Общая теория систем и системный анализ Учебно-методическое пособие для студентов бакалавриата и специалитета направлений подготовки Экономика, Менеджмент

Рисунок 1 – Модель «черный ящик»

Например, при употреблении таблетки анальгина не обязательно знать состав самой таблетки и представлять механизм воздействия ее компонентов на организм, а важно то, что при этом проходит головная боль.

Модель типа «черный ящик», несмотря на внешнюю простоту и отсутствие сведений о внутренности системы, часто оказывается полезной. Во многих случаях эксплуатации системы достаточно содержательного устного описания входов и выходов; тогда модель «черного ящика» является просто их списком. Например, бытовая модель телевизора такова: входы – шнур электропитания, антенна, ручки управления и настройки; выходы – экран и звуковые динамики. В других случаях требуется количественное описание некоторых или всех входов и выходов. Пытаясь максимально формализовать модель «черного ящика», мы приходим к заданию двух множеств Х и Y входных и выходных переменных, но никаких других отношений между этими множествами фиксировать невозможно.

10

При изучении систем, в ряде случаев, модель «черный ящик» оказывается не только очень полезной, но и единственно применимой. Например, при исследовании психики человека или влияния лекарства организм мы лишены возможности вмешательства в систему иначе, как только через ее входы, а выводы делаем только на основании наблюдения за ее выходами. Это вообще относится к таким исследованиям, в результате проведения которых нужно получить данные о системе в обычной для нее обстановке, где следует специально заботиться о том, чтобы измерения как можно меньше влияли на саму систему. Другая причина того, что приходится ограничиваться только моделью «черного ящика», – действительное отсутствие данных о внутреннем устройстве системы. Например, мы не знаем, как «устроен» электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическими и магнитными полями, с гравитационным полем. Это и есть описание электрона на уровне модели «черного ящика».

Проблема построения модели типа «черный ящик» заключается в правильном определении цели исследуемой системы. Цель – это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему. Вся последующая деятельность, способствующая решению этой проблемы, направлена на достижение поставленной цели, т. е. это работа по созданию системы. Приведем несколько упрощенных примеров систем, предназначенных для реализации определенных целей (см. таблицу 1).

11

		Таблица 1 – Системы и их цели
	№	Цель	Система
	1	В произвольный момент указать	Часы
		время
		Перемещение человека со скоростью
	2	больше его собственной, но только с	Велосипед
		использованием его физической силы
		Передать зрительную и звуковую
	3	информацию на большое	Телевидение
		расстояние практически мгновенно
	4	Обеспечить перемещение людей в	Городской
		городе	транспорт

Отметим, что далеко не просто сформулировать цели так, чтобы имелось действительно очевидное соответствие между целями и системами. Например, только слова «практически мгновенно» в примере 3 таблицы 1 отличают цель телевидения от цели кино или пересылки видеокассет. В тоже время, между целью (абстрактной и конечной моделью) и реальной системой нет и не может быть однозначного соответствия: для достижения заданной цели могут быть избраны разные средства – системы. С другой стороны, заданную реальную систему можно использовать и для других целей, прямо не предусмотренных при ее создании. В инженерной практике момент формулирования цели – один из важнейших этапов создания систем.

Обычно цели уточняются итеративно (итерация – повторное исполнения каких-либо действий), с многократными изменениями и дополнениями. Любая модель, в том числе модель «черный ящик», должна отвечать следующим требованиям:

12

1)адекватности модели, т. е. – соответствовать действительности предсказаний, сделанных на основе моделей, и соответствовать целям проектов, сделанных на основе моделей;

2)экономичности с точки зрения расхода, энергии, материалов времени и др.

Главную цель приходится сопровождать заданием дополнительных целей. Важно подчеркнуть, что выполнения только основной цели недостаточно, то невыполнение дополнительных целей может сделать ненужным или даже вредным и опасным достижение основной цели. Этот момент заслуживает особого внимания, так как на практике часто обнаруживается незнание, непонимание или недооценка важности указанного положения. Между тем оно является одним из центральных во всей системологии.

Трудности построения модели «Черный ящик»

Возможны четыре типа ошибок при построении модели «черного ящика». Все они проистекают из того, что модель всегда содержит конечный список связей, тогда как их число у реальной системы не ограничено. Возникает вопрос: какие из них включать в модель, а какие – нет? Ответ: в модели должны быть отражены все связи, существенные для достижения цели. Но слово «существенные» – оценочное! Оценку может дать только субъект. Но кроме способности оценивать, субъект обладает еще одним свойством – способностью иногда ошибаться в своих оценках. Ошибка в оценке приведет к тому, что модель не вполне будет отвечать требованию адекватности, а значит, ее использование приведет к затруднениям в работе с системой.

13

Ошибка первого рода. Субъект расценивает связь как существенную и принимает решение о включении ее в модель. Но на на самом деле, по отношению к поставленной цели, она не существенна и могла бы быть неучитываемой. Это приводит к появлению в модели «лишних» элементов.

Урон, наносимым ошибкой первого рода, связан с тем, что информация, внесенная ею, лишняя. При работе с такой моделью придется тратить лишние ресурсы на фиксацию и обработку информации, например, тратить на нее память машины и время обработки. На качестве решения это не скажется, а на стоимости и своевременности

– обязательно.

Ошибка второго рода. Обратная первой. Совершается субъектом, когда он принимает решение, что данная связь несущественна и не заслуживает быть включенной в модель, тогда как на самом деле без нее наша цель не может быть достигнута в полной мере или даже совсем.

Потери от ошибки второго рода – это урон от того, что информации для полного достижения цели не хватает, цель не может быть достигнута в полной мере.

Отметим, что использование модели, содержащей ошибку, неизбежно приведет к потерям. Потери могут быть небольшими, приемлемыми или нетерпимыми, недопустимыми.

Отметим, что хуже та ошибка, потери от которой больше. А это зависит от конкретных обстоятельств. Например, если время является критическим фактором, то ошибка первого рода становится гораздо более опасной, чем второго: вовремя принятое, пусть не наилучшее, решение предпочтительнее оптимального, но запоздавшего.

14

Ошибкой третьего рода принято считать последствия незнания. Для того чтобы оценивать существенность некоторой связи, надо знать, что она вообще есть. Если это неизвестно, вопрос о включении или невключении ее в модель вообще не стоит: в моделях есть только то, что мы знаем. Но от того, что мы не подозреваем о существовании некоторой связи, она не перестает существовать и проявляться в реальной действительности. А дальше все зависит от того, насколько она существенна для достижения поставленной цели. Если она несущественна, то мы в практике и не заметим ее наличия в реальности и отсутствия в модели. Если же она существенна, мы будем испытывать те же трудности, что и при ошибке второго рода. Разница состоит в том, что ошибку третьего рода труднее исправить: надо добывать новые знания.

Ошибка четвертого рода может возникнуть при неверном отнесении известной и признанной существенной связи к числу входов или выходов. Например, жесткую корреляцию между урожайностью зерновых и яйценоскостью кур можно толковать как вход – то из них, что известно, а выход – то, что надо оценить. Но ведь можно счесть ношение определенного головного убора входом, поскольку точно было установлено, что в Англии прошлого века здоровье мужчин, носящих цилиндры, было намного лучше, чем здоровье носящих кепки. Как интерпретировать факт, что заключенные чаще посещают церковь, чем люди на свободе? А проблема симптомов и синдромов в медицине?

Таким образом, при построении модели «черного ящика» следует остерегаться совершить любую из четырех ошибок.

15

Пример выполнения лабораторной работы

В примере рассмотрим систему «механические наручные часы».

Главной целью данной системы является показ времени в произвольный момент, дополнительная цель – удобство ношения на запястье. Существенные связи системы с объектами окружающей среды – человек.

Определим входы и выходы системы «механические наручные часы». Учитывая, что выходы соответствуют конкретизации цели, фиксируем в качестве выхода показание времени в произвольный момент, а в качестве входа – зрение человека и циферблат. Данный вход и выход относятся ко всем часам, а не только к нашим наручным часам. Чтобы выполнить цель полностью, вносим следующее добавление (вход): запястье – ремешок или браслет и (выход): удобство ношения часов на запястье (напомним, что выходы модели описывают результаты деятельности системы, а входы – ресурсы и ограничения). Можно добавить и еще один вход: химический состав материалов и выход: соответствие требованиям санитарии и гигиены, так как не любое крепление часов на руке допустимо с этой точки зрения. Далее, представив себе условия эксплуатации часов, можно добавить вход: механические удары, влага, пыль; выход: достаточная в бытовых условиях прочность, пыле- и водонепроницаемость. Затем, расширив понятие «условия эксплуатации часов», добавим еще два выхода: достаточную для бытовых нужд точность; легкость прочтения показаний часов при беглом взгляде на циферблат.

Можно еще более расширить круг учитываемых требований к часам, что позволит добавить несколько входов и выходов: соответствие моде и понятию эстетики;

16

соответствие цены часов покупательной способности потребителя. Очевидно, что список желаемых, т. е. включаемых в модель, входов и выходов можно продолжать. Например, можно потребовать, чтобы имелась возможность прочтения показаний часов в полной темноте, и реализация этого выхода приведет к существенному изменению конструкции часов, в которой могут быть различные варианты подсветки, считывания на ощупь или подачи звуковых сигналов. Можно рассмотреть еще и другие выходы, такие как габариты, вес и многие другие физические, химические, экономические и социальные аспекты использования наручных часов.

При построении модели необходимо помнить, что может быть один вход – один выход, один вход – несколько выходов, несколько входов – один выход, нет входа – один или несколько выходов.

Пример построения графической модели «черный ящик» системы «механические наручные часы» показан на рисунке 2.

17

	входы			выходы
	Зрение			Показ времени
	человека	–
	циферблат
	Запястье	–		Удобство ношения
	ремешок	или
	браслет
	Химический			Удовлетворение
	состав			требованиям
	материалов		Система	санитарии и гигиены
	Механическое			Достаточная	в
			«Механические
	воздействие,			бытовых	условиях
			наручные
	влага,			точность показа
			часы»
	загрязнение

Водонепроницаемость

Пыленепроницаемость

Прочность

Легкость прочтения показания часов

Возможность прочтения в темноте

Компактные габариты

Небольшой вес

Рисунок 2 – Графическая модель «черный ящик» системы «механические наручные часы»

К нежелательным выходам системы «механические наручные часы» можно отнести: прекращение показания времени, неточное показание времени.

Приведем способы устранения недостатков системы «механические наручные часы»:

18

-для восстановления показаний времени необходимо заменить батарейки или подкрутить пружину завода;

-для восстановления точности показаний времени необходимо произвести корректировку показаний системы «механические наручные часы» по эталону времени.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.Изучить теоретическую часть практического задания №1.

2.По названию и назначению заданной системы определить ее главную и основные дополнительные цели.

3.В соответствии с назначением и целями системы определить существенные связи системы с объектами окружающей среды.

4.Определить и описать существенные входы и выходы системы.

5.Построить графическую модель «черный ящик» заданной системы.

6.Перечислить нежелательные входы и выходы

системы.

7.Установить основные способы устранения возможных недостатков.

Варианты систем для выполнения практического задания

1) процессор; 2) материнская плата; 3) ПК; 4) звуковая карта; 5) видеокарта; 6) монитор; 7) мобильный телефон; 8) автомобиль; 9) фотоаппарат; 10) телевизор; 11) принтер, 12) сканер, 13) микроволновая печь, 14) экскаватор, 15) СМУ, 16) планово-экономический отд., 17) др. система.

19