Объектов

Любой искусственный объект можно рассматривать с двух точек зрения – глазами пользователя и глазами разработчика.

Приобретая телевизор, покупатель, прежде всего, интересуется, его дизайном и техническими характеристиками, такими как размер экрана, внешний вид, габариты и т.д. Покупатель смотрит на объект как бы с внешней стороны – глазами пользователя. Телевизор в данном случае – это в буквальном смысле «черный ящик» и содержимое его для Вас, как пользователя, не представляет никакого интереса.

Для разработчика кроме дизайна и выходных характеристик, большое значение приобретает вопрос, какую структуру телевизора необходимо выбрать, как спроектировать тот же телевизор, из каких деталей он будет изготовлен, и как их собрать воедино, чтобы он выполнял свое функциональное предназначение, в рамках заданных технических и эргономических характеристик. Таким образом, разработчика, прежде всего, интересует внутреннее строение объекта - его структура.

Исходя из вышесказанного следует, что существует два альтернативных подхода к моделированию объекта:

· детерминистский;

· системный.

Детерминистский подход рассматривает объект как «черный ящик». Его работа (поведение) описывается некоторой функцией и сопровождается определенным набором параметров. Предполагается, что внешняя среда («окружение») не оказывает влияния на работу объекта. Это означает также отсутствие взаимного влияния таких объектов друг на друга.

Другими словами, во взаимодействии они будут работать точно так же, как и в изоляции. Такой изолированный взгляд значительно упрощает изучение объектов, но приводит к необходимости делать массу (порой необоснованных) допущений. Например, в электронике приходится предполагать, что входные сопротивления неизмеримо выше выходных (, ), а мощности любых источников питания и выходных сигналов бесконечно велики.

Системный подход предлагает «забраться» внутрь «черного ящика» и посмотреть, что там есть. В этом случае, объект представляется как совокупность связанных между собой элементов (структуру), которые еще и влияют друг на друга.

Кроме того, системный подход предполагает, что «окружение» оказывает влияние на поведение объекта, и этим влиянием пренебрегать нельзя.

Таким образом, можно зафиксировать важную особенность системного подхода: он рассматривает объект не как «черный ящик», а как сложно организованную систему, состоящую из множества взаимодействующих элементов. Поведение объекта должно рассматриваться «в окружении» (с учетом влияния внешней среды). То же самое можно сказать и об отдельном элементе системы.

Любой элемент можно в свою очередь расчленить на более мелкие части и повторно применить к ним системный подход. Таким образом, можно говорить о структурной декомпозиции объекта и его иерархической организации..

Для иерархического описания определены две операции противоположного действия:

· Push – понизить (детализировать) описание;

· Pop – повысить уровень описания (спрятать структуру в «черный ящик»).

В итоге можно сказать, что системный подход позволяет:

1. Представить одну сложную задачу совокупностью более простых, которые можно решать быстрее и легче. А главное, их можно решать параллельно.

2. Проектирование на любом иерархическом уровне ведется с учетом окружающей среды. Это исключает ситуации, когда готовый проект при реализации отказывается работать из-за не идеальности источников питания, внешних помех и наводок, изменения температуры, неучтенной нагрузки и т.п.

Благодаря системному подходу, реализованному в процедурах иерархического проектирования, удалось расширить класс принципиально решаемых задач (например, проектирование СБИС) и повысить качество проектирования.

Примечательной особенностью системного подхода является его универсальность.

Системный подход применим:

· как для сложных, так и для простых объектов:

· при многоуровневом описании сложных систем он «работает» на любом иерархическом уровне.

То есть универсальность системного подхода заключается в том, что он может, применятся не только к самой системе в целом, но и к любой ее части.

Системный подход к моделированию заимствует основные понятия, определения и методологию общей теории систем. Назовем некоторые из них.

Система - это совокупность связанных элементов, объединенных в одно целое для достижения определенной цели (например, логический элемент, триггер, счетчик, процессор). Другими словами, любой объект любой сложности можно рассматривать как систему. Пример иерархической структуры показан на рис.4.3.

Чтобы разобраться в системе, изучить, исследовать ее (задача анализа), необходимо:

· описать систему и зафиксировать ее свойства;

· описать поведение системы, а также ее структуру и параметры.

То есть требуется построить одну или несколько моделей.

Для этого надо ответить на три основные вопроса:

· Что она делает (узнать поведение, функцию системы);

· Как она устроена (выяснить структуру системы);

· Каково ее качество (насколько хорошо она выполняет свои функции).

Последнее проиллюстрировано на рис. 4.4.

Рис. 4.3. Иерархическая организация объекта (на примере RS-триггера)

Структура системы - это фиксированная совокупность элементов, составляющих систему, и связей между ними.

Наиболее часто структура системы изображается в виде схемы. Это может быть блок-схема, структурная, функциональная или принципиальная схема. Наконец, это может быть монтажная схема или сборочный чертеж, печатная плата или топология. Такие схемы называют инженерной формой представления структуры схемы.

Другой, математической формой отображения структуры является граф. В этом случае элементы структуры представляются вершинами графа, а связи - его дугами или ребрами. В частности, модель вычислительной системы часто представляется в виде сети Петри.

Рис. 4.4. Описание объекта как системы

Структурный элемент системы - это элементарная, неделимая на данном уровне детализации единица (часть) системы. Неделимость элемента - это удобное допущение, но не физическое свойство. Оперируя понятием элемент, мы оставляем за собой право перейти на более низкий иерархический уровень и говорить о том, из чего состоит элемент. Сказанное свидетельствует о физической разложимости последнего.

Элемент системы часто называют структурным примитивом (СТП). В действительности, он является «черным ящиком» и указывает входы, выходы и выполняемую функцию.

Название структурный примитив не должно вводить в заблуждение. В зависимости от сложности системы и уровня ее детализации в качестве структурного примитива может выступать отдельный транзистор, логический элемент, счетчик или целый микропроцессор.

Обычно структурными примитивами представляются конструктивно законченные изделия, которые не надо проектировать, например интегральные микросхемы любого уровня сложности.

Функция системы - это формализованное или содержательное (словесное) описание принципа работы (функционирования) системы. Функцию системы желательно представить в аналитической форме, используя тот или иной математический аппарат, например функциональный анализ, теорию очередей, марковские модели, исследование операций, математическую логику и т.п.

Для сложных систем не удается получить формализованное описание. В этом случае поведение системы представляется алгоритмом, записанным в той или иной форме (блок-схемы или граф-схемы алгоритмов, операторные схемы).

В крайнем случае, можно довольствоваться словесным описанием работы системы. Но от такого описания мало пользы, если речь идет об автоматизации проектирования.

Параметры системы – это величины характеризующие качество, свойства или режимы работы объекта. Различают выходные, внутренние и внешние параметры.

Выходные параметры – это показатели качества системы. По ним можно судить о правильности функционирования системы и ее качестве. Они позволяют сравнивать однотипные по назначению системы, сделать выбор подходящего варианта.

Выходных параметров обычно много и их принято представлять вектором: .

Например, если в качестве системы рассматривается операционный усилитель, то его выходными параметрами будут:

· y ₁ – коэффициент усиления;

· y ₂ – полоса пропускания;

· y ₃ – напряжение смещения нуля;

и т.п.

Для логического элемента выходные параметры будут другими:

· y ₁ – потребляемая мощность;

· y ₂ – задержка распространения сигнала;

· y ₃ – коэффициент разветвления по выходу и т.п.

Внутренние параметры – это параметры структурных (внутренних) элементов системы: .

Для рассмотренных примеров элементами системы являются транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды и т.п. Следовательно, в качестве Х -параметров могут выступать коэффициент усиления по току транзистора, частота единичного усиления, тепловой ток, напряжение пробоя коллекторного перехода, температурный коэффициент сопротивления, технологический разброс и т.п.

Внешние параметры – это параметры внешней среды, оказывающие влияние (обычно отрицательное) на функционирование системы.

.

Прежде всего, это параметры источников питания, температура, внешние наводки и помехи. Входные сигналы и нагрузка также являются внешними по отношению к системе параметрами («окружением» системы).

Параметры входных сигналов иногда выделяют в отдельную группу и называют входными параметрами: .

Конечно, в этом нет особой необходимости, однако графическое представление объекта становится более наглядным (рис.4.5).

Как видно из рис.4.5 между различными видами параметров, существует некоторая зависимость. Выходные параметры объекта (а, значит, и его качество), зависят от входных воздействий, параметров внешней среды и, конечно же, от качества составляющих объект элементов (Х -параметров).

Такая зависимость представляется в аналитической форме и называется глобальной функцией объекта W.

В первом случае мы ничего не знаем о составляющих объект элементах, то есть нам неизвестны его Х -параметры. Поэтому глобальная функция объекта записывается в упрощенном виде, как его реакция на внешние воздействия I и Q

Для динамических объектов в глобальную функцию добавляется еще одна координата – время t.

– черный ящик или

– система.

Надо сказать, что существование глобальной функции еще не означает, что она известна исследователю или проектировщику объекта. Задача как раз и заключается в том, чтобы отыскать эту функцию и представить ее в аналитическом виде. Однако чаще всего ее не удается представить в аналитической форме. Для сложных объектов приходится довольствоваться алгоритмическим описанием объекта (в виде поведенческой имитационной модели).

До сих пор, говоря о системе, предполагалось, что объект уже существует и задача сводится к изучению, исследованию его, определению его функции и структуры, измерению его параметров. Все это является задачей анализа. Таким образом, при решении задачи анализа есть о бъект, и надо лишь побольше узнать о нем.

Рис. 4.5. Графическое представление объекта «черным ящиком»

и системой

Но чаще инженер встречается с противоположной задачей – объекта нет, и его предстоит создать, спроектировать. Это задача синтеза объекта.

С точки зрения системного подхода для ее решения задачи синтеза необходимо сделать три шага:

· выявить функцию системы (абстрактный синтез);

· разработать структуру системы (структурный синтез);

· определить параметры системы так, чтобы получить желаемое качество проекта.

Внешне процедура синтеза выглядит достаточно простой.

На этапе абстрактного синтеза надо выявить глобальную функцию системы, рассматривая саму систему на абстрактном уровне в виде «черного ящика», о котором известно только то, что он будет делать (рис.4.5).

На этапе структурного синтеза следует «транслировать» функциональное описание в структурное.

Например, разбивая глобальную функцию системы на подфункции и повторяя, при необходимости, это дробление до тех пор, пока не будут получены элементарные функции, структуры которых очевидны (или уже реализованы).

На этапе параметрического синтеза необходимо лишь подобрать параметры системы так, чтобы достичь желаемого качества ее работы.

Несмотря на внешнюю привлекательность и стройность, процедуры формального синтеза оказываются исключительно сложными. Специалисты в теории систем даже склоняются к мысли, что в общей постановке задача строгого синтеза неразрешима.

Лишь для узкого класса технических систем разработаны и используются на практике методы формального синтеза. К ним можно отнести пассивные электрические цепи (в частности, фильтры), типовые системы автоматического управления, цифровые автоматы, комбинационные и некоторые несложные регистровые схемы.

В остальных случаях у инженера нет альтернативы веками проверенному методу проб и ошибок, реализованному в процедуре итерационного проектирования.

Суть этого метода состоит в следующем:

· сначала создается базовый вариант системы;

· затем он улучшается, пока не будет достигнуто желаемое качество работы.

Из глобальной функции системы

видно, что улучшить ее качество можно тремя способами.

Способы улучшения качества системы;

· воздействием на вектор Х - параметрический метод;

· изменением функции W _с - схемотехнический метод;

· воздействием на внешние параметры I и Q.

Параметрический метод – есть улучшение качества входящих в систему элементов. Например, если в разработке есть резисторы с большим технологическим разбросом и они ухудшают работу, то их можно заменить высокоточными (прецизионными) резисторами, низкочастотные транзисторы – высокочастотными и т.п.

Этот метод самый простой и потому рекомендуется начинать «борьбу за качество» именно с него. Он не требует никаких изменений модели. Достаточно лишь «прогнать» ее на новом наборе Х -параметров.

Схемотехнический метод требует введения в разработку структурной избыточности. Арсенал этих средств инженеру хорошо известен - это различного рода автоподстройки (АРУ, АПЧ), резервирование, введение отрицательной обратной связи и т.п. Понятно, что изменения, внесенные в структуру системы, потребуют и аналогичной коррекции ее модели.

Рис. 4.6. Этапы синтеза объекта

Схемотехнические приемы весьма эффективны, но более дорогие. К ним инженер обычно обращается после того, как исчерпаны возможности параметрического метода. Например, при разработке усилителя Вы добавляете еще один каскад лишь после того, как убедились, что вариацией параметров не удалось достичь требуемого усиления на однокаскадном усилителе.

Метод воздействия на внешние параметры среды, связан иногда с проведением дорогих и трудоемких мероприятий: таких как термостатирование, экранирование, замена электрических связей оптронными, развязки по нагрузке, повышение требований к источникам питания и генераторам (датчикам) входных воздействий и т.д.

Только системный подход может гарантировать хорошее качество проектирования. Основные задачи, с которыми имеет дело инженер (анализ, синтез, улучшение проекта), оказываются непременными спутниками любого процесса проектирования.

Процесс проектирования схематически представлен на рис.4.7.

Рис.4.7. Основные задачи инженера

Категории системного подхода находятся в постоянном развитии. Источниками их совершенствования выступают развитие системологии и системные исследования в естественных и общественных науках, которые помогают наполнять возникающие понятия содержанием, оттачивать их формулировки.

4.6. Основные категории системного подхода

Категориальный аппарат системного подхода представляет собой совокупность категорий, которые отражают систему. Он отличается значительным богатством. Вместе с тем следует отметить, что категории системного подхода еще не устоялись, поскольку системный подход довольно быстро развивается, а категориальное его осмысление требует времени, многократного употребления категорий, постоянного уточнения. Категории находятся в постоянном развитии. Сказывается и то, что некоторые из них не выходят на уровень осмысления философией и общей теорией систем, остаются под патронажем отдельных наук, например, социологии или психологии. В понятийный ансамбль системного подхода можно включить более 300 категорий [67].

Классификацию можно представить по таким основаниям:

· базисные категории, на которых основываются все остальные категории; категории системы;

· категории составляющих системы; категории, характеризующие свойства; категории состояний системы;

· окружения системы; категории процессов;

· отражения системы; категории, характеризующие эффективность системы, и категории системного анализа.

Базисные категории выступают основой для определения системы и построении теории систем, и системных понятий. Определяя систему, всегда фиксируются некоторые базовые понятия.

Приводим некоторые из них:

· целое – форма существования системы в строго определенном качестве, выражающем ее независимость от других систем;

· целостность – свойство однокачественности системы как целого, которую выражают элементы в их реальном взаимодействии, – основа стабильности, постоянства системы;

· множество – набор, совокупность, собрание каких-либо объектов, обладающих общим для всех характерным свойством. Это понятие не является логическим, а лишь поясняющим, поскольку здесь нет родового понятия, в которое данное понятие могло бы войти. Но само понятие «множество» выступает именно родовым. Эта нечеткость предопределяет нечеткость теории систем, которая базируется на нестрогих понятиях;

· совокупность – сочетание, соединение, общий итог чего-нибудь;

· организация – представляется в качестве свойства материальных и абстрактных объектов обнаруживать взаимозависимое поведение частей в рамках целого.

Категории, которые дают понимание системы:

· система – совокупность элементов, находящихся во взаимных отношениях и связях со средой, образующих определенную целостность, единство;

· подсистема – элемент системы, который при подробном рассмотрении оказывается системой. Любая система состоит из нескольких уровней подсистем;

· надсистема – более общая система, которая включает в себя подсистемы;

· система-универсум представляет собой объединение системы и ее среды;

· пустая система – пересечение системы и среды, система не со держит ни одного элемента.

Вспомогательные категории системного подхода: элемент, свойство, связь, структура, гомеостаз, функция, функционирование, интеграция, интегральный эффект, адаптивность и др.

Наиболее важные категории, определяющие строение системы:

· элемент – далее не разложимая единица при данном способе расчленения;

· связь – взаимное ограничение на поведение объектов, создающее ограничение на поведение объектов и зависимость между ними; связи между элементами ведут к появлению в целостной системе новых свойств (эмерджентность), не присущих элементам в отдельности;

· прямая связь – непосредственное воздействие объектов одного на другой;

· обратная связь – воздействие результатов функционирования системы на характер этого функционирования;

· отношение – различие или тождество вещей в одном множестве, тождественных в другом множестве;

· структура – упорядоченность отношений, связывающих элементы системы и обеспечивающих ее равновесие, способ организации системы, тип связей;

· организация не только как свойство всего сущего, а и некоторая упорядоченность содержания;

· системообразующий фактор – признак, который объединяет объекты в систему.

Категории, характеризующие свойства системы:

· свойство – вхождение вещи, элемента в некоторый класс вещей, когда не образуется новый предмет;

· цель системы – предпочтительное для нее состояние; обычно выражают в виде целевой функции. Система использует, как правило, несколько целей, образующих иерархию;

· эмерджентность – не сводимость системы к свойствам элементов системы;

· гомеостаз (греч. homeo – подобный + stasis – неподвижность) – понятие было впервые введено биологом Кэнноном для обозначения физиологических процессов, поддерживающих существенные состояния организма (давление крови, температура). Нарушение гомеостаза приводит к деструкции, болезням организма. Гомеостаз – динамическое равновесие системы;

· простота – свойство множества, которое выступает в другом множестве как элемент;

· сложность – свойство элемента, который предстает в другом множестве как множество;

· закрытость – полная изолированность системы от окружающей среды и жесткая детерминированность поведения элементов;

· открытость – отсутствие полной изолированности от окружающей среды и наличие степеней свободы в поведении элементов;

· энтропия – количественная мера неопределенности некоторой выделенной совокупности характеристик системы;

· негоэнтропия – величина, обратная энтропии.

Категории, характеризующие состояние системы:

· состояние системы – множество одновременно существующих свойств объекта или системы;

· процесс – изменение состояния;

· организация – упорядоченность системы в соответствии с сисмообразующим фактором;

· хаос – состояние неупорядоченности, определяющее не только разрушение, но рождение систем;

· переходное состояние – состояние системы, находящейся в процессе, на интервале между двумя состояниями;

· стабильное состояние – сохранение системой своих характеристик;

· кризисное состояние – состояние, в котором система перестает соответствовать своему назначению.

Категории окружения системы:

· среда – представляет собой то, что ограничено от системы, не принадлежит ей, это совокупность объектов, изменение которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы;

· окружающая среда – внешняя среда системы, или совокупность объектов, которые располагаются за границами системы, воздействуют на нее, но не принадлежат ей;

· внутренняя среда – совокупность объектов, которые находятся в границах системы, влияют на ее поведение, но не принадлежат ей.

Главные категории процессов:

· функция – предназначение выполнять какие-то преобразования, для выполнения которых система и ее элементы приходят в движение, это взаимодействие системы с окружающей ее средой в процессе достижения целей или сохранения равновесия;

· функционирование – действие системы во времени;

· управление – приведение системы в состояние равновесия или достижения цели;

· интеграция – процесс и механизм объединения и связности элементов. Характеризуется интегративностью, системообразующими переменными, факторами, связями и т.д.;

· адаптация – приспособление системы к окружающей среде без потери своей идентичности;

· деградация – ухудшение характеристик системы;

· разрушение – приведение к неупорядоченности, повышение энтропийности вплоть до достижения хаоса;

· рост – увеличение количественных характеристик системы;

· агрессия – подавление характеристик системы в целях ее уничтожения, разрушения или насильственной интеграции;

· поглощение – насильственная интеграция.

Категории, характеризующие отражение системы:

· информация – сведения, знания наблюдателя о системе, отражение ее меры разнообразия;

· модель системы – объект, который представителен системе, может замещать ее в исследовательском или практическом процессе, а полученные результаты могут переноситься на саму систему;

· проект системы – модель системы как средство конструирования системы.

Система характеризуется многообразными эффектами, наиболее важными среди которых выступают:

· эффект целостности – способность системы сохранять себя при воздействии различных факторов;

· интегративный эффект – появление новых качеств, присущих системе как целому;

· адаптивность – свойство системы сохранять свою идентичность в условиях изменчивости внешней среды. Тот, кто выживает, – доказывает свое превосходство;

· гомеостаз – способность системы сохранять в процессе взаимодействия со средой значения переменных в некоторых заданных пределах;

· эмерджентность – наличие у системы таких свойств, которых нет у ее отдельных элементов;

· синергетический эффект – эффект умножения результата функционирования системы, который превышает сумму результатов функционирования ее отдельных составляющих.

Наиболее важными категориями системного анализа являются:

· анализ – исследовательская деятельность посредством мысленного разложения системы на составляющие;

· анализ системный – совокупность методов, приемов и алгоритмов применения системного подхода в аналитической деятельности; анализ системный исследовательский – аналитическая деятельность строится как исследовательская, результаты используются в науке;

· анализ системный общий – опирается на общую теорию систем, осуществляется с общих системных позиций;

· анализ системный прикладной – аналитическая деятельность представляет собой специфическую разновидность практической деятельности, результаты используются в практике;

· анализ системный специальный – опирается на специальные теории систем, учитывает специфику природы систем;

· анализ программно-целевой – представляет собой дальнейшее развитие рекомендательного анализа в аспекте выработки программы достижения некоторой цели. Он сосредотачивается на разработке подробной модели достижения будущего;

· анализ рекомендательный – разновидность анализа, ориентированная на выработку рекомендаций относительно поведения действующих лиц в некоторой ситуации;

· анализ ретроспективный – анализ систем прошлого и их влияния на прошлое и историю;

· анализ ситуационный – «МетодCase study », или «кейс-метод» –разновидность аналитической деятельности, построенная на описании ситуации и подробном анализе этого описания;

· анализ структурный – анализ структуры системы как совокупности связей между частями системы, выяснение значения отдельного элемента для определенным образом структурированного целого;

· анализ структурно-функциональный – выделение элементов взаимодействия и определение их места и роли в функционировании системы;

· анализ функциональный – объяснение явлений с точки зрения выполняемых ими функций;

· анализ причинно-следственный – установление причин, которые привели к возникновению данной ситуации, и следствий их развертывания;

· анализ прогностический – подготовка прогнозов и путей их реализации относительно вероятного, потенциального и желательного будущего;

· аналитическая модель – модель, позволяющая анализировать отражаемый ею объект.