Методология моделирования структуры системы

В основе синтеза - определение в системе структурных отношений, характеризуемых упорядоченностью, организованностью взаимодействий между отдельными ее уровнями по вертикали.

Три этапа решения задачи синтеза:

- выявление глобальной функции системы (абстрактный синтез – рассмотрение системы на абстрактном уровне в виде черного ящика, о котором известно только то, что он будет делать),

- разработка структуры системы, реализующей необходимые функции (структурный синтез – преобразование функционального описания в структурное - разбиение глобальной функции системы на подфункции до тех пор, пока не будут получены элементарные функции, структуры которых очевидны, или уже реализованы);

- определение параметров системы так, чтобы получить желаемое качество проекта.

Обеспечить желаемое качество системы можно тремя способами:

- параметрический метод - улучшение качества входящих в систему элементов (формирование элементов воздействием на вектор Х);

- схемотехнический метод – изменение структуры системы;

- уменьшение отрицательного влияния внешней среды (воздействием на внешние параметры).

Этапы синтеза объекта

В основе структурного моделирования – совместное применение методов анализа и синтеза.

При анализе объект разделяется на части и каждая из них исследуется в отдельности, при синтезе решается обратная задача - соединение частей в целое. При этом важно не просто разбить целое на элементы, но и соединить эти элементы таким образом, чтобы они снова образовали единое целое. В результате синтеза как завершающего этапа процесса «анализ – синтез» можно объяснить целое через его части – в виде структуры целого.

Единство анализа и синтеза как основа системного анализа относится ко всем отраслям знаний, в т.ч. к моделированию. Алгоритмов «анализа – синтеза» как известно, нет – определена только общая методология (как выполняются операции анализа и синтеза).

Основная операция системного анализа (неформальная) – декомпозиция (разделение целого на части). Применительно к построению структуры модели – определение состава модели (компонентов).

Компонент – любая часть предметной области, которая может быть выделена как некоторая самостоятельная сущность. Это и система (модель) в целом, и любая часть системы (модели) – подсистема, элемент.

Основная сложность декомпозиции – определение базовых (неделимых) моделей компонентов, соотношение моделей микро- и макроподхода. В основе декомпозиции – достижение компромисса между полнотой набора формальных моделей рассматриваемой системы и простотой – он может быть достигнут, если в модель включаются только модели компонентов, существенных по отношению к цели моделирования.

Примеры: построение монтажной радиосхемы, построение вычислительного агрегата из набора однотипных элементов, исследование твердости материалов (графита и алмаза), состоящих из однотипных элементов (атомов) но с разными способами соединения атомов (кристаллическими решетками).

Виды структур

В основе исследования структуры лежит ее классификация. Принципы построения и вид модели структуры системы зависят от типа системы и целей исследований.

При моделировании систем вообще и, в частности, для целей структурного анализа используются различные модели, отображающие:

• функции, которые система должна выполнять;

• процессы, обеспечивающие выполнение указанных функций;

• данные, необходимые при выполнении функций, и отношения между этими данными;

• организационные структуры, обеспечивающие выполнение функций;

• материальные и информационные потоки, возникающие в ходе выполнения функций.

По принципам разбиения системы на подсистемы различают структуру систем, в которых элементы объединяются по функциональному и (или) объектному принципам. При объектном разбиении могу различаться структуры по принадлежности объектов: отраслевые, региональные и т.д.

Функциональные, геометрические и функционально-геометрические модели отражают соответственно только функциональные, только пространственные и одновременно функциональные и пространственные свойства оригинала.

По числу уровней иерархии – одноуровневые и многоуровневые.

По принципам управления и подчиненности – децентрализованные, централизованные и смешанные.

В децентрализованной системе решения отдельными элементами принимаются независимо и не корректируются системой более высокого уровня.

В централизованной системе задания отдельным элементам системы выдаются лишь одним элементом более высокого уровня.

В смешанных системах управление некоторыми функциями или этапами их выполнения происходит централизовано, а другими – децентрализовано.

По выполняемым функциям и целевому назначению – структуры систем планирования, оперативного управления, информационные и т.д.

В зависимости от постоянства числа элементов системы и связей между ними различают системы с фиксированной (жесткой) и изменяемой структурами.

По принципам разбиения системы на подсистемы различают структуру систем, в которых элементы объединяются по функциональному и (или) объектному принципам. При объектном разбиении могу различаться структуры по принадлежности объектов: отраслевые, региональные и т.д.

Физические модели – описание сложных физических свойств с помощью простых структурных элементов.

Временные модели – в качестве элементов выступают этапы процесса или состояния в некоторый момент времени.

Отношения – условия перехода от одного этапа к другому или из одного состояния в другое.

Примеры: производственные сетевые графики (технологические карты, где вершины графа – производственные операции, ребра – последовательность и длительность операций), системы массового обслуживания (случайный поток заявок, отношения между элементами – условия поступления заявок).

Геометрические модели содержит сведения о форме и размерах системы и элементов, об их взаимном расположении.

Применяются модели двухмерного (2Д) и трехмерного (3Д) моделирования. 2Д моделирование – подготовка чертежей, трассировка плат, 3Д моделирование - каркасные, поверхностные и объемные модели.

Каркасная модель отображает форму детали в виде конечного множества линий на поверхности детали. Для каждой линии известны координаты концевых точек и указана их инцидентность ребрам или поверхностям.

Поверхностная модель отображает форму детали заданием ограничивающих ее поверхностей, например, в виде совокупности данных о гранях, ребрах и вершинах.

Объемная модель содержит сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему пространству по отношению к объекту.

Подходы к построению геометрических моделей:

- задание граничных элементов – граней, ребер, вершин;

- задание двумерного контура и траектории его перемещения, след от перемещения принимается в качестве поверхности детали (кинематический метод);

- пространство разбивается на ячейки (позиции), объект задается указанием ячеек, принадлежащих детали (позиционный метод);

- объект представляется в виде совокупности базовых элементов формы (заранее разработанные модели простых тел – параллелепипеда, цилиндра, сферы, призмы) и выполняемых над ними теоретико-множественных операций объединения, пересечения, разности - метод конструктивной геометрии - для сборочных единиц.

Одним из путей преодоления сложности построения моделей является иерархическое представление возможных структур системы: структурную сложность системы можно раскрыть в форме иерархической системы.