Вычислительная техника в системном анализе

Данный этап развития системного анализа, прежде всего, характеризуется осмыслением широчайшего проникновения вычислительной техники в процесс принятия решения в сложной системе. Программные и технические средства различного уровня и масштаба выполняют множество бизнес-процессов воспроизводства и распределения и начинают эффективно использоваться для составления регламентации бизнес-процессов и контроля за ходом решения задачи в целом. Особое место при анализе и принятии решений занимают такие объекты, как информационная база (банки данных и знаний, репозитории), диалоговые системы, имитационное моделирование. Эти объекты, обычно воспринимаемые как части автоматизированных систем или как специальные, использующие ЭВМ, методы исследования, могут и должны рассматриваться и в качестве важных понятий системного анализа. Они отражают существенные стороны современного состояния аппаратной реализации системных исследований. С точки зрения системного анализа это некоторые классы операций, обладающие внутренней структурой, универсальностью использования и другими особенностями.

Для системного анализа наиболее существенно то, что программы, пакеты программ выступают как средство исследования сложной системы, средство, готовящее решение в ней. Применение отдельного программного средства является элементарной транзакцией системного анализа.

Системный подход Основные определения: элементы, связи, система

Развитие исследования операций тесно связано с теорией систем, под влиянием которой сформировались важные научные направления.

Понятие "система" вошло в обиход в начале ХХ века, но долгое время использовалось лишь в самом общем смысле, без претензий на формальную строгость и возможность практических приложений. Развитие представлений о взаимосвязи различных отраслей науки, формирование идей кибернетики, открытие новых явлений сделали необходимым строгое определение системы.

Введем достаточно обширный набор понятий, связанных с современным использованием слова "система". Большинство из этих понятий и ряд операций с ними запишем также в символьном виде, близком к употреблению математических терминов.

Элементом назовем некоторый объект, обладающий рядом важных для нас свойств, но внутреннее строение которого безотносительно к цели рассмотрения. Будем обозначать элементы через m, а всю рассматриваемое множество через M. Принадлежность элемента множеству принято записывать mM.

Связью назовем важный для целей рассмотрения обмен между элементами веществом, энергией, информацией, носителем слабых взаимодействий.

Системой назовем совокупность элементов, обладающую следующими признаками:

а) связями, которые позволяют посредством переходов по ним от элемента к элементу соединить два любых элемента совокупности;

б) свойством (назначением, функцией), отличным от свойств отдельных элементов совокупности.

Примеры систем: летательный аппарат, механический редуктор, интегральная схема, вычислительная машина, производственное предприятие, экономика государства.

Большой системой назовем систему, включающую значительное число однотипных элементов и однотипных связей.

Сложной системой назовем систему, состоящую из элементов разных типов и обладающую разнородными связями между ними.

Структурой системы называется её расчленение на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на всё время рассмотрения и дающее представление о системе в целом.

Указанное расчленение может иметь материальную, функциональную, алгоритмическую и другую основу. 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.

Декомпозицией называется деление системы на части, удобные для каких-либо операций с этой системой. Примерами декомпозиции будут: рассмотрение физического явления или математическое описание отдельно для данной части системы; разделение объекта на отдельно проектируемые части, зоны обслуживания, другие частично или полностью независимые манипуляции с частями системы. Сутью декомпозиции является упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком. Такое упрощение может:

а) фактически приводить к замене системы на некоторую другую, в каком-то смысле соответствующую исходной. Как правило, это делается вводом гипотез об отбрасывании или ослаблении отдельных связей системы;

б) полностью соответствовать исходной системе и при этом облегчить работу с ним – такая декомпозиция называется строгой (изоморфной), требует специальных методов согласования и координации рассмотрения частей.

Иерархией назовём структуру с наличием подчинённости, т.е. неравноправных связей между элементами, когда воздействие в одном из направлений оказывает гораздо большее влияние на элемент, чем в другом. Типичная иерархическая связь с воздействиями вида "информация" и "управление" изображена на рис. 2.1.

6. Рис.2.1. Пример иерархической связи

Естественно, здесь доминирует элемент М₁.

Древовидная структура наиболее проста для анализа и реализации. В ней почти всегда удобно выделять так называемые иерархические уровни - группы элементов, находящиеся на одинаковом уровне от верхнего элемента (рис. 2.2). Примеры таких структур в искусственных и естественных системах чрезвычайно многочисленны. Ими будут:

а) дерево структуры управления отраслью: министерство – агентство – предприятие – цех – бригада – звено;

б) задача проектирования технического объекта – от его основных характеристик (верхний уровень) через проектирование основных частей, функциональных систем, групп агрегатов, механизмов до уровня отдельных деталей;

в) иерархия цели в задаче автоматизированного производства – от целей участка, состоящих в максимальном выпуске продукции, до программного обеспечения некоторых операций на станке;

г) в естественной среде – иерархия по признаку управляемости процессом в организме, иерархия в популяции и др.

Ромбовидная структура ведёт к двойной (иногда и более) подчинённости, отчётности, принадлежности нижнего элемента. В технике это участие данного элемента в работе более, чем одного узла, блока, использование одних и тех же данных или результатов измерения в разных задачах.

Группа элементов системы, описываемая только своими входами и выходами и обладающая определённой цельностью, называется модулем. Система может представляться набором модулей и сама рассматриваться как модуль. Модульное построение системы, как правило, определяет её декомпозицию. Нередко оно определяет и структуру, однако значение понятия модуля в системном анализе и смежных с ним дисциплинах ещё шире.

7. Рис.2.2. Общая иллюстрация иерархической структуры

Процессы в системе. Введем понятие состояния и процесса в системе. Для этого сначала рассмотрим некоторый выделенный элемент. Он может быть в системе, исключён из системы, перемещён в ней с одного места на другое, кроме того, могут быть изменены его связи. Все эти ситуации относятся к изменению структуры системы. Но возможны преобразования другого рода. Любой элемент обладает рядом свойств, характеристики которого тоже могут изменяться в процессе рассмотрения системы. Вследствие этого могут изменяться свойства, характеристики группы элементов, модуля и системы целиком.

Зафиксируем все значения характеристик в системе, важных для целей рассмотрения. Такую ситуацию назовём состоянием системы.

Процессом назовём набор состояний системы, соответствующий упорядоченному непрерывному или дискретному изменению некоторого параметра, определяющего характеристики системы.

Процесс изменения состояний системы во времени называют динамикой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, другие физические и нефизические величины. В качестве параметра иногда выступают линейные и угловые координаты (пример – процесс изменения давления атмосферы с высотой) и даже скорости. Однако более типично отнесение этих величин к характеристикам системы, которые сами зависят, например, от времени.

Рассмотрим понятия, связанные с постановкой перед системой некоторой сформулированной цели. Системы при этом называют целенаправленными. Такими почти всегда будут искусственные системы. Постановка цели перед системой влечёт за собой необходимость:

а) формулировки локальных целей, стоящих перед элементами системы и группами элементов;

б) целенаправленного вмешательства в функционирование (строение, создание) системы.

Обе этих операции тесно связаны, хотя с точки зрения практики обычно сначала разбивают глобальную цель на набор локальных, а потом ищут пути эффективного достижения локальных целей при каком-то достигнутом уровне выполнения глобальной цели.

Целенаправленное вмешательство в процесс в системе назовём управлением. Управление – важнейшее понятие для целенаправленных систем. Оно естественным образом связано с постановкой целей. Именно возможность вмешательства, выбора альтернативы делает процесс в системе вариативным, а один или более из этих вариантов – ведущим к достижению цели.

Введённые понятия широко используются в кибернетике (от греч. kybernέtikέ – искусство управлять), разрабатывающей исключительно важные методы абстрагирования и обобщения поведенческих аспектов деятельности систем. На пороге зарождения кибернетика была определена как "наука об управлении и связи в животном и машине", и эта основа сохраняется неизменной, хотя сегодня говорят о научном направлении, изучающем процессы управления в технических, биологических, а также социально-экономических системах. Таким образом, системам присуще свойство разностороннего обмена информацией между собой и между составляющими их элементами.

Подходы и классификация систем могут быть самыми разными, учитывающими, например, физическую природу той или иной системы, её целевое назначение, принципы работы и т.д. В частности, можно исходить из известного тезиса о том, что любое поведение есть последовательный ряд операций (совокупность взаимосогласованных действий, направленных на достижение вполне определённой цели), и рассматривать особенности поведения системы как их главный классификационный признак. С этой точки зрения различают детерминированные, вероятностные, игровые системы.

Детерминированной можно считать такую систему, в которой составные части взаимодействуют друг с другом точно предвиденным образом. Её поведение предсказуемо, если известны текущие состояния элементов и законы преобразования информации, циркулирующей между ними. Например, в исправном механическом вычислителе (арифмометре) установка задающего вала и порядка вычислений однозначно определяет результат ещё до его непосредственного появления. То же самое можно сказать об абсолютно надёжной ЭВМ, обрабатывающей массивы данных по известному алгоритму, или о производственном участке, изготавливающем стандартные изделия.

Вероятностной называют систему, возможное поведение которой и его последствия описываются на языке теории вероятностей. Здесь задание текущего (осуществленного) состояния и особенностей взаимной связи элементов недостаточно для предсказания будущего со всей определённостью, поэтому приходится оценивать вероятности ожидаемых событий. Например, декодирующее устройство, имеющее ограниченную надёжность, не может гарантировать получения заданных характеристик цифрового изображения и становится случайным, станок-автомат выдерживает требуемые размеры деталей лишь приближённо, обычно в пределах допуска и т.д.

Игровой является система, осуществляющая разумный выбор своего поведения в будущем. В основе выбора лежат оценки ситуаций и предполагаемых способов действий по критериям, а также неформальные соображения, руководствоваться которыми может лишь человек. Например, администрация предприятия, заключающая договоры о сбыте продукции, вступает в своеобразную игру с потребителями, стремясь достичь определённого результата при различных колебаниях спроса.

Приведённая классификация условна (как и многие другие), поскольку допускает разные толкования принадлежности системы к тому или иному классу. Так, поточную линию производства измерительных приборов, полностью обеспеченную комплектующими изделиями и работающую по графику, можно отнести к категории детерминированных систем, если представляет интерес сам факт выпуска продукции. Эта же линия должна рассматриваться как вероятностная система, если проводится анализ отклонений её производительности от заданного уровня или подсчитывается количество некондиционных приборов. Аналогичная картина наблюдается в различных сферах деятельности и свидетельствует о существовании разносторонних отношений между системами, их управляющими и управляемыми звеньями, между исследователями и объектами исследований.

Рассматриваемая классификация полезна ещё и тем, что группирует системы в соответствии со свойственной им природой управления. Она разрушает деление систем на живые и неживые, механические и немеханические, формальные и воплощённые в металле.