Основные проблемы теории систем

В зависимости от того, что является неизвестным, проблемы делятся на четыре класса: проблема анализа, проблема синтеза, проблема оценки внешней (окружающей) среды и проблема «черного ящика».

Проблема анализа. Заданы системы. Требуется определить, какие характеристики (неизвестные) они имеют в условиях заданной внешней среды. Эта задача допускает эквивалентную формулировку: какое поведение соответствует данной структуре. Как правило, задача разрешима, если ее можно решить однозначно.

Алгоритм решения проблемы анализа включает следующие шаги:

- составление модели объекта, наиболее подходящей с позиций получения требуемых функций (характеристик);

- написание программы оценки характеристик модели;

- определение характеристик объекта из его модельного представления с помощью программы оценки.

Таким образом, процесс анализа состоит из двух стадий: составление и исполнение программы. Трудность анализа состоит в том, что не существует формального метода, который позволил бы строить наиболее подходящую для заданной проблемы модель. Отыскание подходящего метода оценки включает эвристические (интуитивные) элементы и относится к проблеме синтеза. Например, проблема анализа возникает при исследовании характеристик двигателя (автомобиля, самолета) в различных режимах эксплуатации.

Проблема синтеза. Заданы требуемые характеристики, надо определить системы, которые в условиях заданной среды обеспечивают получение этих характеристик. Или в эквивалентной формулировке: дано поведение системы (иногда только ее деятельность) и множество типов ее элементов (тип – это совокупность элементов, у которых постоянное поведение одинаково). Надо найти такую структуру, которая реализует данное поведение (или поведение, вытекающее из данной деятельности) и включает лишь допустимые типы элементов.

Если данное множество типов недостаточно, то синтез системы неосуществим (на данном множестве). Множество решений может быть пустым и в случае, если число характеристик велико и они противоречат друг другу. Поэтому характеристики рекомендуется задавать в мягкой форме (в виде интервалов, словесных высказываний и т.п.) Во всех других случаях решение не однозначно, так как обычно в реальном мире существует большое количество объектов с одинаковыми функциями (характеристиками), и среди них надо выбрать такой, который бы обладал всей совокупностью заданных для него характеристик. Поэтому выдвигаются другие, дополнительные требования к допустимым решениям, например минимальные затраты, максимальная надежность системы и т. д. Проанализировав структуру, можно выяснить, правильно ли проведен синтез. Практически задача синтеза не может быть сформулирована без заданного разделения величин на входные и выходные, т. е. мы имеем дело с синтезом автоматов. Синтез более сложен, чем анализ. Последний может быть выполнен интуитивно, а синтез требует применения эффективных методических средств, т. е. совершенно другого подхода.

Алгоритм синтеза состоит из следующих шагов:

– создание исследовательской модели;

– анализ этой модели как решение проблемы анализа и определение ее

функций;

– сравнение полученных результатов с заданными требованиями и

прекращение поиска решения, если результаты и требования совпадают, или же возврат к первому шагу, если совпадение не получено.

Этот процесс имеет итерационный характер и является более сложным, чем анализ, так как включает в себя саму проблему анализа. Особенностью процесса синтеза является необходимость поиска для достижения цели, причем результаты вычислений на стадии анализа влияют на весь последующий процесс: модель проблемы синтеза корректируется, и вновь изменяется получаемое при анализе решение. В один и тот же цикл решения проблемы синтеза включается как стадия определения алгоритма, так и стадия его выполнения. Например, проблема синтеза возникает при проектировании двигателя (автомобиля, самолета), пригодного для заданных условий эксплуатации.

Проблема оценки внешней среды. Заданы системы и их характеристики, надо получить такую среду (неизвестную), в условиях которой системы проявляют заданные характеристики. Алгоритм решения проблемы такой же, как и в случае проблемы синтеза, где в качестве объекта исследования выступает окружающая (внешняя) среда.

Проблема «черного ящика». Исследуется система с неизвестной организацией и неизвестным поведением («черный ящик»), с которой можно проводить эксперименты и регистрировать ее деятельность. Таким образом, «черный ящик» определяется множеством величин и соответствующим уровнем анализа. Сложность проблемы в том, что пока не известна организация, мы можем определить только относительно постоянное поведение, соответствующее деятельности системы, а затем гипотетическую структуру. Эксперимент с «черным ящиком» включает следующие шаги:

– изоляцию его от других воздействий;

– контролируемое воздействие на «черный ящик» в ходе эксперимента;

– запись всех пар «вход (стимул) – выход (реакция)».

Затем проводится моделирование зависимости реакции от входного воздействия (стимула) и определяются модели поведения и программы. Совпадение с экспериментом проверяется по критериям согласия. По известному поведению решением задачи синтеза определяется структура системы. Процесс детализации структуры ограничен точностью измерения (оценки) параметров модели поведения.