Глава 3 методические основы разработки аис

§ 3.1. Понятие системного подхода

В основе построения АИС, последовательности ее разработ­ки, создания и внедрения лежит системный подход. Основной его чертой является подход к проблеме управления как процес­су, учитывающему взаимосвязь частей или отдельных подсистем. Главным в системном подходе является установление целей, со­средоточение внимания на построение целого в отличие от пост­роения отдельных подсистем. Системный подход оказался необ­ходимым при увеличении сложности и размерности систем уп­равления, когда оказалось, что невозможно создать большую или сложную систему путем суммирования отдельных ее состав­ляющих. Свойства большой системы определяются не просто как арифметическое сложение свойств отдельных составляющих, возникает системный эффект, проявляются дополнительные ка­чества системы как следствие взаимодействия отдельных под­систем. Таким образом, системный подход заключается в изуче­нии явлений во взаимодействии их друг с другом. По своему со­держанию системный подход—это один из элементов материа­листической диалектики. Фундаментальным понятием этого под­хода является система как одна из всеобщих философских категорий. Содержание понятия «система» определяется ступенью познания явлений действительности и исходит из той задачи, ко­торую ставит перед собой исследователь. Можно выделить две стороны системного подхода: познавательную и конструктивную [9]. В соответствии с этим могут быть приведены разные опре­деления понятия системы.

Дискрептивное определение системы в общем виде может быть следующим: система представляет собой совокупность объ­ектов, свойства которой определяются отношениями между эти­ми объектами. Объекты, входящие в систему, называются зле-ментами системы либо подсистемами, если в дальнейшем они рассматриваются как системы, Дискрептивный подход как по­знавательный дает возможность объяснить функции, выполняе­мые системой. Функция есть проявление взаимодействия систе­мы с внешней средой. Функции обычно изучаются, когда систе­ма рассматривается извне. Проявление функции во времени на­зывают функционированием системы. Ее работа и внутреннее устройство тесно взаимосвязаны, а поэтому с понятием функции тесно связано другое понятие — структура. Если функции вво­дятся для объяснения поведения системы извне, то понятие «структура» вводится для объяснения функционирования систе­мы изнутри, т. е. определения ее устройства.

Изучение функций либо изучение структуры приводит к двум подходам при познании системы: к функциональному, либо к структурному. При одновременном анализе внутреннего устрой­ства системы и ее взаимодействия с окружающей средой могут использоваться оба подхода в единстве, возникает структурно-функциональный подход. Таким образом, дискрептивное описа­ние необходимо для изучения уже созданных систем, прежде все­го естественных, возникших вне человека, и человек с использо­ванием данного подхода объясняет окружающую действитель­ность.

В технике существуют технические системы, которые созда­ны искусственно, т. е. человеком, поэтому наряду с познаватель­ной частью деятельности человека весьма важна часть конструк­тивная, когда нужно ответить на вопрос, как строить такую си­стему, чтобы она удовлетворяла поставленной цели и обеспечи­вала выполнение требуемых от нее функций. Поэтому при созда­нии технических, автоматических и автоматизированных систем управления весьма важным является конструктивный подход. При конструктивном подходе обычно известны требуемые свой­ства системы, т. е. ее функции, по которым необходимо получить структуру системы. Очевидно, что дискрептивный и конструктив­ный подходы являются взаимодополняющими: первый обучает проектировщика, второй позволяет ответить на вопрос: как за­дать цель, под которую нужно построить систему, и как построить систему, которая реализует требуемую цель? В общем виде под "целью" понимают состояние к которому направлена тенденция развития системы. Цели бывают обьективные (например, в неживой природе) и субьективные (в живой)Проблема развития является различной для жнвой и нежн-вой природы. Техническая система, разработанная инженером, при своем функционировании препятствует последующему раз­витию, т.е. данный экземпляр системы не подлежит развитию. Однако опыт, накопленный при эксплуатации данного вариан­та системы, может быть использован при конструктивном под­ходе, когда проектируется следующий, более совершенный ва­риант, Поэтому развитие в технических системах предполагают как воплощение опыта, накопленного при функционировании предыдущих вариантов технических систем, в новых образцах техники. Для разработчика в основе создания системы первона­чально лежит некоторая цель. Цель возникает только тогда. когда ставится проблема. Цель обусловливает критерий, позво­ляющий отобрать из окружающей среды те элементы, которые войдут в систему. Отсюда вытекает несколько субъективный подход к понятию «система». В систему необходимо включать конечное число элементов, которые необходимы для решения по­ставленной проблемы, т. е. система есть средство решения проб­лемы.

Границу между отобранными элементами, т. е. системой, и неиспользуемыми элементами, т. е. внешней средой, определяет исследователь. Под внешней средой можно понимать совокуп­ность всех систем, кроме той системы, которая образуется в со­ответствии с поставленной целью. Отсюда можно дать следую­щее конструктивное определение системы: система есть конечное множество элементов и отношений между ними, выделяемое из среды в соответствии с конкретной целью в рамках требуемого интервала времени. Выделенная в конструктивном понимании система обладает свойственной только ей структурой, т. е. схема образования системы представляется как такая последователь­ность: возникает проблемная ситуация, по которой формируется цель. По поставленной цели определяются функции системы, по функциям строится структура. В философии вводятся понятие формальной, материальной и логической структур системы. Под формальной структурой понимают совокупность элементов и от­ношений между ними, необходимых и достаточных для достиже­ния системой заданных целей; при этом предполагается, что не­зависимо от нас эта формальная структура существует. Очевид­но, эта структура является идеальной, и к ней должен стремить­ся исследователь. Материальной структурой называют реальное выполнение формальной структуры при ее реализации. При со­здании технических систем различают логический и физический уровни: на логическом уровне строится некоторый вариант фор­мальной структуры системы, физический уровень воплощает ма­териальную структуру. Можно надеяться, что одной я той же фиксированной цели системы соответствует одна формальная структура и ей может соответствовать множество материальных структур. Однако при проектировании технических систем ин­женер обычно не ограничивается какой-то одной формальной структурой. Обычно из совокупности предложенных структур по некоторым критериям качества выбирается одна наиболее целе­сообразная. При этом весьма важным оказывается процесс фор­мализации структуры, выделения класса структур, классов их преобразования, инвариантных по отношению к заданным це­лям, развития формальных методов анализа и синтеза структур, выбор их оптимальных вариантов автоматизированными средст­вами.

Выделенная в рамках заданной проблемы система взаимо­действует с окружающей средой. Это взаимодействие проявля­ется внешними входными и выходными связями. По своему ха­рактеру обобщенно эти связи можно разделить на информаци­онные и ресурсные. Чтобы система была создана, нужна цель, которая выражается в информации. Чтобы система была реали­зована на каких-то средствах, нужны ресурсы в виде вещества, энергии, т. е. ресурсные связи—это связи материальные. Поэто­му на входе системы задаются цель (в виде информации) и ре­сурсы, на выходе формируются информация о результате функ­ционирования системы и некоторый результат в виде потери ре­сурсов. Рассмотрение системы возможно как в информационном, так и в материальном аспектах. Информационный аспект пред­полагает рассмотрение системы как «черного ящикам и позволя­ет использовать понятия и средства кибернетики, такой подход получил название кибернетического.

Рассмотрим приложение структурного и функционального подходов к анализу и синтезу структур АИС. С помощью струк­турного подхода могут быть описаны и классифицированы структуры, выяснены классы преобразования структур, инвари­антных к заданной цели, созданы формальные методы анализа и синтеза структур, разработаны алгоритмы, оценивающие со­став элементов, входящих в структуру, и проведена оптимиза­ция. Исходя из перечня этих задач, видно, что они возникают при анализе и синтезе организационной структуры АИС, при изучении связей между элементами и формализации их на осно­ве теории графов. Эти процедуры соответствуют двум основным этапам структурного подхода: определению состава элементов в организационной структуре к выявлению оптимальной струк­туры системы.

Оптимальная структура в философском смысле соответству­ет формальной структуре, под которой понимают совокупность функциональных элементов и их отношений, необходимых и до­статочных для достижения системой заданных целей. При этом организационная структура должна реализовывать заданную цель управления с минимальными ресурсами. Реальное напол­нение формальной структуры приводит к материальной структуре, т.е. к физической реализации организационной структуры в виде конкретной организационной схемы управления с соответ­ствующим распределением задач по уровням управления. Функ­циональный подход оказался наиболее плодотворным при ана­лизе и синтезе функциональной структуры. Функции системы— это ее свойства в динамике, приводящие к достижению цели. Не­обходимо иметь способ описания различных функций и критерии сравнения их. Функциональная структура выявляет отношения системы с окружающей средой, называемые свойствами или ха­рактеристиками системы. Характеристики могут быть качествен­ными и количественными. Для количественной характеристики вводят понятие параметра, т. е. числа, которое выражает отно­шение между данной характеристикой и некоторым эталоном.

Функционирование системы есть движение точки» изображаю­щей эту систему, по некоторой траектории в пространстве со­стояний. Существует некоторое состояние конечной цели, пере­ход в которое возможен по различным траекториям, и проекти­ровщик обязан найти наилучшую траекторию движения систе­мы к заданному целевому состоянию. Функционирование систе­мы как переход системы из одного состояния в другое обычно описывается с помощью совокупности параметров, характеризующих качество системы. Выявление оптимальных траекторий движения является трудной задачей, решаемой обычно формаль­ным образом. Чаще всего функциональная структура отдельных элементов бывает неизвестна, и функциональный подход реали­зуется как кибернетический, т. е. устанавливаются состояния на входе и на выходе, функции отдельных элементов системы описываются через некоторые операторы, связывающие состоя­ния выхода и входа.

Так как организационная и функциональная структуры явля­ются отображениями единой структуры системы, то структур­ный и функциональный подходы при анализе и синтезе объеди­няются в структурно-функциональный подход, основными зада­чами которого можно считать синтез структур вновь создавае­мых АИС, выявление функций уже созданных и функционирую­щих систем. Анализ структур предполагает исследование боль­шого разнообразия структур, классификацию их по наиболее ха­рактерным признакам, в качестве которых могут быть выбраны типы иерархии, древовидность, связь с внешней средой, направ­ленность связей, значимость отдельных элементов структуры. Иерархия позволяет многократно делить систему на подсистемы, причем любая подсистема может рассматриваться как содержа­щая определенное количество подсистем, выделенных из данных и имеющих подчиненное значение.

Деление на подсистемы может выполняться по-разному в за­висимости от правил объединения элементов. Пределом деления является возникновение на нижнем уровне подсистемы, которая еще может выполнять функции управления. Чтобы овладеть системным подходом, разработчик должен быть поставлен на уро­вень более высокий, чем уровень разрабатываемой системы. Он должен рассматривать создаваемую систему как подсистему не­которой системы более высокого ранга. Если создается АСУП, то разработчик должен рассматривать ее как составную часть отраслевой АИС либо АИС объединением.

Л юбую АИС характеризует огромное количество исходных данных, сложность производственных связей на предприятии, стохастичность воздействий внешней среды, что вызывает необ­ходимость учета социально-экономических и организационно-технических факторов. Исследователь должен изучать проекти­руемую систему не изолированно от внешней среды, а в совокуп­ности с другими системами (подсистемами). При системном подходе АИС рассматривается как интегрированное целое, при­чем в основе интеграции содержится цель управления. Синтез системы (С) на базе системного подхода представлен на рис. 3.1. Первым этапом синтеза является формирование заданной цели функционирования (Ц). Этот этап обычно реализуется с помощью метода декомпозиции, позволяющего выявить необходимые данные (Д) и соответствующие им требования (Т), как усло­вия достаточности реали­зации заданной цели. Обычно цель может де­композироваться на под­цели. Иерархия целей должна быть дополнена перечнем ресурсов для обеспечения каждой цели, фиксированием их уровней и взаим­ной подчиненностью. На основе исходных данных, которые воз­никают из анализа окружающей среды, цели управления, огра­ничений на ресурсы и возможности ее реализации, формиру­ются технические требования. С учетом этих требований созда­ются отдельные подсистемы (П), компоненты (К) и осуществля­ется выбор (В) этих компонентов на основе критерия эффек­тивности (KB).