2. Анализ структуры системы

Любая задача системного анализа начинается с построения моде­ли исследуемой системы. Для решения задачи построения модели не­обходимо вначале произвести изучение структуры системы, выполнить анализ ее компонентов, выявить взаимосвязи между отдельными эле­ментами. Чтобы обоснованно проводить анализ структуры системы, необходимо рассмотреть ряд понятий и определений, характеризующих строение и функционирование системы.

Основные понятия и определения

В качестве первого понятия охарактеризуем элемент. Под элемен­том принято понимать простейшую неделимую часть системы. Поня­тие элемента условно, так как зависит опять же от уровня иерархии рассмотрения объектов в структуре системы. Принято считать, что элемент - это предел членения системы сточки зрения решения кон­кретной задачи и поставленной цели. Рассмотрим примеры элементов. В системе управления и защиты энергоблоков атомных станций при одном уровне иерархии рассмотрения системы в качестве элементов можно выделить блок питания, датчики (камеры нейтронные компен­сирующие), устройства отображения информации (электронные пока­зывающие приборы), устройства, вырабатывающие сигналы срабаты­вания аварийной защиты (по превышению уровня мощности, по превы­шению скорости нарастания мощности и т.п.), устройства автоматичес­кого регулирования и прочие блоки и устройства. В свою очередь, каж­дый из приведенных блоков и устройств может быть расчленен на бо­лее мелкие составляющие. Так в их структуре можно выделить резис­торы, конденсаторы, диоды, транзисторы. В ряде устройств использу­ются процессоры, элементы памяти, устройства ввода и вывода инфор­мации, которые также можно расчленить на составляющие элементы.

В качестве следующей структурной компоненты рассмотрим под­систему. Подсистема - совокупность взаимосвязанных элементов, обладающая свойствами системы (в частности, свойством целостнос­ти), способная выполнять относительно независимые функции, подце­ли, направленные на достижение общей цели системы. Отличие подси­стемы от простой группы элементов состоит в том,чтодля подсисте­мы формулируются подцели ее функционирования. Продолжим рас­смотрение системы управления и защиты энергоблоков атомных стан­ций. В данной системе выделяют ряд подсистем: автоматического ре­гулирования, ручного регулирования, аварийной защиты, аварийной и пре­дупредительной сигнализации и т.д. Каждая из указанных подсистем выполняет конкретную функцию. Так, например, подсистема автома­тического регулирования выполняет функцию поддержания заданного уровня мощности энергоустановки. Подсистема аварийной защиты при­нудительно прекращает работу реакторной установки в случае возник­новения аварийной ситуации. Таким образом, каждая из подсистем выполняет свою конкретную функцию.

Если же части системы не обладают свойством целостности и спо­собностью выполнять независимые функции, а представляют собой совокупности однородных элементов, то такие части принято называть компонентами.

Структура отражает определенные взаимосвязи, взаиморасполо­жение составных частей системы, ее устройство, строение. При опи­сании системы недостаточно перечислить элементы, из которых она состоит. Требуется отобразить систему путем расчленения ее на под­системы, компоненты и элементы и показать, каким путем обеспечи­вается в объекте выполнение поставленной цели. Для выполнения та­кой процедуры и вводят понятие структуры. Таким образом, структура отражает наиболее существенные взаимоотношения между элемента­ми и их группами, которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Струк­тура характеризует организованность системы, устойчивую упорядо­ченность ее элементов и связей. Структура системы- состав систе­мы и схема связей между ее элементами. Понятие структуры можно определитьследующим образом. Совокупность отношений, заданных на множестве подсистем и элементов, образующих некоторую систе­му, называетсяструктуройэтой системы.

Следующее понятие, которое будем рассматривать, - связь. Дан­ное понятие входит в любое определение системы наряду с понятием элемент и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и це­лостных свойств системы. Понятие связь характеризует одновремен­но и статическое строение системы, и динамическое ее поведение. Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Связь характеризуется направлением, силой и характером. По первому при­знаку связи делят на направленные и ненаправленные. По второму при­знаку различают сильные и слабые связи. По характеру выделяют связи подчинения, равноправные, генетические, связи управления. Различа­ют также связи по направленности процессов - прямые и обратные. Об­ратные связи могут быть положительными, сохраняющими тенденции происходящих в системе изменений того или иного параметра, и отри­цательными - противодействующими тенденциям изменения выходно­го параметра. Обратная связь направлена на сохранение, стабилизацию требуемого значения параметра. Обратная связь является основой при­способления систем к изменяющимся условиям существования,осно­вой саморегулирования и развития систем.

Следующее понятие - цель системы - важное понятие, лежащее в основе развития систем. Цели системы — желательные состояния или результаты поведения системы. Глобальная цель системы- конечное состояние, к которому стремится система в силу своей структурной организации. Цель можно также определить следующим образом:щель

• это субъективный образ (абстрактная модель) не существующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему»[16]. В практических применениях цель - это идеальное устремление, которое позволяет коллективу увидеть перспективыили реальныевоз­можности, обеспечивающие своевременное завершение очередного этапа на пути к идеальным устремлениям. Цель достигается путем решения задач.Задачи системы— цели, которые желательно достичь к определенному моменту времени в пределах определенного периода функционирования системы.

Для описания системы создается ее модель. Модель - это отра­жение структуры системы, ее элементов и взаимосвязей, направленное на отображение определенной группы свойств. Создание модели сис­темы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазо­не условий.

Формы представления структур

Структурные представления являются средством исследования систем. Одну и ту же систему можно представить различными струк­турами, необходимый выбор которых обусловлен содержанием иссле­дований, проводимых на данном этапе. Принятый способ описания структур - графическое изображение. В таком графе элементы, компо­ненты, подсистемы и прочие объекты системы отображаются в виде вершин графа; связи между объектами представляют в виде дуг. Рас­смотрим основные способы представления структур.

Сетевые структурыпредставляют собой отображение взаимосвя­зи объектов между собой. Их применяют для представления организа­ционных структур, для изображения структурных схем систем,для представления информационного обеспечения и т.д. С помощью сете­вых структур отображаются пространственные взаимосвязи между элементами, как правило, одного иерархического уровня. Примером сетевой структуры может служить структурная схема ЭВМ (рис.2.1). На рисунке стрелками показаны связи между элементами.

Рис.2.1. Упрощенная структурная схема ЭВМ:

У- устройство ввода информации; ВЗУ - внешнее запоминающее устройство; АЛУ-арифметико-логическое устройство; ОЗУ - оперативное запоминающее устрой­ство; УУ - устройствоуправлення; ПУ - пульт управления;

У- устройство вывода информации

Различают следующие виды сетевых структур. Линейные струк­турысо строго упорядоченным взаимоотношением элементов «один к одному». Примером линейной структуры может служить схемаодного из каналов (любого) аварийной защиты энергоблока ядерной энергети­ческой установки (ЯЭУ). Каналы строятся по принципу линейного со­единения группы устройств (рис.2.2).

Рис. 2.2. Схема канала аварийной защиты энергоблока ЯЭУ:

KHK - камера нейтронная компенсирующая (датчик нейтронного потока); БП - блокпитання; УЗС - устройство защиты по скоростинарастания мощности (вторичный

прибор)

Древовидная структурапредставляет собой объединение многих линейных подструктур. Примером может служить схема подсистемы аварийной защиты энергоблока ЯЭУ. Подсистема состоит из группы од­нотипных каналов, каждый из которых дублирует работу других (рис.2.3).

Рис. 2.3. Схема подсистемы аварийной защиты энергоблока ЯЭУ

Кольцевая структура(циклическая) имеет замкнутые контуры в соответствующих графах. С помощью циклических структур изобра­жаются схемы циркуляции информации в системах. Обобщенная сете­вая структура характеризуется многочисленными межэлементными свя­зями.

Иерархические структурыпредставляют собой декомпозицию системы в пространстве и применяются, прежде всего, для описания подчиненности элементов в структурах управления. Терминиерархия означает соподчиненность, порядок подчинения низших по должности лиц высшим. В настоящее время концепция иерархии распространена на любой согласованный по подчиненности порядок объектов. В иерар­хических структурах важно лишь выделение уровней соподчиненнос- ти, а между уровнями и между компонентами в пределах уровня, в прин­ципе, могут быть любые взаимоотношения. Примером применения иерархической структуры может служить изображение схемы ЭВМ с детализацией на каждом новом уровне иерархии (рис.2.4).

Рис. 2.4. Фрагмент схемы ЭВМ с детализацией описания отдельных уровней

Таким образом, рассмотрены основные понятия, с помощью кото­рых осуществляется решение задачи анализа системы. Для решения задачи в том виде, в котором она была сформулирована в п. 2.1,на дан­ном этапе необходимо произвести изучение структуры системы, ана­лиз ее компонентов, выявление взаимосвязей между отдельными эле­ментами, т.е. осуществить структурную декомпозицию системы. Ос­новное содержание процедур, выполняемых на данном этапе, состоит в том, чтобы подготовить информацию к проведению работ по построе­нию модели системы.

3. Сбор данных о функционировании системы. Исследование информационных потоков

Решение задачи, сформулированной в предыдущем параграфе, а именно, изучение структуры системы, анализ ее компонентов, выявле­ние взаимосвязей между отдельными элементами, преследует цель отразить статическое состояние системы. Однако при проведении сис­темного анализа исследователя интересуют вопросы, касающиеся изу­чения свойств системы. Свойства системы реализуются в процессе ее функционирования, т.е. в процессе динамического поведения системы. Чтобы построить модель системы, которая имела бы возможность отражать свойства и характеристики системы, реализующиеся в про­цессе ее функционированияво времени, необходимопомимо структу­ры системы знать ее параметры, поэтому следующим этапом работ при проведении системного анализа является сбор данных о функциониро­вании системы и исследование информационных потоков.

Сбор данных о функционировании системы

Основное содержание данного этапа состоит в идентификации па­раметров системы с целью последующего включения их в модель. Этот этап связан с определением числовых значений параметров системы в режиме ее функционирования. Параметры системы подразделяются на внутренние и внешние.

Внешние параметры системы -характеристики функционирова­ния системы, служащие показателями качества ее работы как единого целого. В качестве примера внешних параметров можно привести па­раметры автоматизированной системы:

• общая производительность системы по обработке данных;

• объем передаваемой информации;

• достоверность выходной экспериментальной информации;

• точность получения результатов (для информации, заданной количе­ственно);

• количественные характеристики надежности системы;

• объем используемой в системе аппаратуры (объем памяти, коли­чество преобразователей формы информации, количество внешних ус­тройств и т.д.);

• время задержки с момента поступления в систему исходных дан­ных до момента выдачи окончательных результатов (во время реше­ния определенной задачи);

• стоимость системы (с учетом разработки математического обес­печения);

• показатели удобства системы в эксплуатации (наличие элементов «психологического комфорта») и др.

Внутренние параметры системы- характеристики, показываю­щие особенности технических решений, принятых при организации сис­темы в целом и отдельных технических средств,входящих в состав системы, а также в совокупности влияющие на значения внешних па­раметров системы. Примерами внутренних параметров автоматизиро­ванных систем являются:

• вид и характеристики сигналов для представления информации в си­стеме, в каналах связи - при обмене информацией между отдельными зве­ньями системы;

• способ кодирования информации;

• вид приоритетности при приеме и обработке информации от раз­личных источников;

• способ организации программы-диспетчера;

• быстродействие отдельных элементов и т.д.

Ограничения, накладываемые на внутренние параметры, связаны с конечностью распространения электромагнитных волн, с конечностью возможных типов используемых блоков и элементов аппаратуры сис­темы, с дискретностью числа ячеек запоминающих устройств и т.д. Разделение на внешние и внутренние параметры весьма условно.Обыч­но к внешним относят те параметры, на которые задаются ограниче­ния, определяемые назначением системы или вызванные условиями ее функционирования.

При описании параметров системы определению подлежат иденти­фикатор параметра, единицы измерения, диапазон изменения, качествен­ные характеристики (однозначный -многозначный, регулируемый - не регулируемый), место применения в модели.

Параметры отражают свойства системы. Одни из них определить достаточно просто, например, такие параметры как объем памяти, ко­личество внешних устройств, стоимость системы, способ кодирования информации, вид приоритетности при приеме и обработке информации от различных источников можно получить на основании изучения доку­ментации на систему. Другие же параметры определяются опосредо­ванно, на основании обработки информации, полученной в результате наблюдений за работой системы. К таким параметрам относятся па­раметры, характеризующие надежность системы, качество функциони­рования, точность получения количественных результатов и т.п.

Наблюдения с целью сбора данных могут проводиться в процессе функционирования системы либо же для сбора данных организуются специальные экспериментальные исследования.В первом случае гово­рят, что данные получены в результате пассивного эксперимента. Во втором случае имеет место активный эксперимент. Активный экспе­римент проводится по специально составленному плану с использова­нием методов планирования эксперимента. При этом предусматрива­ется возможность изменения входных параметров, влияющих на про­цесс функционирования системы. Исследуется изменение выходных па­раметров системы в зависимости от уровней входных параметров. Ре­зультаты испытаний фиксируются с помощью измерений, т.е. изобра­жения результатов опыта в виде символов, номеров или чисел. Изме­рение - это алгоритмическая операция, которая данному наблюдаемо­му состоянию системы или процесса ставит в соответствие определен­ное обозначение: число, номер или символ. Такое соответствие обес­печивает то, что результаты измерений содержат информацию об ис­следуемой системе. Требуемая информация в виде оценок параметров получается путем преобразования результатов измерения или, как еще говорят, с помощью обработки экспериментальных данных.

Современное понимание измерений существенно шире только коли­чественных измерений. Есть наблюдаемые явления, в принципе не до­пускающие числовой меры, но которые можно фиксировать в «слабых» шкалах, и эти результаты учитывают в моделях, получая качественные, но вполне научные выводы. Расплывчатость некоторых наблюдений признана их неотъемлемым свойством, которому придана строгая ма­тематическая форма, и разработан формальный аппарат работы с та­кими наблюдениями. Погрешности измерений также являются неотъем­лемым, естественным и неизбежным свойством процесса измерения. Причиной этого является наличие неопределенностей в процессе наблю­дения, квантование результатов измерения, шумы аппаратуры и т.д. Широкое распространение получили статистические измерения, т.е. оце­нивание функционалов распределения вероятностей по зафиксирован­ным наблюдениям значений реализации случайного процесса. Этот класс измерений имеет особое значение потому, что большое числовходных и выходных показателей реализуется в виде случайных величин.

Анализ информационных потоков

В случае, коїда анализируют социотехнические системы (органи­зационные, человеко-машинные, автоматизированные) помимо опреде­ления параметров системы, для построения модели важное значение приобретают вопросы исследования информационных потоков, цирку­лирующих в системе. Анализ информационных потоков позволяет выя­вить схему работы объектов управления, обеспечивает информацион­ное отображение объекта управления, взаимосвязь между его элемен­тами, структуру и динамику информационных потоков. Изучаются формы документов и недокументированных сообщений. В процессе изучения ин­формационных потоков анализируются следующие группы документов:

1. официальные положения и инструкции, регламентирующие функ­ции подразделений и определяющие сроки и процедуры обработки ин­формации и принятия решений;

2. входные документы, источники которых находятся вне системы;

3. систематически обновляемые записи в виде картотек или книг, используемые в процессе работы;

4. промежуточные документы, получаемые и используемые в про­цессе обработки данных;

5. выходные документы.

Анализ информационных потоков осуществляется с помощью спе­циально разработанных методов: графического, метода с использова­нием сетевой модели, графоаналитического и метода с использовани-

ем графов типа «дерево». Графическийметод применяется для опи­сания потоков информации, главным образом, на макроуровне, когда решается задача анализа общей схемы работы объектов управления. Здесь отношения между элементами потока, в виде которых выступа­ют документы, изображают структурно-информационно-временной схемой. На схеме приводятся краткие пояснения, описывающие дви­жение информации и материальных потоков.

Метод с использованием сетевой моделисостоит в следующем. В качестве события сетевой модели фигурирует определенный доку­мент. Если документ представляет собой результат выполнения какой- либо работы, он является конечным, если же он будет использоваться в дальнейшем ходе выполнения работ, такой документ будет началь­ным. Под работой понимается определенная задача или функция, вы­полняемая элементом органа управления.

Графоаналитическийметод основан на анализе матрицы смеж­ности информационного графа. В данном случае исходными для анали­за информационных потоков являются данные о парных отношениях между наборами информационных элементов, формализуемые в виде матрицы смежности. Под информационными элементами понимают различные типы входных, промежуточных и выходных данных. Матри­ца смежности - квадратная бинарная матрица с количеством строк (и столбцов), равным количеству информационных элементов. В каждой позиции матрицы смежности записывают единицу, если между соответ­ствующими элементами матрицы существует отношение, т.е. информа­ция одного документа используется при формировании другого, и в со­ответствующей позиции ставится ноль, если отношения нет. Далее мат­рице смежности ставится в соответствие граф информационных взаи­мосвязей. Множеством вершин графа является множество информа­ционных элементов, дуги отражают взаимосвязи между элементами. Дуга присутствует, если в матрице смежности отношение между эле­ментами отмечено единицей, и отсутствует в противном случае. Ана­лиз графа позволяет выявить информационную зависимость между входными, промежуточными и выходными документами, характер за­висимости, установить направление движения информации. Графоана­литический метод является развитием метода с использованием сете­вой модели и позволяет проводить более детальный анализ информа­ционныхпотоков.

Метод с использованием графов типа «дерево»применяют для описания системы потоков информации. Строится граф взаимосвязи показателей и так называемые графы расчетов, описывающие преоб­разование информации в процессе формирования отдельных показате­лей. При построении дерева взаимосвязи показателей ребра ориенти­руют с учетом иерархии от исходных к результирующим. Такой подход позволяет строить графы с болеевысокой степенью укрупнения. Полу­ченный комплекс графов отражает процесс движения и преобразования информации в системе.