Системный анализ

4. Корректировка модели. При корректировке модели могут уточняться су-щественные параметры, ограничения на значения управляемых параметров, пока-затели исхода операции, связи показателей исхода операции с существенными па-раметрами, критерий эффективности. После внесения изменений в модель вновь выполняется оценка адекватности.

5. Оптимизация модели. Сущность оптимизации моделей состоит в их упро-щении при заданном уровне адекватности. Основными показателями, по которым возможна оптимизация модели, выступают время и затраты средств для проведе-ния исследований на ней. В основе оптимизации лежит возможность преобразо-вания моделей из одной формы в другую. Преобразование может выполняться либо с использованием математических методов, либо эвристическим путем.

1.3. Принципы и структура системного анализа

За основу при разработке методики системного анализа можно взять этапы проведения любого научного исследования или этапы исследования и разработки, принятые в теории автоматического управления. Методика системного анализа должна опираться на понятие системы и использовать закономерности построе-ния, функционирования и развития систем.

Общим для всех методик системного анализа является определение закона функционирования системы, формирование вариантов структуры системы (не-скольких альтернативных алгоритмов, реализующих заданный закон функциони-рования), выбор наилучшего варианта, осуществляемого путем решения задач де-композиции, анализа исследуемой системы, синтеза системы и снимающего про-блему практики.

1.3.1. Принципы системного анализа

Принципы системного анализа - это некоторые положения общего характера, являющиеся __________обобщением опыта работы человека со сложными системами.

Наиболее часто к системным причисляют следующие принципы: принцип конечной цели, принцип измерения, принцип эквифинальности, принцип единст-ва, принцип связности, принцип модульного построения, принцип иерархии, принцип функциональности, принцип развития (историчности, открытости), принцип децентрализации, принцип неопределенности.

Принцип конечной цели. Это абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели. Принцип имеет несколько правил:

• для проведения системного анализа необходимо в первую очередь сформулиро-вать цель исследования. Расплывчатые, не полностью определенные цели влекут за собой неверные выводы;

• анализ следует вести на базе первоочередного уяснения основной цели (функ-ции, основного назначения) исследуемой системы, что позволит определить ее основные существенные свойства, показатели качества и критерии оценки;

31

• при синтезе систем любая попытка изменения или совершенствования должна оцениваться относительно того, помогает или мешает она достижению конечной цели;

• цель функционирования искусственной системы задается, как правило, систе-мой, в которой исследуемая система является составной частью.

Принцип измерения. Для определения эффективности функционирования системы надо представить ее как часть более общей и проводить оценку внешних свойств исследуемой системы относительно целей и задач суперсистемы (систе-мы более высокого порядка).

Принцип эквифинальности. Система может достигнуть требуемого конечного состояния, не зависящего от времени и определяемого исключительно собствен-ными характеристиками системы при различных начальных условиях и различ-ными путями. Это форма устойчивости по отношению к начальным и граничным условиям.

Принцип единства. Это совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей (элементов). Принцип ориентирован на «взгляд внутрь» сис-темы, на расчленение ее с сохранением целостных представлений о системе.

Принцип связности. Рассмотрение любой части совместно с ее окружением подразумевает проведение процедуры выявления связей между элементами сис-темы и выявление связей с внешней средой (учет внешней среды). В соответствии с этим принципом систему в первую очередь следует рассматривать как часть (элемент, подсистему) другой системы, называемой суперсистемой или старшей системой.

Принцип модульного построения. Полезно выделение модулей в системе и рассмотрение ее как совокупности модулей. Принцип указывает на возможность вместо части системы исследовать совокупность ее входных и выходных воздей-ствий (абстрагирование от излишней детализации).

Принцип иерархии. Полезно введение иерархии частей и их ранжирование, что упрощает разработку системы и устанавливает порядок рассмотрения частей.

Принцип функциональности. Это совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой. Принцип утверждает, что лю-бая структура тесно связана с функцией системы и ее частей. В случае придания системе новых функций полезно пересматривать ее структуру, а не пытаться втиснуть новую функцию в старую схему. Поскольку выполняемые функции со-ставляют процессы, то целесообразно рассматривать отдельно процессы, функ-ции, структуры. В свою очередь, процессы сводятся к анализу потоков различных видов:

• материальный поток;

• поток энергии;

• поток информации;

• смена состояний.

С этой точки зрения структура есть множество ограничений на потоки в про-странстве и во времени.

Принцип развития (изменения, историчности, открытости). Это учет изме-няемости системы, ее способности к развитию, адаптации, расширению, замене

32

частей, накапливанию информации. В основу синтезируемой системы требуется закладывать возможность развития, наращивания, усовершенствования. Обычно расширение функций предусматривается за счет обеспечения возможности вклю-чения новых модулей, совместимых с уже имеющимися. Одним из способов уче-та этого принципа является рассмотрение системы относительно ее жизненного цикла. Условными фазами жизненного цикла ИС являются проектирование, изго-товление, ввод в эксплуатацию, эксплуатация, наращивание возможностей (мо-дернизация), вывод из эксплуатации (замена), уничтожение.

Принцип децентрализации. Это сочетание в сложных системах централизо-ванного и децентрализованного управления, которое, как правило, заключается в том, что степень централизации должна быть минимальной, обеспечивающей вы-полнение поставленной цели.

Недостаток децентрализованного управления – увеличение времени адапта-ции системы. Он существенно влияет на функционирование системы в быстро меняющихся средах.

Недостатком централизованного управления является сложность управле-ния из-за огромного потока информации, подлежащей переработке в старшей системе управления. Поэтому в сложной системе обычно присутствуют два уров-ня управления. В медленно меняющейся обстановке децентрализованная часть системы успешно справляется с адаптацией поведения системы к среде и с дос-тижением глобальной цели системы за счет оперативного управления, а при рез-ких изменения среды осуществляется централизованное управление по переводу системы в новое состояние.

Принцип неопределенности. Это учет неопределенностей и случайностей в системе. Принцип утверждает, что можно иметь дело с системой, в которой структура, функционирование или внешние воздействия не полностью определе-ны.

Сложные открытые системы не подчиняются вероятностным законам. В та-ких системах можно оценивать «наихудшие» ситуации и рассмотрение проводить для них. Этот способ называют методом гарантируемого результата.

При наличии информации о вероятностных характеристиках случайностей (математическое ожидание, дисперсия и т.д.) можно определять вероятностные характеристики выходов в системе.

Перечисленные принципы обладают очень высокой степенью общности. Для непосредственного применения исследователь должен наполнить их конкретным содержанием применительно к предмету исследования.

1.3.2. Структура системного анализа

Общий подход к решению проблем может быть представлен как цикл (рис. 1.4). При этом в процессе функционирования реальной системы выявляется про-блема практики как несоответствие существующего положения дел требуемому. Для решения проблемы проводится системное исследование (декомпозиция, ана-лиз и синтез) системы, снимающее проблему. В ходе синтеза осуществляется оценка анализируемой и синтезируемой систем. Реализация синтезированной сис-

33

темы в виде предлагаемой физической системы позволяет провести оценку степе-ни снятия проблемы практики и принять решение на функционирование модерни-зированной (новой) реальной системы.

Рис. 1.4. Общий подход к решению проблемы

Рис. 1.5. Дерево функций системного анализа

Основные задачи системного анализа могут быть представлены в виде трех-уровневого дерева функций (рис.1.5).

Этап декомпозиции обеспечивает общее представление системы:

1. Определение и декомпозиция общей цели исследования и основной функции системы как ограничение траектории в пространстве состояний системы или в

34

области допустимых ситуаций. Наиболее часто декомпозиция проводится путем построения дерева целей и дерева функций.

2. Выделение системы из среды по критерию участия каждого рассматриваемо-го элемента в процессе.

3. Описание воздействующих факторов.

4. Описание тенденций развития, неопределенностей разного рода.

5. Описание системы как «черного ящика».

6. Функциональная (по функциям), компонентная (по виду элементов) и струк-турная (по виду отношений между элемента ми) декомпозиции системы.

Глубина декомпозиции ограничивается. Декомпозиция должна прекращать-ся, если необходимо изменить уровень абстракции - представить элемент как под-систему. Если при декомпозиции выясняется, что __________модель начинает описывать внутренний алгоритм функционирования элемента вместо закона его функциони-рования в виде «черного ящика», то в этом случае произошло изменение уровня абстракции. Это означает выход за пределы цели исследования системы и, следо-вательно, вызывает прекращение декомпозиции.

В автоматизированных методиках типичной является декомпозиция модели на глубину 5-6 уровней. На такую глубину декомпозируется обычно одна из под-систем. Функции, которые требуют такого уровня детализации, часто очень важ-ны, и их детальное описание дает ключ к секретам работы всей системы.

В общей теории систем доказано, что большинство систем могут быть де-композированы на базовые представления подсистем. К ним относят: последова-тельное (каскадное) соединение элементов, параллельное соединение элементов, соединение с помощью обратной связи.

Проблема проведения декомпозиции состоит в том, что в сложных системах отсутствует однозначное соответствие между законом функционирования под-систем и алгоритмом, его реализующим. Поэтому осуществляется формирование нескольких вариантов (или одного варианта, если система отображена в виде ие-рархической структуры) декомпозиции системы.

Наиболее часто применяемые стратегии декомпозиции.

Функциональная  декомпозиция. Декомпозиция базируется на анализе функ-ций системы. При этом ставится вопрос что делает система, независимо от того, как она работает. Основанием разбиения на функциональные подсистемы служит общность функций, выполняемых группами элементов.

Декомпозиция  по жизненному циклу. Признак выделения подсистем - измене-ние закона функционирования подсистем на разных этапах цикла существования системы «от рождения до гибели». Рекомендуется применять эту стратегию, ко-гда целью системы является оптимизация процессов и можно определить после-довательные стадии преобразования входов в выходы.

Декомпозиция  по физическому процессу. Признак выделения подсистем - ша-ги выполнения алгоритма функционирования подсистемы, стадии смены состоя-ний. Хотя эта стратегия полезна при описании существующих процессов, резуль-татом ее часто может стать слишком последовательное описание системы, кото-рое не будет в полной мере учитывать ограничения, диктуемые функциями друг другу. При этом может оказаться скрытой последовательность управления. При-

35

менять эту стратегию следует, только если целью модели является описание фи-зического процесса как такового.

Декомпозиция  по подсистемам (структурная  декомпозиция). Признак выде-ления подсистем - сильная связь между элементами по одному из типов отноше-ний (связей), существующих в системе (информационных, логических, иерархи-ческих, энергетических и т.п.). Силу связи, например, по информации можно оце-нить коэффициентом информационной взаимосвязи подсистем k = N / N0 , где N - количество взаимоиспользуемых информационных массивов в подсистемах, N0 - общее количество информационных массивов. Для описания всей системы долж-на быть построена составная модель, объединяющая все отдельные модели. Реко-мендуется использовать разложение на подсистемы, только когда такое разделе-ние на основные части системы не изменяется. Нестабильность границ подсистем быстро обесценит как отдельные модели, так и их объединение.