4. Структурная схема системы.
Объединение моделей "ЧЯ", состава и структуры позволяет определить систему как совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как целое.
Все эти модели вместе образуют еще одну модель, которая называется 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).
Пример 5.
П
риведем
структурную схему системы "синхронизируемые
часы" (рис. 5).
Рис. 5. Структурная схема системы "синхронизируемые часы"
Связи в системе:
1 – однозначное соответствие между датчиками и индикатором;
2 – приблизительное соответствие;
3 – сравнение (периодическое) и устранение расхождения;
4 – поступление энергии извне;
5 – регулировка индикатора извне;
6 – показания часов.
Структурой системы называется ее расчленение на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на всё время рассмотрения и дающее представление о системе в целом.
Это расчленение может иметь материальную (вещественную), функциональную, алгоритмическую и другую основу (табл. 4). Группы элементов в структуре обычно выделяются по принципу простых или относительно более слабых связей между элементами разных групп.
Таблица 4
-
Тип структуры
Примеры
Вещественная структура
Сборный мост из отдельных, собираемых на мосте секций. Связи носят силовой характер
Функциональная структура
Деление двигателя внутреннего сгорания на системы питания, смазки, охлаждения, передачи силового момента и др.
Объединение вещественных и функциональных структур
Отделы проектного института, занимающиеся разными сторонами одной и той же проблемы
Алгоритмическая структура
Алгоритм (схема) програм. средства, указывающая последовательность действий
Временная структура
Календарь
Информационная структура
Деление книги на главы в научной литературе
Структуру системы можно изображать несколькими способами.
1. Структуру системы можно изображать в виде графической схемы, состоящей из ячеек (групп, и соединяющих их линий (связей)).
Структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней (или преобладающими) типам связей. Простейшими из них являются последовательное, параллельное соединение элементов и обратная связь(рис. 6).
Поясним понятие обратной связи. Оно означает, что результат функционирования элемента влияет на поступающие на него воздействия. Как правило, обратная связь выступает важным регулятором в системе. Крайне редко встречается система без того или иного вида обратной связи.
Близким к понятию структуры является термин "декомпозиция".
Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой.
Примеры декомпозиции:
рассмотрение физического явления или математическое описание отдельно для данной части системы.
разделение объекта на отдельно проектируемые части, зоны обслуживания.
Важнейшим стимулом и сутью декомпозиции является упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком.
Такое упрощение может:
а) фактически приводить к замене системы на некоторую другую, в каком-то смысле соответствующую исходной, – как правило, это делается вводом гипотез об отбрасывании или ослаблении отдельных связей в системе;
б) полностью соответствовать исходной системе и при этом обличать работу с ней – такая декомпозиция, называемая строгой, требует специальных процедур согласования и координации рассмотренных частей.
Иерархией назовем структуру с наличием подчиненности, т.е. неравноправных связей между элементами, когда воздействие в одном из направлений оказывает гораздо большее влияние на элемент, чем в другом.
Типичная иерархическая связь с воздействиями вида "информация" и "управление" может быть представлена в виде (рис. 7).
Виды иерархических структур разнообразны. Основных, важных для практики иерархических структур две:
древовидная – веерная (рис. 8 а);
ромбовидная (рис. 8 б).
Древовидная структура наиболее проста для анализа и реализации. В ней почти всегда удобно выделять так называемые иерархические уровни – группы элементов, находящихся на одинаковом уровне (по числу промежуточных элементов) удалении от верхнего (главенствующего элемента).
Примеры таких структур в искусственных и живых системах чрезвычайно многочисленны:
цепочка "министерство – главк – завод – цех – бригада – звено";
задача проектирования технического объекта – от его основных характеристик (верхний уровень) через проектирование основных частей, функциональных систем, групп аппаратов, механизмов до уровня отдельных деталей;
иерархия целей в задаче автоматизированного производства – от цели участка, состоящей в максимальном выпуске продукции, до программного обеспечения отдельной операции на станке (цель – операция);
в живой природе – иерархия по признаку управляемости процессов в организме, иерархия в стаде, и др.
Ромбовидная структура ведет в двойной (иногда и более) подчиненности, отчетности, принадлежности нижнего элемента.
В технике – это участие данного элемента в работе более чем одного участка, блока, использование одних и тех же данных или результатов измерений в разных задачах.
Пример из проектирования:
(i–1)-й уровень – это проектирование системы пожаротушения корабля в целом;
i-й уровень – проектирование основной и дублирующей систем пожаротушения;
(i+1)-й уровень – это проектирование насоса, который будет независимо поставлен и в основную и в дублирующую системы.
Любая иерархия, в принципе, сужает возможности, особенно гибкость системы. Элементы нижнего уровня сковываются доминированием сверху, они способны влиять на это доминирование (управление) лишь частично и, как правило, с задержкой.
Однако введение иерархии резко упрощает создание и функционирование системы, и поэтому ее можно считать вынужденным, но необходимым приемом рассмотрения сложных технических систем. Недаром та или иная степень иерархии наблюдается в подавляющем большинстве естественных систем.
Отрицательные последствия введения иерархии во многом могут быть предопределены предоставлением отдельным элементам возможности реагировать на часть воздействий без жесткой регламентации сверху.