Lektsii_SAM_isprav_2-14

21

Лекция 6

Идея

Основные проблемы

СП связаны с развитием

методов

практической реализации системных принципов в

конкретных областях знаний.

Общенаучные

Основные направления системных исследований:

подходы

1) ОТС (системология) – занимается созданием и

изучением общих подходов и процедур к исследованию,

Концепция

Научные законы

проектированию

и развитию

СС РФП. Методология

и принципы

ОТС основана на СП и установлении изоморфизма м/у

процессами,

структурой,

параметрами,

свойствами и

Модели

т.д. у различных S, отличающихся уровнем сложности,

физической

природой, функциональным

назначением.

Алгоритмы,

Коррекция

Результаты ОТС д.б. достаточно фундаментальными и

мет. исслед-я,

широкими для получения практически полезных

технологии

перспектив и направлений.

2) Системотехника возникла в результате усложнения

Задачи

процесса

инженерного

проектирования

сложных

технических S и комплексов, а также в результате

Научн. и практ.

стремления его рационализации с системных позиций.

Системотехника

объединяет

совокупность

моделей,

результаты

методов проектирования, исследования и развития

Ожидаемый

больших

технических S

(БТС) на основе системной

Анализ

методологии

и

ОТС.

Например,

системное

результат

проектирование широко используется применительно к

БТС. Основным

критерием системотехники

является

принцип достижения максимальной эффективности проектируемой БТС в классической

постановке	задачи.	Критерий	эффективности:	Ý D	max
				Ç

где D – доход (или стоимость предотвращенного ущерба), З – затраты, связанные с получением дохода (или предотвращением ущерба). Системотехника – это прикладная ОТС, приложение результатов ОТС к конкретному классу S – сложным техническим комплексам. Рисунок 5.

3)Системный анализ (СА) – это тоже одно из направлений СИ. Название этого направления не единственное (эквивалент – исследование операций) и не совсем удачное (правильнее – анализ СС). Методологической основой СА является СП и ОТС. Дадим несколько толкований содержания СА.

Исторически СА возник в 60-х годах в результате разработок известной американской «бесприбыльной» корпорации «Рэнд», которые были посвящены созданию управляющего цикла «планирование – программирование – составление бюджета» при разработке вооружения и военной техники. Сами авторы разработок Д.Клиланд и В.Кинг так определяют СА: «СА принято называть применение системных концепций к функциям управления, связанным с планированием… Назначение СА состоит именно в анализе проблем, подлежащих решению в ходе планирования».

Черняк Ю.И.: «СА – методология исследования с помощью аппарата ОТС сложных и труднодоступных свойств объектов и явлений, которые в принципе невозможно исследовать непосредственным наблюдением объекта».

В.И. Николаев, В.М. Брук: «СА – научное направление, обеспечивающее на основе СП разработку методов и процедур решения слабоструктурированных проблем при наличии существенной неопределенности, в частности, формальных методов упорядочения большого объема инф., необходимой для анализа СС».

Одной из центральных проблем СА является изучение процессов подготовки и ПР как S правил, процедур и приемов. Поэтому СА есть методология анализа проблем с целью принятия

22

управленческих решений, основанная на систематизации допустимых вариантов или альтернатив с учетом технико-экономического обоснования реализации каждой такой альтернативы.

Группы методов исследования, применяемых в СА:

1)эвристическое программирование, основанное на принципах анализа деятельности человека. Например, методы экспертных оценок. Экспертная оценка – обобщение множества субъективных мнений экспертов по данной проблеме, степень достоверности которых до конца не ясна;

2)семиотический (знаковый, языковый) подход, основанный на возможностях выразительных средств естественного (или другого) языка эффективно и однозначно (при определенных правилах) описывать широкий класс объектов, процессов и явлений. Например, данный подход реализован в ситуационном управлении;

3)аналитические методы ОТС, исследования операций, теории ПР, дискретной математики и т.д.;

4)имитационное моделирование – процесс формирования моделей реальной S и проведения на них экспериментов с целью выявления свойств S, путей совершенствования ее и эффективного использования;

5)методы аналогий, чаще всего связаны со сравнением функционирования сложных технических S

с

биологическими

S.

Вывод. Все направления СИ базируются на единой методологии – СП. Решают очень близкие по содержанию научные проблемы на основе этой методологии. Цель исследования у всех одна – получение новых знаний об исследуемом объекте, процессе, явлении.

23

Лекция 7

Классификация систем

Системы разделяют на классы по различным признакам, в зависимости от решаемой задачи можно выбирать разные признаки классификации. Цель любой классификации – ограничить выбор подходов к отображению системы, сопоставить выделенным классам приемы и методы системного анализа и дать рекомендации по выбору методов для соответствующего класса систем.

Классификация – это декомпозиция множества систем по какому-либо признаку. Проблемы для любой классиф-ии:

1.выбор признака – способа декомпозиции

2.отсутствие формальных методов

3.оценка степени полноты и конкретности.

1.по субстанциональному признаку (по сущности вещей, явлений и признаков)

Материальные – это S, существующие в объективной действительности. (Атом → молекула → клетка → организм → популяции → общество → цивилизации)

Концептуальные (идеальные) – S, отражающие представление о реальной действительности (гипотезы, теории, результаты восприятия и представления окружающего мира, выраженные в той или иной форме: знаковой, символьной, музыкальной, художественной и т.д.)

Смешанные

концептуальные

S

смешанные

- абстрактные

- гипотетические

материальные

- логические

- символические

и т.д.

Образ-ны в рез-те взаимод-я иск. и ест.

естесствен

искусств

смешанн

S

н

ен

созданные

созданные человеком с

природой

определенной целью (простейшие механизмы, сложные

технические комплексы, организации: кафедры, унив.,

министерства)

Для естественных систем характерны объективные цели (будущее реальное состояние системы), а для искусственных – субъективные цели (будущее идеальное, планируемое в нашем сознании состояние системы и среды).

Данная классификация систем обладает полнотой, т.к. охватывает все известные и даже неизвестные человеку системы. Но, обладая большой общностью, она не обладает в достаточной степени конкретностью.

I Классификация естественных S

1)живые – S, обладающие способностью развития, адаптации, осущ-ие обмен с внешней средой (веществом, энергией, информацией) (флора, фауна)

2)неживые S – S, обладающие определенной структурой и нецеленаправленно функционирующие с внешней средой для поддержания функционирования живых S. (кристаллы)

3)социальные S – S, связанные с жизнью и отношениями людей в обществе. (педагогический состав, ученый совет)

4)Экологические – это множ-во организмов (живых систем) и сред их обитания.

Эта классификация тоже не завершена и охватывает, по-видимому, наши представления о мироздании на данный момент. Можно предположить и другую классификацию. Например, выделить такие классы, как физические, химические, планетные, астрономические и т.д. системы.

24

Далее рассмотрим класс искусственных систем, который связан с трудовой деятельностью человека, и разобьем его на подсистемы по уровню автономности (самостоятельности) функционирования систем, по уровню влияния на производительность труда.

IIИскусственные S по уровню автоматизации:

1)орудия – это S, предназначенные для расширения функциональных способностей человека при выполнении ручного труда (садовый инвентарь - лопата, грабли, инструменты)

2)механизмы и машины – это S, предназначенные для замены человека или исключения человека

при выполнении тяжелого физического труда или трудновыполнимых действий (экскаватор, подъемный кран, бурильная установка, швейная машинка)

3)автоматы и автоматические S – для исключения человека из производственного процесса или процесса управления, ввиду ограниченности его физических возможностей (станки-автоматы, АСУ температурой, скоростью, высотой полета и т.д., БЛА)

4)интеллектуальные S – созданы для помощи человеку в интеллектуальной деятельности

(роботы, экспертные S). Интеллектуальная деятельность может быть связана с распознаванием ситуации, принятием решения и эффективным выполнением сложных операций в средах, опасных для жизни человека (подводные роботы, роботы-сборщики и т.п.) или в быстроизменяющихся ситуациях, требующих для анализа обработки больших потоков информации (робот шахматист, робот-пилот)

По целям:

1. Созидательные – т.е. цель создание или созидание:

1)производящие – системы производства, в том числе статистические центры…добыча,…

2)исследовательские – НИИ, спутниковые, геофизические системы,…цель: получение новых знаний.

3)Учебные (обучающие) – школы, Вузы

4)Обслуживающие – производство услуг (ремонтные мастерские) и обеспечение работоспособности других S

5)Разведывательные (разведка недр, ЦРУ, КГБ)

6)Добывающие (горно-добывающие S, шахты)

7)Утилизационные (утилизация военной техники, городских отходов) - частный случай производства

8)S наблюдения или слежения (аэрокосмические S, S осущ-е экологический мониторинг).

2.Разрушительные (системы нападения, военно-технические, пиротехнические)

3.Оборонные (охранная, защитная: S сигнализации, защита инф., охрана ОС)

Частные случаи классификации S по целям:

1)поисково-спасательные (МЧС, пожарные, скорая помощь)

2)медицинские

3)управляющие (организации)

4)транспортные (автомобиль)

5)торговые (для осуществления торгово-денежного обмена)

6)коммуникационные (радиосвязь, телефон, спутниковая связь)

Данная классификация тоже не претендует на полноту. Кроме того одна и та же система (если она к тому же многофункциональная) может быть отнесена одновременно к нескольким классам систем.

IIIКлассификация смешанных систем по цели функционирования:

1.Организационные – S, предназначенные для выполнения той или иной организационной ф-ии, и содержащие в своей структуре людей (агентов) как активных элементов. (политические организации)

2.Производственные S – в рамках которых взаимодействуют орг-ые и технологические

элементы.

25

3.Эргатические – это сложные S управления, отражающие взаимодействие человека со средой его трудовой деят-ти (пилот и кабина).

4.Биотехнические

1)биотические – это технические S, моделирующие строение и ф-ии живых организмов

(искусственная почка, сердце)

2)биотехнологические – это технологические S, использующие в технологии живые организмы и биологические процессы (процесс брожения в хлебопекарном производстве)

3)биотехнические – это S, использующие живые организмы для функционирования технических S

(орлы в аэропортах, дельфин-торпеда)

5.автоматизированные S – это человеко-машинные S, предназначенные для решения различных классов задач, требующих обработки больших объемов инфо (АСУ, САПР, АСОИ)

6.робототехнические (роботизированные) – человеко-машинные S, в которых робот берет на себя ф-ии человека полностью или частично. (космический корабль, оснащенный роботами)

7.экономические S – предназначены для управления хозяйственной деятельностью региона, страны, группы стран в результате построения экономических отношений между элементами хозяйства (предприятия, отрасли, страны, рынки и т.д.).

8.финансовые S – это S формирования, распределения и использования средств через специализированные учреждения (банки).

2.Классификация динамических систем по виду математических моделей (по способу описания)

1.линейные и нелинейные – S, движение которых описывается лин. и нелин. Уравнениями соответственно.

2.стационарные и нестационарные – S с неизменными или изменяющимися во времени параметрами, первые из них описываются диф. уравнениями с постоянными, а вторые – с переменными коэфиициентами.

3.системы с сосредоточенными и с распределенными параметрами – у первых переменные состояния изменяются только во времени, у вторых – во времени и в пространстве (трубопроводы, линии электропередач). Первые описываются обыкновенными диф. уравнениями, вторые – диф. уравнениями в частных производных.

4.детерминированные и стохастические – у первых можно предсказать точно характер изменения переменных во времени, а у вторых – только с некоторой вероятностью.

5.непрерывные и дискретные – в первых информация передается в виде непрерывных величин, а во вторых информация передается в виде величин (сигналов), дискретных (квантованных) во времени или по уровню (импульсные и релейные системы, модель нейронной сети и т.п.)

26

3.Классификация S по виду динамических свойств:

1.устойчивые – S, способные возвращаться к ранее установившемуся равновесному состоянию после снятия возмущения, либо остаться в новом состоянии равновесия, если возмущение не снимается.

2.адаптивные (самоприспосабливающиеся) – S, обладающие свойством приспосабливаться к изменившимся характеристикам внешней окружающей среды, путем изменения параметров.

3.гомеостатические S делятся на:

1)неизменные параметры напр, t C внешней среды = -40С…+40С, а человека = 36,6С.

2)переменные параметры (структура, стратегия), (светлая кожа)

3)робастные (крепкие, сильные) – это S малочувствительные к изменениям характеристик самой S, окружающей среды или текущей ситуации.

4.самооптимизирующиеся – S, способные самостоятельно выбирать оптимальные в смысле выбранного критерия режимы функционирования, при изменении свойст окружающей среды. (генетические алгоритмы)

5.самообучаемые – S способные самостоятельно определять цели, критерии и алгоритмы функционирования при изменении свойств (характеристик) ОС за счет использования опыта обучения. (ЭС, нейронные сети)

6.самоорганизующиеся системы – S способные самостоятельно решать задачи адаптации и обучения за счет пересмотра структуры организации.

7.саморазвивающиеся (самопрогнозируемые) – S, способные предвидеть во времени свое будущее состояние и использовать эту инф. для эффективного развития.

4.Классификация по виду выполняемых функций:

Функция – множество взаимосвязанных и целенаправленных действий (операций, процедур) которые необходимо выполнить за некоторый отрезок времени для достижения поставленной цели. Все системы можно разделить на 1-но и многофункциональные. Многофункциональные можно представить как некоторую систему, образованную из однофункциональных подсистем.

Функции: управления; планирования; принятия решений; диагностики; прогнозирования; контроля; реализации; финансирования; обслуживания и т.д.

Данная классификация по функциям во многом пересекается с классификацией по целям, т.к. выполняемые функции есть степень детализации поставленных целей.

5. Классификация по виду структур:

1)линейная структура (станция метро)

2)иерархическая (многоуровневая) S с древовидной структурой

3)матричная стр-ра

4) сотовая

структура

5) сетевая

структура

6) замкнутые системы (S с обратной связью)

27

7)	S со скелетной	структурой
8)	цепная	структура

28

6. По признаку развития S во времени: ?? 5 этапов существования S ??

1. развивающиеся S – это S, в кот происходят качественные изменения структуры, ф-ий и как следствие эфф-ти S.

1)с экстенсивной структурой – в этом случае повышение эфф-ти S осуществляется путем наращивания элементов при их неизменном качестве.

2)С интенсивной структурой – повышение эфф-ти S обеспечивается за счет увеличения

количества связей и наращивания их мощностей при этом элементный состав может остаться неизменным.

2. Стабильные S – это S, у кот структура, функции и свойства не изменяются в течение длительного периода времени.

3.деградирующие S – это S, кот. теряют со временем некоторые свойства, функции, цели вследствие постепенного разрушения структуры

4.редуцирующие - со временем происходят изменения структуры в сторону ее упрощения, а связи ослабляются.

7. Классификация по другим признакам:

1. сложные и простые, большие и малые.

Большие – содержат большое кол-во базовых элементов и связей между ними, S большой размерности.

Сложные – имеют многоуровневую (иерархическую) структуру, состоят из большого кол-ва взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем. В качестве меры сложности может быть кол-во элементов, сложность связей, сложность алгоритмов вычисления, управления, мера неопределенности (энтропия), сложность идентификации и т.д.

2.управляемые и управляющие: Управляемые – системы, состояние которых требуется изменить

вжелаемом направлении; Управляющие – системы, с помощью которых обеспечивается достижение цели или желаемого состояния управляемых систем за заданный интервал времени

3.открытые и закрытые (замкнутые) (способность обмениваться со средой массой, энергией,

инф.)

4.статические и динамические

5.по степени разнородности элементов: гомогенные и гетерогенные (см. сист. закон №4). Гетерогенная - разнородная по составу своих первичных элементов.

Гомогенные S – однородные по своему составу, явл-ся идеализацией гетерогенной системы.

29

Лекция 8

3. Системные законы и принципы как основа методологии системных исследований

3.1 Важнейшие жизненные этапы существования S

Каждая S претерпевает ряд жизненных этапов, образующих ее жизненный цикл. К важнейшим жизненным этапам относятся этапы, связанные с процессами зарождения (проектирования, изготовления), функционирования, развития (эволюции), деградации (старения) и перерождения (гибели) S. Протекание этих процессов подчинено определенным системным законам и принципам, которые являются лишь выражением общих законов диалектики. Знание системных законов и принципов важно как при проектировании искусственных S, так и при изучении свойств естественных S. Отсутствие этих знаний или пренебрежение системными законами и принципами м. привести к печальным результатам. Например, при проектировании технич. S и комплексов это м. привести к резкому ограничению функциональных возможностей S, в худшем случае к преждевременному разрушению и гибели S. Или например, незнание и неучет эк. законов функционирования той или иной эк. S приводит к ее полному краху. Здесь эк. законы часто выступают как конкретная форма реализации в эк-ке общесистемных законов и принципов.

Основные этапы существования S:

															1	– зарождение
															2	– развитие
															3	– функционирование
	1			2			3			4			5
															4	– деградация

5 – гибель (перерождение S)

1.Зарождение

Цель – циклически уточняется, изменение параметров S характеризуется высокой степенью неопределенности и риска.

Составляющие системные процессы:

-зарождение идеи

-синтез моделей будущей S

-исследование, конструирование

-разработка технологий

-производство

-испытание продукции

2.Развитие

Цель может изменяться в виде незначительных корректировок.

Параметры S харак-ся значительными изменениями, которые приводят к появлению нового качества.

Системные процессы:

-прогнозирование

-реконструирование

Характер процессов управления: адаптивное и самоорганизация.

3. Функционирование Цель фиксирована.

Параметры S незначительно изменяются (количественно), качественных изменений нет. Системные процессы:

-планирование;

-учет;

-контроль;

30

-диагностика;

-обеспечение безопасности;

-мониторинг;

Характер процессов упр-я: оперативное упр-е – это упр-е на малых интервалах времени.

4.деградация (старение)S.

Цель S изменяется, стр-ра S изменяется в сторону упрощения, т.е. уменьшения кол-ва связей. Теряются способности к реализации некоторых жизненно важных функций (развития, адаптации, самосовершенствования, самосохранения, самоорганизации, самоконтроля и т.д.) из-за недостаточности ресурсов (энергетических, материальных, информационных, интеллектуальных, и т.д.) и из-за несовершенства, устаревания технологий, способов организации, структурных изменений, из-за изменения ВС, условий эксплуатации.

5. Гибель S – переход S в иные формы сущ-я сильно отличающиеся от первоначальной формы способами метаболического (вещественного, энергетического и инф-го) обмена с внешней средой.

Вывод: на каждом этапе S должна подчиняться определенным системным законам и принципам, нарушение которое может привести к снижению эфф-ти функционирования S.

3.2 Общесистемные законы (законы строения S)

1. Закон системности (закон иерархического строения мира).

Любая S с одной стороны м.б. S среди себе подобных, т.е. состоять из множества взаимосвязанных м/у собой элементов (п/с), а с другой стороны м.б. п/с другой более сложной S. Этот закон определяет иерархическое строения СС. Он нацеливает проектировщика на то, чтобы при проектировании СС были учтены не только взаимосвязи м/у элементами внутри S, но и с S, относящимися к ОС.

Частным случаем проявления закона системности является принцип комплексности (синергетический подход), который состоит в рассмотрении конкретной проблемы, плана, процесса, S и т.д. в комплексе с др. проблемами, планами и т.д.

2. Первый закон преобразования композиции (структур) систем.

Всего в природе существует 7 способов образования новых композиций (структур) систем построенных из элементов множеств Ф и Н. Эти способы основаны на изменении:

1)только кол-ва элементов множеств Ф и Н; //при неизменном качестве

2)только элементов связи (отношений) множества Н;

3)только элементов (первичных п/с) множества Ф;

4)кол-ва и элементов связи;

5)кол-ва и первичных элементов (п/с);

6)элементов связи и первичных п/с;

7)кол-ва, элементов связи и первичных п/с.

Когда речь идет о замене элементов связи и первичных элементов, то имеется ввиду замена их подобными элементами, но с др. характеристиками, свойствами. Например, в оргсистемах – смена кадров. При данной замене структура не меняется.

3. Второй закон преобразования композиций (структур) систем.

Относится только к первому способу преобразования композиций систем, детализирует изменение количества.

В природе существуют след. способы изменения кол-ва базовых элементов Ф и связей Н.

1) путем присоединения (прибавления, наращивания) некоторого количества элементов и связей

а) внешняя форма (поглощение из вне);

б) внутренняя – путем деления и распада элементов самой S, путем синтеза новых элементов внутри S;