выбираются исходные данные Д для моделирования и ставятся цели Ц, отображающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных Д ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента К будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель М.

Таким образом, разработка модели М на базе классического подхода означает суммирование отдельных компонент в единую модель, причем каждая из компонент решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Поэтому классический подход может быть использован для реализации сравнительно простых моделей, в которых возможно

40

разделение и взаимно независимое рассмотрение отдельных сторон функционирования реального объекта.

Процесс синтеза модели М на базе системного подхода условно представлен на рис. 11.

Рис. 11

На основе исходных данных Д, которые известны из анализа внешней системы, тех ограничений, которые накладываются на систему сверху, либо исходя из возможностей ее реализации, и на основе цели функционирования формулируются исходные требования Т к модели системы S. На базе этих требований формируются ориентировочно некоторые подсистемы П, элементы Э и осуществляется наиболее сложный этап синтеза – выбор В составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора КВ.

Системный подход позволяет решить проблему построения сложной системы с учетом всех факторов и возможностей, пропорциональных их значимости, на всех этапах исследования системы S и построения модели М. Системный подход означает, что каждая система S является интегрированным целым даже тогда, когда она состоит из отдельных разобщенных подсистем. Рассмотрение системы при разработке начина-

41

ется с формулировки цели функционирования.

При моделировании необходимо обеспечить максимальную эффективность модели системы. Эффективность обычно определяется как некоторая разность между какими-то показателями ценности результатов, полученных в итоге эксплуатации модели, и теми затратами, которые были вложены в ее разработку и создание.

Рассматривая системный подход как основу для построения больших систем и как базу создания методики их анализа и синтеза, прежде всего, необходимо определить само понятие системного подхода. Существует множество определений, но наиболее правильно то, которое позволяет оценить познавательную сущность системного подхода при моделировании.

Исследование объекта как системы проводится на двух уровнях: макроскопическом и микроскопическом.

Использование макроскопического уровня заключается в изучении системы как части системы более высокого уровня, общего её поведения как целого и в оценке интегративных свойств. Предметом изучения являются входы и выходы. Система рассматривается как некоторый «черный ящик», внутреннее строение которого неизвестно. Цель состоит в изучении взаимодействия рассматриваемой системы с внешней средой, принципов её функционирования в условиях такого взаимодействия на основе построения модели «вход-выход».

Микроскопическое изучение сводится к детальному рассмотрению и описанию отдельных элементов, из которых состоит система, их связей, функций, эффективности и др. Другими словами, происходит изучение «внутренних свойств» и процессов системы, после чего осмысливаются интегральные характеристики системы в целом.

При системном подходе к моделированию систем необходимо, прежде всего, четко определить цель моделирования. Цель возникает из требуемых задач моделирования, что позволяет подойти к выбору критерия и оценить, какие элементы войдут в создаваемую модель М, поэтому необходимо иметь

42

критерий отбора отдельных элементов в создаваемую модель. И здесь важным является определение структуры системы – совокупность связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие. Существует ряд подходов к исследованию структуры системы с её свойствами: морфологический, функ-

циональный, информационный.

1. При морфологическом подходе выявляются состав выделенных элементов системы S и связи между ними. Совокупность элементов и связей между ними позволяет судить о структуре системы. Глубина описания, уровень детализации определяются целью и назначением системы.

2. Функциональное описание, так же как и морфологическое имеет иерархическую схему и отражает иерархию функций, процессов и параметров. При таком подходе рассматриваются отдельные функции, то есть алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система. Поскольку функция отображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы S с внешней средой, то свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов Sij и подсистем Si системы, либо системы Sв целом.

При наличии некоторого эталона сравнения можно ввести количественные и качественные характеристики систем. Для количественной характеристики вводятся числа, выражающие отношения между данной характеристикой и эталоном. Качественные характеристики системы находятся, например, с помощью метода экспертных оценок.

Проявление функций системы во времени S(t), то есть функционирование системы, означает переход из одного состояния в другое. И здесь очень важно качество её функционирования, определяемое показателем эффективности и являющееся значением критерия оценки эффективности. Система S может оцениваться либо совокупностью частных критериев, либо некоторым общим интегральным критерием.

3. Информационное описание должно давать пред-

ставление об организации системы. Оно определяет взаимо-

43

действие морфологических и функциональных компонент системы в зависимости от качества и количества “внутренней” и “внешней” информации.

Совокупность задач, возникающих при изучении систем с позиций системного подхода разбивается на три класса: синтез систем, анализ систем, принятие решений.

Синтез заключается в генерировании возможных вариантов системы. Различают синтез структуры (структурный синтез) и синтез параметров (параметрический синтез). Структурный синтез – генерирование вариантов структуры системы. Параметрический синтез – определение параметров системы при постоянной структуре.

Анализ заключается в изучении свойств и поведения системы в различных условиях функционирования. В процессе анализа устанавливаются численные значения показателей эффективности системы.

Оценка и принятие решений заключается в общей оценке эффективности (полезности) системы на основе их анализа и выборе наилучших, если при этом имеется несколько альтернативных вариантов, сгенерированных в процессе синтеза.

Системный характер информационных систем

В качестве объекта исследования рассмотрим информационную систему (ИС), которую будем понимать как совокупность средств программного, аппаратного оснащения и пользователей, обеспечивающих осуществление заданного информационного процесса [13].

Рассмотрим основные понятия системного анализа. Структурой системы называется устойчивая упорядо-

ченность в пространстве и времени её элементов и связей. Организация системы – это по существу построение

структуры.

Формально структуру представляют в виде графа, вершинами которого служат элементы (подсистемы) системы, а дугами – существенные связи.

44

Классификация структур в зависимости от взаимодействия элементов и связей:

а) – иерархическая; б) – сетевая (многосвязная); с) – сотовая

(рис. 12).

Функцией системы называется её действие, поведение, деятельность.

С точки зрения характера функции можно говорить об однофункциональных и многофункциональных системах. Примерами многофункциональной технологической системы могут служить ГАП, ГПС, ГПУ, предназначенные для обеспечения выпуска различной продукции в пределах заданной номенклатуры.

Функция системы характеризуется некоторым числовым либо качественным функционалом, зависящим от функций её элементов (подсистем). Отсюда реализация функции системы представляется как процесс её функционирования в результате совокупного действия её элементов (подсистем), подчинённого единой цели. Как правило, этот процесс действует в рамках ограничений на параметры системы и её элементов, которые, в некотором смысле, описывают цели её функционирования.

Функционалы, которые описывают количественно или качественно деятельность (функцию) системы в рамках задан-

ных целей, называются показателями эффективности.

Показатели эффективности по существу являются оценками качества функционирования систем. Они определяются процессами (законами) функционирования систем. Они

45

определяются процессами (законами) функционирования. Имеется целое множество законов, реализующих одну и ту же функцию, и выбор того или иного зависит от того, какие значения при этом достигаются показателями эффективности. В этом случае их обычно называют критериями выбора.

Эффективность системы не может быть оценена одним показателем, эта оценка векторная. Т.е. существует целая совокупность показателей эффективности, которые оценивают действие (процесс функционирования) системы по достижению целей. При этом эта оценка осуществляется в условиях конфликта показателей (критериев) эффективности. Действительно, допустим, что показателем эффективности некоторого производственного процесса является производительность. Оценивая качество функционирования этой производственной системы, будем стремиться к достижению максимальной производительности. С другой стороны, обеспечение максимальной производительности неизбежно приведет к ухудшению других показателей системы, таких как экономия сырья, износа оборудования, расход энергии, фонд зарплаты, надежность и др. Возникает конфликтная ситуация, которая значительно затрудняет проведение оценки эффективности систем. Здесь необходимо применение современного математического аппарата, методов моделирования и принятия решений.

Обеспечение заданной эффективности системы (её сохранения) или её повышение при изменяющихся внешних и внутренних условиях требует определённых изменений в самой системе. Такие изменения могут носить характер развития системы либо целесообразного её поведения.

Развитие предполагает построение новой структуры самой системы, её организации. Внутренние же целенаправленные изменения достигаются за счет управления.

Управление – процесс целенаправленного (эффективного) поведения системы в изменяющихся условиях её функционирования (рис. 13).

Для обеспечения управления требуется управляемая (объект управления) и управляющая системы (подсистемы).

46

Если управление осуществляется внешней (сторонней) системой, то оно называется внешним, а если оно осуществляется одной из подсистем, - внутренним (самоуправлением).

x

Объект управления

y

G

Управляющая система

Рис. 13

Схема управления: x - неуправляемое воздействие (помеха); y - выходные переменные (управляемые величины);G - управляющие воздействия.

В контуре управления может быть задействован человек, – в этом случае реализуется автоматизированное (челове- ко-машинное) управление.

Таким образом, с позиции системного подхода, любую информационную систему разделить её на отдельные функциональные подсистемы и определить следующим кортежем системных элементов:

ИС= ФН, Ф, СТ, К, О, q ,

ФН - функциональное назначение; Ф – функция; СТ – структура; К – компоновка; О – организация;

q - вектор показателей эффективности (качества).

ФН определяется назначением моделируемой системы. Структуру Ф удобно описывать ориентированным графом G=(TO,U), в котором в качестве множества вершин {TO} выступают операции ИС, а в качестве множества ребер {U} – связи, характеризующие в процессе обработки информацион-

47

ные потоки, передающиеся от одной операции к другой. При этом одну и ту же функцию (Ф) можно логически по разному реализовать, т.е. структурно функция (Ф) может быть реализована различными схемами. Вариантность Ф приводит к необходимости оптимального синтеза её структуры на основе заданной функции.

Под структурой ИС (СТ) будем понимать некоторую организацию её посредством синтеза из отдельных элементов , обладающих определенными свойствами и характеризующих цель и назначение системы. СТ отражает качественный и количественный состав, множество связей между элементами и определяет основные свойства ИС.

Компоновка (К) сводится к задаче геометрического размещения составляющих систему элементов в заданном производственном объеме (например, создание ЛВС).

Организация ИС (О) – это упорядочение связей и самих элементов. Важнейшей компонентой здесь является организация управления, призванной обеспечить целенаправленное поведение ИС в условиях возможных отклонений расчетных параметров системы.

Вектор q задается совокупностью качественных и количественных показателей эффективности, характеризующей свойства функционирования и структуры системы. Эта совокупность может быть проклассифицирована следующим образом:

показатели назначения, характеризующие полезный эффект от использования ИС и обуславливающие область её определения;

показатели надежности, определяющие свойство системы сохранять свою работоспособность в течение определённого времени;

эргономические показатели;

эстетические показатели;

показатели стандартизации, характеризующие степень использования в ИС стандартизированных элементов;

экономические показатели, отражающие затраты на

48

разработку и эксплуатацию ИС, а также экономическую эффективность их функционирования.

Часть показателей вектора q носит интегрированный характер – они формируются путем “накапливания” составляющих при переходе от одного системного элемента к другому.

ЛЕКЦИЯ 4 КИБЕРНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ СИСТЕМ

Модель объекта моделирования, т.е. системы S, можно представить в виде множества величин, описывающих процесс функционирования реальной системы и образующих следующие подмножества [12]:

Совокупность входных воздействий на систему xi X, i=1..nx

Cовокупность воздействий внешней среды

vl V, l=1..nv

 Совокупность внутренних (собственных) параметров системы

hk H, k=1..nk

 Совокупность выходных характеристик системы. yj Y, j=1..ny

При моделировании системы S воздействия внешней среды Е и внутренние параметры системы являются независимыми (экзогенными) переменными, которые в векторной

h(t)= (h1(t), h2(t), ...,hn(t)).

А выходные характеристики системы являются зависимыми (эндогенными) переменными и в векторной форме имеют вид:

y(t)=(y1(t), y2(t), ... ,yn(t))

Процесс функционирования системы S описывается во

49