Пособие ТСиСА

Контрольные вопросы

1.Что положено в основу системного подхода?

2.Сформулируйте определение понятий «система», «подсистема», «элемент», «структура», «надсистема», «связь», «поведение системы», «внешняя среда».

3.В чем заключается ключевое отличие понятий «подсистема»

и«элемент»?

4.Как называется предел декомпозиции системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели?

5.Может ли элемент рассматриваться как надсистема, система, или подсистема?

6.Приведите пример, демонстрирующий, что свойства системы не сводятся к сумме свойств ее составных элементов.

7.Что понимается под внешней средой системы?

8. Каким образом осуществляется взаимодействие системы

свнешней средой?

9.Перечислите факторы внешней среды положительно и отрицательно воздействующие на систему.

10.Приведите основные способы выделения систем.

11. Приведите основные типы структур системы.

12. Как может быть представлена структура системы?

13. Какие характеристики определяют структуру на количественном уровне?

14. Что понимается под компонентом и уровнем структуры? 15. Какие системы называются централизованными?

16. Перечислите основные типы и топологии структур.

17. К какому классу относится система, если неизвестно ее внутреннее строение, а ее поведение и функционирование изучается по входному и выходному сигналам?

18. Какие системы постоянно взаимодействуют с внешней средой или с другими системами по обмену веществом, энергией или информацией?

19. Какие системы существуют, создаются и развиваются с непосредственным участием человека?

20. Какие достоинства и недостатки имеют централизованные и децентрализованные системы?

40

Заключение

В основе исследования систем положен системный подход, конечной целью которого является системное представление объекта исследования. Центральными понятиями концепцией теории систем

исистемного подхода являются:

–система (совокупность взаимосвязанных некоторой структурой элементов, объединенных единством цели (или назначения)

ифункциональной целостностью);

–подсистема (подмножество элементов системы, для которых можно указать некоторое системообразующее отношение);

–элемент (неделимая часть системы, которая обладает самостоятельностью по отношению к данной системе);

–структура (обеспечивает целостность системы, отражающей их взаимодействие);

–связь (определяет взаимное ограничение поведения объек-

тов);

–цель системы (определяет желательное состояние или результаты поведения системы);

–внешняя среда (задает правила поведения системы, обменивается с ней ресурсами).

41

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ

Раскрываются основные понятия моделирования систем и правила выделения объекта исследования из предметной области. Рассматривается наглядное, графическо-схематическое представление модели системы с помощью мнемонических схем. Предлагаются основные принципы к построению мнемосхем, организации мнемонических элементов и их визуальной иерархии, а также отображение взаимосвязей между элементами. Приводятся практические примеры построения мнемонических схем.

2.1. Общие теоретические сведения

Разработка системы представляет сложный многоэтапный, итерационный процесс, включающий анализ, моделирование, непосредственное создание, тестирование и внедрение. Одним из вариантов упрощения разработки системы является анализ ее функционирования еще на этапе создания [5]. Процесс замещения одной исходной системы (называемой моделируемой) другой (называемой моделью) и проведение экспериментов над моделью с целью получения информации о системе путем исследования свойств модели определяется как моделирование (рис. 13). Объектами моделирования могут являются не только подсистемы, системы и комплексы систем, обладающие структурной и функциональной организацией, но и протекающие в них процессы.

Модель

Модель

Рис. 13. К понятию «моделирование»

42

Основное отличие модели от исследуемой заключается в том, что обычно модель является упрощенным и идеализированным отображением системы, которое обусловлено идеализацией внешних условий и режимов функционирования. Кроме того, обычно модели системы абстрагированы от несущественных факторов, параметров и зависимостей, а также характеризуются введением ряда упрощающих предположений и допущений, связанных с внешними воздействиями и системной организацией.

Моделирование предоставляет возможность исследования систем, для которых прямой эксперимент необходим:

–без построения самой системы (если система еще не существует и изучается возможность и целесообразность ее создания, а также, если система недоступна для непосредственного исследования);

–без вмешательства в функционирование действующей системы (если исследование системы предполагает продолжительное время,

а также является дорогим, трудоемким, опасным процессом или связано с невозможностью манипулирования реальной системой);

–в случае определения предельных характеристик (если система может разрушиться вследствие исследования или утратить ряд своих свойств, зависимостей или часть компонентного состава).

При этом моделирование может проводиться:

–в условиях полной определенности, означающей наличие точной информации обо всех исходных параметрах, зависимостей, внешних воздействий и системной организации (т.е. система исследуется как «белый» ящик);

–в условиях неопределенности, обусловленных неточностью сведений о системе или полным отсутствием сведений о значениях некоторых параметров или зависимостей и т.п. (т.е. система исследуется как «серый» или «черный» ящик) [6].

Итак, моделирование направлено на решение задач связанных

соценкой эффективности функционирования систем. Применение моделирования на этапе проектирования системы позволяет выполнить анализ различных путей достижения системной цели, определить работоспособность, оценить надежность, выявить мало загруженные ресурсы, а также сформулировать рекомендации по рациональному изменению структурного состава и способа функциональной организации системы (прил. А и Б).

43

Процесс построения модели состоит из нескольких этапов.

Формулировка целей моделирования. При системном подходе к моделированию на начальном этапе необходимо определить цель моделирования, что позволит четко определить какие подсистемы, элементы и взаимосвязи необходимо отразить на создаваемой модели.

Формирование представлений о системе. На втором этапе мо-

делирования происходит абстрагирование от конкретных физических и функциональных системных особенностей. На основе анализа предметной области вычленяются относительно независимые состояния системы, свойства, признаки, отношения и ограничения, с последующим представлением данных характеристик системы в упрощенной форме. Множество представлений систем можно разделить на внутренние (структурные и функциональные) и внешние (нагрузочные и параметры внешней среды). Параметры могут быть детерминированными или случайными и управляемыми или неуправляемыми.

Выбор методов и средств моделирования. На третьем этапе выполняется поиск оптимального метода описания и исследования свойств модели.

Проведение экспериментов на модели и анализ результатов моделирования. На четвертом этапе система моделируется, а полученная модель подлежит детальному исследованию и оценке. Анализ модели заключаются в проведении различных экспериментов, в процессе которых определяются свойства, характеристики, зависимости, недостатки, ошибки или нежелательные ситуации системы, для исправления которых выполняется модификация модели, а модифицированная модель, в свою очередь, снова подлежит исследованию. Процесс определения системных недостатков, ориентируясь на модель и последующую модификацию модели, предполагает итерационный характер и выполняется до тех пор, пока анализ не приведет к необходимому результату [6].

Одним из простых, наглядных и эффективных средств комплексного представления сложной системы являются мнемонические схемы.

44

2.2. Формирование мнемонической схемы объекта исследования

Мнемоническая схема (мнемосхема) – наглядное, графическо-

схематическое, условное представление системы или процессов системы в символьно-графической форме, наглядно отображающее исследуемую систему [7]. Мнемосхема состоит из графических элементов, взаимосвязанных между собой при помощи соединительных линий.

Мнемосхемы эффективно используют в случаях если:

–система имеет сложную структуру;

–процессы в системе управляются по большому числу параметров;

–структура системы может оперативно видоизменяться. Мнемосхемы предназначаются при требовании выполнения сле-

дующих функций:

1.Наглядно отобразить структуру изучаемой системы, предоставить информацию о ее состоянии в том объеме, который необходим для выработки оптимальных решений и формирования управляющих воздействий для эффективного функционирования системы.

2.Отобразить взаимосвязи и характер взаимодействия системы подсистем и элементов с другими объектами системы, а также внешней средой.

3. Сигнализировать обо всех существенных нарушениях

всистеме.

4.Создать целостность восприятия системы посредством взаимного пространственного расположения подсистем различного уровня и элементов.

5.Оказать помощь специалисту, выполняющему изучение системы в условиях большого количества поступающей информации.

6.Облегчить процессы информационного поиска, логической систематизации и обработки поступающей информации в процессе изучения системы, подчинив их определенной логике.

7.Отобразить общее состояние, как системы, так и состояния отдельных элементов, свойств, отношений, параметров и зависимостей и т.п.

45

8. Обеспечить внешнюю опору для качественной оценки системы, выработки оптимальных решений и формирования управляющих воздействий.

2.3. Основные принципы к построению мнемосхемы

Представление в виде мнемосхемы соответствует первому способу выделения систем, при котором из системы вычленяется множество составных элементов и между ними выявляются системообразующие межэлементные связи и отношения, придающие этому множеству целостность.

Сложность построения мнемосхемы заключается в отсутствии жестких правил. В данном процессе нет ничего абсолютного и его нельзя свести к набору условных конструкций. Рассмотрим основные положения к построению мнемосхемы, выработанные в процессе многолетней практики их применения.

1.Мнемосхема должна содержать только необходимые элементы для контроля и управления системой.

2.Отдельные элементы или группы элементов, наиболее существенные для контроля и управления, на мнемосхеме должны выделяться размерами, формой, цветом или другими способами.

3.Соединительные линии на мнемосхеме должны быть простой конфигурации, минимальной длины и иметь наименьшее число пересечений. Следует избегать большого числа параллельных соединительных линий, расположенных рядом.

4.Форма и размеры элементов мнемосхемы должны обеспечивать однозначное зрительное восприятие системы.

Основные принципы к построению мнемосхемы.

Принцип простоты и адекватности. К мнемосхеме обычно предъявляются два противоречивых требования: простота и адекватность исследуемой системе. Степень сложности (или простоты) мнемосхемы определяется уровнем ее детализации, зависящим от принятых предположений, допущений, степени полноты и достоверности сведений об исследуемой системе: чем меньше предположений, допущений и достоверных сведений, тем выше уровень детализации и, следовательно, проще модель и, в то же время менее адекватна исследуемой системе. Процессы функционирования реальных систем практически невозможно описать полно и детально, что обусловлено

46

существенной сложностью таких систем. Основная проблема при разработке мнемосхемы состоит в нахождении компромисса между простотой ее описания и необходимостью учета многочисленных особенностей, присущих реальной системе.

Попытка построить единую универсальную мнемоническую модель сложной системы с большим количеством нагрузочных параметров, несомненно, обречена на неудачу ввиду ее необозримости и невозможности анализа. Для достижения компромисса между простотой модели, и в тоже время ее адекватности исследуемой системе, на начальном этапе моделирования необходимо четко сформулировать цель моделирования, что позволит однозначно определить какие подсистемы, элементы и взаимосвязи между ними войдут в создаваемую модель, а какие будут носить затемняющий понимание характер.

Принцип выравнивания. Ни один элемент мнемосхемы не должен располагаться случайным образом, т.е. нельзя располагать элементы или подсистемы где-либо на мнемосхеме только потому, что там присутствует свободное пространство.

Принцип уменьшения визуального шума. Визуальный шум является одним из основных препятствий для получения комплексного информационного представления о сложной системе. Можно выделить два типа визуального шума.

1) Перегруженность. При работе с мнемосхемами, имеющими значительные размеры, большое количество всевозможных подсистем, элементов и бесчисленное множество соединительных линий различных цветов и яркостей, зрительная система подвергается большой нагрузке, что затрудняет восприятие и анализ системы

вцелом.

2)Фоновый шум. В качестве фона мнемосхемы рекомендуется применять малонасыщенные и нейтральные цвета средней частоты спектра. Не допускается использование в большом количестве цветов, которые затрудняют восприятие модели.

Принцип использования привычных ассоциаций и стереотипов. Сущность данного принципа состоит в применении на мнемосхемах таких условных обозначений элементов, которые ассоциируются с общепринятыми буквенными обозначениями данных элементов. Желательно использовать, если это возможно, вместо аб-

47

страктных знаков и символов, графические образы, которые ассоциируются с элементами (рис. 14). Если изображение или его часть знакомо специалисту, то он сможет идентифицировать его даже по его фрагменту.

Рис. 14. Принцип использования привычных ассоциаций

истереотипов: а – использование абстрактных символов;

б– использование символов, которые ассоциируются с элементами

Принцип избыточности. Для улучшения восприятия структуры системы иногда бывает необходимо параллельное представление наиболее важных компонентов или взаимосвязей.

Принцип повтора. Некоторые компоненты стилевого оформления должны повторяться, что сделает мнемосхему более цельной, согласованной и упорядоченной. Повторяться могут маркеры списков, шрифтовое оформление (кегль, жирность), цветовые решения, пространственные взаимосвязи, толщина соединительных линий, распределение свободного пространства и т.п. Положительная роль повтора очень сильна в одностраничных мнемосхемах, а в многостраничных без него не обойтись. В случае если оформляется несколько мнемонических схем для одной системы, то принцип повтора выходит на первый план – при отсутствии повторяющихся элементов, каждая мнемосхема лишится связности и стилевого единства. Но необходимо избегать избыточного повтора, который будет подавлять смысловое содержание.

48

2.4.Мнемонические элементы

ипринципы визуальной иерархии элементов

Итак, мнемосхема состоит из графических (мнемонических) элементов, взаимное расположение которых и формирует представление о системе в целом. В зависимости от поставленной задачи моделирования, мнемоническим элементом может быть представлена любая часть системы, например, для системы университет в качестве мнемонических элементов можно представить: обучающихся, преподавателей, оборудование или иные другие физически существующие объекты рассматриваемой системы. При этом каждый такой элемент должен иметь уникальное имя и описание.

Мнемонический элемент – отдельный объект, размещенный на мнемосхеме. При этом элементом может быть строка текста, изображение, а также группа взаимосвязанных ресурсов, воспринимаемых как единое целое. Степень понимания системы на основании мнемонической схемы напрямую зависит от того, насколько хорошо организованы мнемонические элементы. Если мнемосхема не имеет визуальной иерархии, то это существенно затрудняет процесс восприятия модели на этапе выявления интересующих свойств системы, что предопределяет самостоятельное формирование понимания того, какие элементы являются главными, а какие второстепенными. Ясная визуальная иерархия всегда снижает затраты времени по начальному восприятию структуры исследуемой системы и способствует систематизации содержания таким образом, чтобы понять систему в целом.

Мнемосхемы с ясной визуальной иерархией обладают следующими свойствами:

1. Элементы, являющиеся частями друг друга, представля-

ются в виде вложений. Необходимо организовать внешний вид элементов таким образом, чтобы он ясно и четко отображал отношения между элементами – какие элементы связаны между собой, какие являются частями других элементов (подсистем).

2. Каждый элемент мнемосхемы необходимо взвешивать по его способности помочь воспринять структуру системы. Мнемо-

схема не должна содержать лишних, затемняющих ее элементов. Применять элементы, обозначающие несущественные особенности системы, не следует. Необходимо определить относительную важ-

49