Информационные аспекты изучения систем

Классификация систем

Второе определение системы. Структурная схема системы

Объединяя все изложенное в предыдущих параграфах, можно сформулировать второе определение системы: система есть совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как целое.

Очевидно, что представленные определения охватывают модели "черного ящика", состава и структуры. Все вместе они образуют еще одну модель, которую будем называть структурной схемой системы.

В структурной схеме указываются все элементы системы, все связи между элементами внутри системы и связи определенных элементов с окружающей средой (входы и выходы системы).

Рассмотрим систему "синхронизируемые часы". Считаем, что в состав такой системы входят три элемента: датчик, индикатор и эталон времени. Структура часов определяется следующими отношениями между парами элементов:

Рис. Структурная схема системы синхронизируемые часы

Описанные связи указаны стрелками 1-3 между элементами на рис.3.3. Вход 4 изображает поступление энергии извне, вход 5 соответствует регулировки индикатора, вход 6 - показанию часов.

Все структурные схемы имеют нечто общее и это побудило математиков рассматривать их как объект математических исследований.

Для этого пришлось абстрагироваться от содержательной стороны структурных схем. В результате получилась схема, в которой обозначается только наличие элементов и связей между ними называется графом.

Граф состоит из обозначений элементов произвольной природы, называемых вершинами, и обозначений связей между ними, называемых ребрами (либо дугами).

На рис. изображен граф: вершины обозначены в виде кружков, ребра в виде линий.

Рис. Пример графа

Если направления связей не обозначаются, то граф называется неориентированным, при наличии стрелок - ориентированным.

Данная пара вершин может быть соединена любым количеством ребер; вершина может быть соединена сама с собой (тогда ребро называется петлей).

Если в графе требуется отразить другие различия между элементами или связями, то либо приписывают ребрам различные веса (взвешенные графы), либо раскрашивают вершины или ребра (раскрашенные графы).

Графы могут изображать любые структуры, если не накладывать ограничений на пересекаемость ребер.

Некоторые типы структур имеют особенности, важные для практики, они выделены из других и получили специальные названия. Так, в организационных системах часто встречаются линейные, древовидные (иерархические) и матричные структуры; в технических системах чаще встречаются сетевые структуры; особое место в теории систем занимают структуры с обратными связями, которые соответствуют кольцевым путям в ориентированных графах.

Структурная схема системы является наиболее подробной и полной моделью любой системы на данном этапе нашего познания. При этом всегда остается актуальным вопрос об адекватности этой модели, разрешаемый только на практике.

В исследованиях принято различать разные виды структур как средства описания системы. Структура может быть представлена в графической, матричной форме, в форме теоретико-множественного описания, с помощью языка топологии, математических средств и т.п. Можно выделить следующие средства описания структур.

Сетевая структура представляет декомпозицию элементов, представленных во времени.

При сетевом представлении структуры системы принято использовать такие понятия как: вершина, ребро, путь, критический путь.

Сетевая структура системы

Сетевые структуры систем отображают порядок операций или действий в системе.

Например, с помощью сетевого графика описываются производственные этапы деятельности, при проектировании систем отображается ее сетевая модель, при создании плана производственной деятельности – сетевой план.

Сетевые модели могут быть представлены:

– однонаправленными,

– обратными и

– циклическими связями между элементами системы.

Такие связи описываются в виде пути или критического пути между элементами

При системном анализе сетевых структур используются математический аппарат теории графов, а также теория сетевого планирования и управления, которая имеет прикладной характер.

Иерархическая структура представляет собой декомпозицию системы в пространстве, устанавливая уровневые связи (отношения) между элементами (подсистемами) в целом образовании.

Простейшая иерархическая структура системы

Элементы или компоненты системы представляются в виде вершин или узлов, а связи между элементами – в виде дуги или соединения узлов.

Иерархические структуры принято называть древовидными структурами. Такие структуры называются типа «дерево». Чаще всего с помощью таких структур представляются целепологания и цели управления системой.

Многоуровневые иерархические структуры принято изображать в виде страт, слоев, эшелоно в.

Страты – это способ описания сложных структур с помощью замены их наиболее простыми моделями. При этом способе, каждая страта описывает свой уровень абстракции, сохраняя особенности входных и выходных параметров.

Слои – это способ описания последовательности решаемых проблем с целью поиска наилучшего метода их решения. Причем при решение многослойных проблем предусматривается учет допустимых ограничений на моделирование нижележащих объектов, без утери общего замысла решения в едущей проблемы.

Многослойная структура системы принятия решений

Эшелон – это способ описания иерархической структуры в виде относительно зависимых, взаимодействующих между собой подсистем (объектов).

Такие многоэшелонные структуры описывают относительно независимые уровни управления. На каждом уровне управления подсистемы имеют определенную степень свободы выбора управленческого решения.

Иерархическая структура системы управления, представленная в виде эшелонов

На рис. представлено структура подсистем управления, которая выполнена в виде эшелонов.

Каждый эшелон представляет собой определенный уровень подсистемы управления.

Связь между уровнями управления представлена в виде координации процесса принятия решений в каждой подсистеме. Такая структурная организация связей между подсистемами управления принято называть многоцелевой иерархической структурой управления.

Поэтому многоэшелонные структуры часто называют многоцелевыми.

Матричные структуры представляют взаимоотношения между уровнями иерархической структуры. Они могут быть описаны в виде:

– древовидной иерархической структуры связей,

– двумерной матрицы со «слабыми» и «сильными» связями и

–

многомерной матрицы.

Смешанные иерархические структуры с вертикальными и горизонтальными связями. Примером такой системы может послужить государственная система управления.

Структуры с произвольными связями используются, как правило, на начальном этапе исследования системы, для определения важных и необходимых элементов и установления лишь тех связей и отношений, которые оказывают наибольшее влияние на принятие управленческих решений.

Структура системы с произвольными связями

На рис. представлена система состоящая из 4 элементов, которая представлена произвольными связями между ними.

Такое графическое представление системы как правило используется на первом этапе исследования когда еще не установлены закономерности связей и отношений между элементами.

Описание систем в виде структуры с произвольными связями чаще всего используется на уровне формирования авторской концепции системного исследования выделяемого объекта из окружающей среды.

В основе любой классификации систем лежит определение наиболее существенного признака или их сочетание, который (которые) описывают некоторую общность свойств систем.

К таким признакам можно отнести классификацию систем по:

– происхождению (естественные и искусственные);

– степени объективности существования (материальные и абстрактные);

– содержанию (социальные, физические, экономические, технические и т.п.);

– степени взаимосвязи с окружением (открытые, закрытые, относительно обособленные);

– состоянию во времени (статические и динамичные);

– обусловленности функционального действия (детерминированные и вероятностные);

– обусловленности процессов управления (управляемые и самоуправляемые);

– уровню сложности структуры (суперсложные, большие и сложные, подсистемы, элементы);

– степени внутренней организации (хорошо организованные, диффузные и самоорганизованные);

– методам формализованного описания объекта в качестве системы (адекватное, теоретико-множественное представление, информационное описание, имитационно-динамическое, структурно-лингвистическое представление и т.п.);

– методам моделированию процесса развития (управляемые, адаптивные, самообучаемые, самовосстанавливающие, самовоспроизводящие и т.п.).

В теории систем принято все исследуемые системы делить на три основных класса:

– абстрактные,

– естественные и

– искусственные.

Такое деление имеет важное методологическое значение для исследования систем.

Абстрактные системы являются основой для эволюции научных теорий познания.

Естественные - основой для выявления закономерностей и формулирования законов природы всех явлений.

Искусственные – для развития отраслевых научных знаний.

Абстрактные системы – это системы теоретико-методологического характера, позволяющие описывать общие и специфическое свойства организационной структуры элементов, связей и отношений в целостном образовании для познания, изучения и проектирования состояния, поведения и развития исследуемого сложного объекта в качестве системы.

Абстрактные системы необходимы для разработки логических моделей представления о материальных системах. Абстрактные системы классифицируются по способу познания и методам формального описания.

Логически-описательные модели или вербальные (словесные) модели создаются на основе использования:

– дедуктивного (теоретического построения гипотез, рассуждения, умозаключения от общего к частному) и

– индуктивного (способ научного познания от частного к общему) методов описания исследуемого объекта-системы в качестве системы научных понятий и определений об основных закономерностях структуры, организации, состояния и поведения материальных систем.

Символические модели – это модели, которые в графическом или математическом виде позволяют описать структурно-функциональные особенности исследуемого объекта-системы в формализованном виде.

Представление объекта-системы в графическом виде позволяет выделить:

– основные элементы системы (количество элементов и их основные параметры),

– описать характер связей (прямые, обратные, цикличные) и

– отношений (уровни иерархического соподчинения).

Графические модели могут создаваться как промежуточный этап для разработки математической модели.

Часто создание математической модели затруднено из-за того, что отсутствует образное представление системы как целого объекта исследования.

Графические модели могут быть представлены в виде:

– плоскостных моделей (алгоритмы линейного, разветвленного и циклического построения) или

– объемных, в которых хорошо просматриваются варианты возможных связей между элементами при взаимодействие разных факторов внутренней и внешней среды.

Математические модели могут быть представлены тремя основными классами:

статические модели, описывающие статическое состояние системы в качестве системы уравнений;

динамические модели, которые описывают формально процессы функционирования элементов или всей системы;

квазистатические модели, которые описывают переходные процессы состояний от статики к динамике или, наоборот, в элементах или системе в целом.

Абстрактные модели позволяют на теоретико-логическом уровне представить обоснование научной гипотезы исследования объекта-системы, которую в дальнейшем необходимо довести до практической реализации, т.е. использовать ее для выявления определенных параметрических закономерностей состояния или процессов в виде математических моделей материальных систем.

Материальными системами принято называть все объективно существующие системы в пространстве и времени.

Материальные системы принято разделять по происхождению на естественные и искусственные.

К естественным системам принято относить те системы, которые имеют естественно-природное происхождение.

Например, природные ресурсы экономики, человек, как системный объект исследования в социальных и образовательных системах, природные явления, как системный объект в исследовании физических, химических, биологических и других науках.

Естественные системы изучаются на основе законов и закономерностей естественных отраслевых наук физики, химии, биологии и т.п.

Их формальное описание осуществляется на базе естественно-математических методов моделирования.

Естественные системы – это системы, в которых компонентами являются те или иные природные элементы явлений, структур или процессов природного окружения.

Любая естественная система всегда является достаточно сложной для ее изучению с точки зрения системного подхода. Это объясняется тем, что в рамках предметного исследования очень сложно выделить число дискретных элементов и описать достаточно адекватно связи между ними.

Например, математик Г.Н. Поваров делит все системы в зависимости от числа элементов, в нее входящих, на четыре класса;

– малые (10 - 10 элементов);

– сложные ( – элементов);

– ультрасложные (- элементов);

– суперсложные (– элементов).

К искусственным системам относятся все остальные, которые были созданы самим человеком для обеспечения всех потребностей своего существования на Земле.

Все существующие общественно-организационные системы можно считать искусственными.

Например, такие системы как социально-культурная, образовательная, экономическая, техническая, технологическая и т.д. можно определить в качестве искусственных. Каждая из них имеет специальное целевое назначение для организации общественной жизни человека на Земле.

Социально-экономические системы представляют собой достаточно сложные многоуровневые, многофакторные и многокритериальные открытые системы. Причем, эти системы имеют комплексную организацию, т.к. взаимодействие между социальными и экономическими параметрами элементов такой системы всегда носит, нелинейный, динамичный и резонансный характер.

Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании информационных систем в экономике.

Необходимые элементы исследования материальных систем

На рис. показаны основные элементы реализации системного подхода в исследовании материальных систем с учетом принципов теории систем.

Представленная схема показывает основные способы, принципы и методы описания материальных систем в качестве объекта-системы.

Требования к построению классификации следующие

Требования к построению классификации следующие:

– в одной и той же классификации необходимо применять одно и то же основание;

– объем элементов классифицируемой совокупности должен равняться объему элементов всех образованных классов;

– члены классификации (образованные классы) должны взаимно исключать друг друга, то есть должны быть непересекающимися;

– подразделение на классы (для многоступенчатых классификаций) должно быть непрерывным, то есть при переходах с одного уровня иерархии на другой необходимо следующим классом для исследования брать ближайший по иерархической структуре системы.

Главное отличие подхода к изучению любого объекта как системы состоит в том, что исследователь не ограничивается рассмотрением и описанием только вещественной и энергетической его сторон, но и (прежде всего!) проводит исследование его информационных аспектов: целей, информационных потоков, управления, организации и т.д.

Создание новых и совершенствование существующих объектов (систем) зависят от решения вопросов, позволяющих анализировать имеющуюся информацию, отсеивать ее избыточную часть, выделять основную, производить оценку и обеспечивать формирование альтернатив для принятия решений.

Процесс информационного обеспечения системного анализа предусматривает проведение широкого круга патентных исследований, выполняемых в соответствии с требованиями ГОСТ 15.011–82 СРПП «Порядок проведения патентных исследований».

Использование в качестве основной информационной базы массива патентной документации на различных этапах системного анализа обусловлено целым рядом ее известных преимуществ. При этом важно, что содержательная ценность патентной информации сохраняется наибольшее время по сравнению с другой научно-технической информацией, т.е. обладает высоким прогнозным потенциалом.

Основной целью информационного отображения проектируемого (модернизируемого) объекта техники (системы) является возможность создания его многовариантной структуры как на уровне вариантов его составляющих, так и на уровне модификаций самого объекта, а также вариантов технико-экономических параметров, однозначно описывающих все составляющие объекта.

Информацию об объекте можно разделить на базовую и оперативную.

Оперативная информация представляет собой нормативно-регламентирующие данные по объекту, содержащиеся в ОСТах, ГОСТах, технических условиях и других подобных материалах.

Базовая информация (научно-техническая, конъюнктурно-экономическая, патентная, экспертная) представляет собой систематизированную информацию по принципиальным решениям получения конечного продукта (опыт СССР и за рубежом). Особую роль здесь играет патентная информация.

Описание модели объекта позволяет выделить:

группы стандартов в оперативной информации,

типы технологических процедур и оборудования для процесса производства,

направления исследований и тенденции развития в базовой информации.

Информационное описание должно давать представление об организации системы. Чем больше ценной информации, тем выше предсказуемость свойств и поведения системы во времени. Большое значение при этом имеет определение степени полноты и достоверности информации о проблемной ситуации.

Наибольший объем информации при системном анализе необходим для построения

– дерева целей,

– функций,

– декомпозиции объекта.

При формировании главной цели системы используется информация о новых общественных потребностях и о достигнутом техническом уровне, о современных и будущих ресурсах, т.е. используются все доступные источники информации:

– научно-технической,

– конъюнктурно-экономической,

– патентной,

– экспертной.

При формировании целей разных уровней используется различная информация с привлечением специалистов разных профилей и отраслей знаний.

Завершающим этапом информационного описания системы является анализ полученных данных исследовательской группой, которая может досконально и критически оценить высказанные идеи, прогнозные варианты развития, результаты патентных исследований и т.п.

Совокупность функционального, морфологического и информационного описаний позволяет отразить главные свойства системы, служит основой создания конкурентоспособных технических объектов