1.3. Разновидности подходов к проектированию

Системы автоматизированного проектирования и управления являются одними из наиболее сложных современных искусственных систем. Поэтому их проектирование и сопровождение невозможны без применения системного подхода.

На практике идеи и положения системного подхода выражаются и конкретизируются в виде нескольких его разновидностей, которые рассматриваются в курсе системотехники и также называются походами к проектированию. Среди таких подходов выделяют три основных.

1. При структурном подходесинтезируются варианты системы из набора компонентов (блоков). Эти варианты оцениваются при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

2. Блочно-иерархический подходк проектированию использует декомпозицию сложных описаний объектов и средств их создания на иерархические уровни и аспекты. При этом подходе используются понятия стиля проектирования (восходящее и нисходящее) и устанавливаются связи между параметрами соседних иерархических уровней.

3. Объектно-ориентированный подходиспользуется при разработке информационных систем и их программного обеспечения. Основан на введении в описания объектов их иерархии и отношений наследования между свойствами объектов разных иерархических уровней. Такой подход сокращает объём спецификаций объектов и уменьшает вероятность искажения данных за счёт ограничения доступа к ним.

Всем разновидностям подходов к проектированию присущи такие отличительные особенности:

1 Структуризацияпроцесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

2. Итерационныйхарактер проектирования. Итерация – результат повторного применения какой-либо математической операции. Метод итераций – метод последовательных приближений к решению конечных уравнений, в результате чего получаются все более точные приближенные решения таких уравнений.

3. Типизация и унификацияпроектных решений и средств проектирования.

13.Что отличает живые системы от неживых, абстрактные от конкретных, открытые от замкнутых? Приведите примеры. Физические и абстрактные системы

Системы могут быть классифицированы определением сходства и различия между ними. Физические системы состоят из изделий, оборудования, машин и, вообще, из естественных или искусственных объектов. Этим системам могут быть противопоставлены абстрактные системы. В последних свойства объектов, которые могут существовать только в уме исследователя, представляют символы. Идеи, планы, гипотезы и понятия, находящиеся в процессе исследования, могут быть описаны как абстрактные системы.

Как в физических, так и в абстрактных системах, процесс существует на многих уровнях. Составляющие процесс компоненты, необходимые для действия системы в целом, известны как подсистемы. В свою очередь, подсистемы могут состоять из еще более детальных подсистем. Иерархия и число подсистем зависят только от внутренней сложности системы в целом. Таким образом, возможно, что некоторые системы могут содержать бесконечное разнообразие процессов. Соответственно другие системы содержат конечное, ограниченное число процессов. Для каждого отождествимого процесса специалист по анализу системы может выделить систему. Системы могут действовать одновременно, т. е. параллельно или последовательно без каких-либо ограничений, помимо тех, которые были обусловлены при конструировании или существуют в реальном мире.

О каждой системе можно сказать, что она существует в конкретной окружающей среде. Системы существуют в определенной окружающей среде и обусловливаются ею. Первое условие окружающей среды есть граница, относительно которой говорят, что система действует внутри нее. Окружающая среда определяется как набор заключенных внутри конкретных пределов объектов, которые, как предполагается, влияют на действие системы.

Специалист по анализу систем не может проводить неограниченные исследования, необходимые для того, чтобы понять все условия, влияющие на действие системы. Понятие границы предписывает предел, внутри которого объекты, свойства и их связи можно адекватно объяснить и обеспечить управление ими. Системы и их границы могут быть определены просто, если их объекты по своей природе являются абсолютными или конечными.

Наиболее подходящим способом описания физических систем может быть описание в терминах количественных характеристик. Однако абстрактные системы не могут быть также легко определены в конечных терминах. Все системы действуют в рамках данной окружающей среды и данной границы.

Изучение систем может вестись в одном из двух направлений: либо в направлении анализа процесса, либо в направлении анализа конечного исхода процесса. При анализе процесса система может изучаться как определенное количество связанных между собой подсистем. Это детальное, микроскопическое рассмотрение мира системы и представляет собой анализ процесса. При проведении такого анализа специалист определяет промежуточные выходы системы. Затем он исследует средства, с помощью которых они могут быть переведены в последовательно связанную совокупность процессов, пригодную для последующей обработки. При анализе процесса бывает много альтернатив или выборов, которые могут квалифицироваться как промежуточные решения. Анализ процесса часто ассоциируется с проблемами реального мира и. физическими системами.

Наряду с анализом процесса существует анализ конечного исхода, обеспечивающий макроскопическое рассмотрение системы. При использовании такого метода система рассматривается как целое. Специалист по анализу системы в этом случае больше внимания уделяет завершающим, конечным, а не промежуточным результатам. При анализе, ориентированном на конечный исход, нет определенного знания всех промежуточных выходов. Таким образом, в этом случае может и не быть средств, которые бы позволили установить основу для объединения всех процессов в действие целой системы.

Цель исследователя состоит в создании модели изучаемой им системы независимо от того, является ли она физической или абстрактной. Он стремится понять систему как процесс с данными объектами, свойствами и связями, комбинирующимися в действие системы⁶. Модель может быть математической, если исследователь может выделить в проблеме количественные свойства. Если проблема по своей природе является и количественной, и качественной, модель может быть менее строгой и не более сложной, чем схема обработки данных. Создатель модели старается воспроизвести в миниатюрной, контролируемой форме действие изучаемой системы в реальном мире.

Если модель является точным слепком или представлением реального мира, она может быть названа моделью специального назначения. Модели специального назначения могут быть использованы для решения большинства проблем, причем ожидаемая степень успеха решения может быть вычислена. Модели общего назначения аппроксимируют реальный мир с меньшей степенью субъективности и самостоятельности содержания, чем модели специального назначения. Отсюда следует, что решения, полученные с помощью модели общего назначения, являются общими по своей природе; точно так же решения, полученные из модели специального назначения, являются специальными по своей природе. Ни одно из решений противоположной категории не может быть применено без тщательного изучения предпосылок применения.

Системы могут быть централизованными или децентрализованными. В централизованных системах один элемент или одна важная подсистема играет доминирующую роль; ее значение может превосходить значение других компонентов системы. При таком построении эта важнейшая подсистема является центральной для действия системы. Младшие подсистемы являются подчиненными действию центральной. В децентрализованной системе справедливо обратное утверждение: важнейшие подсистемы имеют приблизительно одинаковую ценность. В этом случае они построены не вокруг центральной подсистемы, как спутники, а соединены последовательно. Или же подсистемы могут быть построены параллельно, причем каждая из них обеспечивает единственный, но изоморфный (имеющий внешнее сходство) выход. Как в централизованных, так и в децентрализованных системах могут быть определены входы и выходы. В принципе оба типа системы могут встречаться и среди физических, и среди абстрактных систем.

1. Неживые системы 1.1. Статические структуры, называемые остовами. 1.2. Простые динамические структуры с заданным движением, присущие окружающему нас физическому миру. Эти системы называются часовыми механизмами. 1.3. Кибернетические системы с управляемыми циклами обратной связи, называемые термостатами. 2. Живые системы 2.1. Открытые системы с самосохраняемой структурой. Уровень клеток— это первая ступень, на которой возможно разделение на живое и неживое. 2.2. Живые организмы с низкой способностью воспринимать информацию, например растения. 2.3. Живые организмы с более развитой способностью воспринимать информацию, но не обладающие «самосознанием». К категориям данного уровня относятся животные. 2.4. Люди, характеризуемые самосознанием, мышлением и нетривиальным поведением. 2.5. Социальные системы и социальные организации

2. Из довольно многочисленных отличий живого от неживого назову несколько, наиболее часто употребляемых - это саморегуляция, обмен веществ, питание, репродуктивность, наследственность, энергозависимость, раздражительность, обособленность. Эти признаки живого, да и оставшиеся неупомянутые, никак не могут претендовать на основное, кардинальное отличие. И поэтому почти всеми авторами рекомендуется подходить к этому вопросу комплексно, т.е. надо применить целый комплекс признаков, и тем больше, тем лучше. Но я всё-таки рискну назвать основное и главное отличие живого от неживого, без которого живое не может ни возникнуть, ни родиться и не существовать. Все остальные признаки жизни приобретаются лишь потом, в процессе эволюционного развития и лишь на основе этого главного признака. Этот признок живого называется: "ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ". Всё живое обязательно должно чувствовать боль при своём разрушении и удовлетворение при питании и размножении. Нужно отметить, что в основе чувств лежат ощущения, и если поток ощущений достаточно длителен и интенсивен - то они перерастают с чувства. Невозможно представить живое существо совершенно ничего не чувствующего. Оно булет или мёртвым, или, по крайней мере замершим (кома, наркоз и т.д.), но и этом случае оно должно родиться живым. Чувствительность, как признак живого, почти нигде не упоминается. Почему-то считается, что чувствительность появляется только у животных с хорошо развитой нервной системой и в процессе его развития. Наверное появление чувствительности отождествляется с появлением сознания у высших животных и человека. Но ведь жизнь борется за своё существование и на бессознательном уровне. Сознание - это ощущение или чувство себя, своей индивидуальности в реальном мире. Сознание - это тоже продукт эволюции, дополнение к геному, и оно нужно живой природе с определённой целью: быстрого ориентирования в изменяющихся условиях существования. Это позволяет гораздо лучшему выживанию и развитию живых организмов. Жизнь возникает или рождается в агрессивной внешней среде, и, следовательно, с первых мгновений должна бороться за своё существование. Без чувствительности она совершенно беспомощна. Она не может избежать опасностей без предупреждающего чувства боли, она не может существовать без пополнения энергии, получаемое при питании. Чувствительность нужна жизни ни на каком-то этапе её развития и не с появлением сознания, а ВСЕГДА. Не надо путать чувствительность с "раздражительностью". Раздражительность - это лишь ответная реакция на механическое или энергетическое воздействие, а речь идёт чисто биологических чувствах боли и удовольствии, при которых ответной реакции может и не быть, но чувствовать живое всё же будет. Поэтому роботы не могут чувствовать, а лишь имитируот чувства согласно заданным программам. Не надо принимать чувства за "божественный дух", душу, энтелехии. У чувств не может быть сверхестественного происхождения, так как они присущи всему живому: и растениям, и простейшим и даже вирусам. Жизнь не может существовать без чувств, точно так же, как она не может существовать без материи. Чуствительность и материальность - основа всего живого. Без этих двух компонентов жизнь не смогла бы возникнуть, и поэтому они должны находиться в природе постоянно. Материя не обладает чувствительностью (иначе все предметы были бы живыми). Чувствительность и материальность самостоятельные, но неразрывные компоненты природы.

3.  Закрытая система, как это становиться  по названию - отграничена от окружающего мира. Взаимодействие происходит только внутри системы между ее структурными компонентами.

4.    В противоположность закрытой системе, открытая система функционирует благодаря взаимодействию с окружающим миром. Первостепенное значение при этом имеет обмен энергией и информацией с окружающей средой, представленной системами разного калибра.

5.    Закрытость и открытость систем бывает разной степени выраженности. Абсолютно закрытая и абсолютно открытая системы - это достаточно абстрактные понятия. Даже в сложнейших научных экспериментах и при особых природных обстоятельствах (глубоко в космосе, в центре звезды) достижение абсолютно открытого или закрытого состояния невозможно. Все, что будет сказано ниже, относиться к промежуточным состояниям разной степени выраженности.

6.    Возможны как бы промежуточные состояния: мнимо открытая и мнимо закрытая система. Мнимость проявляется в том, что обладая внешними признаками одного типа, на самом деле система относиться к другому типу.  Организация, исповедующая принципы - мы сами себе все сделаем, осуществляет взаимодействие с окружающим миром. А СССР, сообщавший всем, какой он открытый, в действительности был гораздо более закрытым. И как и следовало ожидать - развалился.

7.    Основная черта действующих систем в том, что происходит изменение. Как внутри системы, так и между системами происходит перераспределение энергии, информации и ресурсов. Данные операции обмена в теории систем называются Флуктуации (колебания). Как вода течет туда, где ниже, так и все обмены происходят на основе трех принципов.     1. При обыкновенных условиях перераспределение ресурсов происходит из мест с большей плотностью в места с меньшей плотностью.     2. Производимые изменения зависят не только от количества перемешенных ресурсов, но и от разности градиентов между местами откуда и куда перемещают, и от скорости перемещения.     3. Движение в обратном направлении определенного ресурса (оттуда, где меньше, туда, где больше) возможно, если в более глобальном масштабе происходит выравнивание градиентов.

8.     Фактически, зная три этих момента, можно описать все возможные изменения систем. В следующем выпуске я расскажу о системах с обратной связью. Усиливающей и стабилизирующей (или как говорят большинство людей с положительной и отрицательной, что не совсем точно)

9.     А в завершении я немного охарактеризую данные системы.

10.     Закрытая система более стабильна, так как не подвержена изменениям при взаимодействии с окружением.     Результатом всех перераспределений между элементами закрытой системы через определенный промежуток времени будет равномерное и однородное состояние. Наступает гибель системы.     Открытая система существует не за счет стабилизации процессов, а за счет постоянного обмена со своим окружением. Особенно за счет обмена энергией и информацией. Гибкое равновесие.     При формировании системы также формируются механизмы саморегуляции, несущие в основе петли обратной связи.     При получении системой излишнего количества информации и/или энергии возможен переход на более высокий уровень организации за счет перетряхивания системы и подключения механизмов саморегуляции и стабилизации.

Очень сложная система - это сложная система, которую подробно описать нельзя. Несомненно, что эти деления довольно условны и между ними трудно провести границу. (Здесь сразу вспоминается вопрос: с какого количества камней начинается куча?) Позднее Ст. Вир предложил относить к простым системам те, которые имеют до 10³ состояний, к сложным - от 10³ до 10⁶ состояний и к очень сложным - системы, имеющие свыше миллиона состояний. Одним из способов описания сложности является оценка числа элементов, входящих в систему (переменных, состояний, компонентов), и разнообразия взаимозависимостей между ними. Например, количественную оценку сложности системы можно произвести, сопоставляя число элементов системы (n) и число связей (m) по следующей формуле:   где n(n -1) - максимально возможное число связей. Можно применить энтропийный подход к оценке сложности системы. Считается, что структурная сложность системы должна быть пропорциональна объему информации, необхо-димой для ее описания (снятия неопределенности). В этом случае общее количество информации о системе S, в которой априорная вероятность появления i-го свойства равна p(s_i), определяется