Лекция 7_2011 (Электронные)

10

Лекция 7

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Учебные вопросы:

1. Определение основных понятий системного подхода

2. Принципы системного подхода

3. Стадии исследования систем

1. Определение основных понятий системного подхода

Системный подход предполагает применение целого ряда понятий и определений. К ним относятся понятие системы, элемента, связи, структуры и т.д.

Система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных регулярным взаимодействием и направленных на достижение определенной цели.

Элемент - это часть системы, имеющая определенное функциональное назначение, внутреннее строение которой не рассматривается в рамках поставленной задачи.

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

Система определяется как объект, который должен обладать, по крайней мере, следующими четырьмя свойствами:

- целостность и делимость;

- наличие существенных связей между элементами;

- определенная организация элементов, формирующая структуру системы;

- существование интегративных качеств у системы в целом, которыми не обладают никакие отдельно взятые ее элементы.

Ключевым понятием теории систем и определяющим свойством любой системы является ее целостность. В целостной системе отдельные части функ­ционируют совместно, составляя в совокупности процесс функционирования системы как целого. Каждый элемент может рассматриваться только в его связи с другими элементами системы.

Функционирование разнородных взаимосвязанных элементов порождает качественно новые функциональные свойства целого, не имеющие аналогов в свойствах его элементов. Это означает принципиальную несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость свойств целостной системы из свойств элементов.

Структурой системы называется ее деление на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на время рассмотрение и даю­щее представление о системе в целом. Можно считать, что структура - это способ организации целого из составных частей.

Структура может иметь:

- материальную (вещественную);

- функциональную;

- алгоритмическую и другую основу.

Структуру системы удобно изображать в виде графической схемы, состоящей из ячеек (групп) и соединяющих их линий (связей). Такие схемы называются структурными.

Приведем примеры структур. Вещественная структура гусеничного движителя танков семейства Т-72 состоит из двух ведущих колес, двух гу­сениц, двух направляющих колес с механизмами натяжения, двенадцати опорных и шести поддерживающих катков. Грубая структурная схема такой системы укажет только ее элементы (узлы) и порядок их соединения. Пос­ледние и есть связи, которые здесь носят силовой характер.

Пример функциональной структуры - это деление силовой установки танков се­мейства Т-72 на системы питания топливом, питания воздухом, смазки, охлаждения, подогрева и воздушного запуска.

Пример системы, где ве­щественные и функциональные структуры слиты, - это подразделения войс­кового формирования, занимающиеся разными сторонами выполнения одной и той же боевой задачи.

Типичной алгоритмической структурой будет алго­ритм (схема) программного средства, указывающая последовательность действий. Также же алгоритмической структурой будет инструкция, опре­деляющая действия при отыскании неисправности технического объекта.

Структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней (или преобладающим) типам связей. Простейшими из них являются после­довательное, параллельное соединение элементов и обратная связь.

Близким к понятию структуры является термин "декомпозиция".

Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой. Примерами декомпозиции будут:

- рассмотрение физического явления, происходящего в отдельно взятой час­ти системы (рассмотрение процессов, происходящих в амортизаторе танка, как отдельно взятой части системы подрессоривания);

- разделение объекта на отдельно проектируемые части, зоны обслуживания (разделение комп­лекса основного вооружения танка на подсистемы поиска, подготовки пер­вого выстрела, решение задачи встречи снаряда с целью и поражения це­ли).

Важнейшим стимулом и сутью декомпозиции является упрощение систе­мы, слишком сложной для рассмотрения целиком.

Иерархией называют структуру с наличием подчиненности, т.е. нерав­ноправных связей между элементами, когда воздействия в одном из нап­равлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другом.

Виды иерархически структур разнообразны. Среди них встречаются такие экзотические, как кольцевые (первый элемент доминирует над вто­рым, второй - над третьим и т.д., но последний - над первым!) или ме­няющие направление доминирования. Но основных, важных для практики иерархических структур всего две - древовидная (веерная) и ромбовидная.

Древовидная структура наиболее проста для анализа и реализации. В ней почти всегда удобно выделять так называемые иерархические уровни - группы элементов, находящихся на одинаковом иерархическом (по числу промежуточных элементов) удалении от верхнего (главенствующего) эле­мента.

Ромбовидная структура ведет к двойной (иногда и более) подчинен­ности, отчетности, принадлежности нижнего элемента. В технике - это участие данного элемента в работе более чем одного узла, блока, ис­пользование одних и тех же данных или результатов измерений в разных задачах.

Перейдем к введению следующей важной группы понятий. До сих пор мы называли связью воздействия одного элемента (или группы элементов) на другой (группу). Ничто не мешает распространить понятие связи и на взаимодействие системы с"не-системой", т.е. с внешней средой. Следующий шаг в исследовании связей в системе состоит в выде­лении для данного элемента: а) всех тех воздействий, которые он испы­тывает со стороны других элементов и "не-системы"; б) воздействий, ко­торые он оказывает на другие элементы и "не-систему". Первую группу воздействий принято называть входами (воздействия "на элемент"), а вторую - выходами (воздействия "от элемента").

Введем понятия состояния и процесса в системе.

Ситуация при фиксированных значениях характеристик в системе, важных для це­лей рассмотрения, называется состоянием системы.

Процессом называется набор состояний системы, соответствующий упоря­доченному непрерывному или дискретному изменению некоторого параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.

Процесс движения (изменения) системы во времени называют динами­кой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, другие физические величины.

2. Принципы системного подхода

Принцип конечной цели: абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели.

Любая по­пытка изменения, совершенствования и управления в такой системе должна оцениваться с точки зрения того, помогает или мешает она достижению конечной цели.

Принцип единства: совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей (элементов).

Предусматривает изучение системы во взаимодейс­твии с окружающей средой и выделение возмущающих факторов, а также изучение системы на основе выделения ее составных элементов, взаимодействие которых обеспечивает присущие системе в целом новые ка­чественные особенности.

Принцип связности: рассмотрение любой части совместно с ее связя­ми с окружением.

Принцип иерархии: полезно введение иерархии частей (элементов) и (или) их ранжирование.

Акцентирует внимание на полезности отыскания или создания в системе иерархического (доминирующего) характера связей между элементами, подсистемами и целями.

Принцип функциональности: совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой.

Утверждает, что любая структура тесно связана с функцией системы и ее частей, и исследовать (создавать) структуру необходимо после уяснения функций в системе.

Принцип функциональности предусматривает выяснение состава функ­ций и изучение внутренних связей и взаимодействия элементов системы.

При функциональном подходе специалисты концентрируют свое внимание не на конкретной конструкции, а на функциях, которые должен выполнять объект, определяя последовательно их необходимость, теорети­чески возможные варианты осуществления, практические реальные и, нако­нец, экономически эффективные варианты.

Принцип развития: предусматривает изучение истории и перспективы развития системы, т.е. требует представления системы в непрерывном развитии. Каждая система проходит этапы разработки, создания, эксплуа­тации и последующего совершенствования на новом уровне. Поэтому для изучения систем необходимо знать, как возникла данная система, какие этапы совершенствования проходила в своем развитии, какой она стала в настоящее время и какие перспективы развития имеет в будущем.

Принцип децентрализации: рекомендует сочетание в принимаемых решениях и уп­равлении централизации и децентрализации.

Принцип неопределенности утверждает, что мы можем иметь дело и с системой, в которой нам не все известно или понятно. Это может быть система с невыясненной структурой, с непредсказуемым ходом процессом, со значительной вероятностью отказов в работе элементов, с неизвестны­ми внешними воздействиями и др.

В свете изложенных принципов описание сложных объ­ектов природы, техники и общества как систем в общем случае должно от­ражать:

- цели и задачи исследования;

- место исследуемой системы в системе высшего порядка;

- характер взаимодействия исследуемой системы с внешней средой, форма и механизм этого взаимодействия;

- главные функции (свойства, цели, предназначения) исследуемой сис­темы;

- основные показатели функционирования системы;

- структуру системы и функциональное назначение элементов;

- содержание связей между элементами системы;

- структуру управления и организацию целенаправленного поведения системы;

- гипотезу о механизме функционирования системы;

- анализ функционирования и прогнозирование развития системы на ос­нове выявленных целей и задач системы и механизма ее функционирования.

Существует три основных уровня анализа системы: параметрический, морфологический и функциональный.

Параметрический анализ системы, являющийся исходным уровнем ана­лиза, состоит в описании системы в целом, ее признаков и внешних свя­зей. Например, параметрический анализ системы "основной танк" предпо­лагает описание боевых задач взвода, ее специфических черт, которые отличают танк от других боевых машин, обеспечивающих выполнение боевой задачи.

Морфологический анализ (морфология - наука о форме, строении) состоит в определении поэлементного состава системы и, главное, в отыскании и описании связей между элементами системы. Для системы "танковая дивизия" морфологическое описание заключается в определении количества частей, характера их взаимодействия в бою, в определении наличных технических средств, личного состава и их состояния.

Функциональный анализ позволяет установить функциональные связи элементов между собой, между элементами и центральным звеном системы в целом. Функциональное описание позволяет перейти к выявлению процесса функционирования системы в целом, к управлению выявленными связями, а, следовательно, к изменению параметров, характеризующих поведение системы.

3. Стадии исследования систем

В свете вышеизложенных основных понятий и принципов системного подхода рассмотрим схему исследования систем с целью поиска наи­лучшего способа управления этими системами.

В общем случае схема исследования систем с целью поиска наилучшего способа управ­ления этими системами может быть представлена в виде трех основных стадий исследования систем:

- формирование общих представлений о систе­ме;

- формирование углубленных представлений о системе;