Общие сведения. Виды представлений системы

Виды представлений системы.

Обеспечение целостности описания сложной системы.

Понятие целостного описания системы является центральным в системотехнической деятельности.

На его базе строится понятийный аппарат. Целостное описание системы должно давать представление о система как едином целом состоящем из взаимодействующих в интересах достижения поставленной цели частей.

Причинами затрудняющими получение целостного описания является многоаспектность и полидекомпозируемость систем.

Для обеспечения целостного описания системы необходимо решить следующие задачи:

- сформулировать совокупность представлений системы и проанализировать их взаимосвязи;

- выделить формы представления сложной системы;

- провести классификацию моделей, как форм представления сложной системы.

Существуют три основные формы представления систем:

- Ф – представление (функциональное);

- П – представление (процессное);

- М – представление (морфологическое).

На их базе могут быть построены более сложные представления систем, использующих и конкретизирующие атрибуты основных представлений.

Для однозначного поведения системы достаточно задать начальное состояние и уравнение движения, связывающее переменные состояний.

Системы функционируют в бесконечном пространстве состояний.

Иногда говорят, что существует равновесное состояние системы – состояние покоя. Равновесное состояние системы является необходимым элементом для определения более широкого свойства системы, охватываемое понятием устойчивости. Для состояния равновесия системы характерно отсутствие внешних воздействий или их взаимная нейтрализация.

Общее для всех систем:

- информация о задачах и целях управления;

- информация о процессе;

- информация, характеризующая управляющие воздействия;

- измерительные элементы;

- решающие элементы;

- объект управления.

Любую систему можно охарактеризовать совокупностью некоторых величин.

Набор значений этих величин в определенный момент времени называется состоянием системы.

Последовательность состояний системы во времени является движением системы, которое может быть задано различными способами.

Процесс разработки заключается в том, чтобы для новых объектов, которые создаются, найти и описать конкретные технические решения, которые будут удовлетворять все выдвинутые требования технического задания (ТЗ) и были бы наилучшими в соответствии с избранными критериями.

Методы создания объектов новой техники (ОНТ), что применяются в настоящее время ґрунтуються на интеллектуальной деятельности проектантов, реализуються пока еще при ограниченном участии компьютерных систем проектирования рядом с формальными методами используются приемы интуиции, эмпирики, ремесла.

Автоматизация и оптимизация процессов создания ОНТ принадлежат к области моделирования процессов мышления в соединении с; разработкой строгих математических методов решения типичных традиционно проектных задач. В случае применения ЭВМ сначала автоматизируется ряд отдельных операций процесса проектирования, а затем — весь процесс. Цель проектирования заключается в поиске и фиксации необходимой информации об объекте новой техники, что обеспечивает возможность! четкого и однозначного его материального) воссоздание.

Как известно, процесс проектирования (алгоритм) происходит за такой схемой:

• изучение и анализ проектной задачи и проектного задания, на основе которого такая задача сложена; при этом уточняются.вимоги, цели и специфика использования объекта проектирования;

визчначення общих контуров функциональной схемы мички вариантов с помощью логических построений, формальных методов и эмпирических приемов на основе опыта;

анализ (оценка) начерченных и зафиксированных вариантов (альтернатив);

возможные уточнения, доработки вариантов.

Заметим, что проектирование считается законченным, ни полученные и зафиксированные все необходимые данные для воспроизводства объекта.

Процесс проектирования разделяют на две основные стадии:

• идентификацию или определение функциональной схемы и ее основных параметров (собственное проектирование — эскизный и аванпроект);

• конструктивную разработку общего вида принятой схемы и представления документации (конструирование и документирование).

На протяжении первой стадии проектанты разрабатывают общие контуры некоторого целого, на протяжении второй — подбирают, уточняют и конкретизируют его отдельные части.

Относительно основных творческих процессов первой стадии, то они состоят из множества подопераций, что чергуються и назначение которых заключается в многократном проведении синтеза и анализа возможных вариантов создаваемого объекта и принятия решения относительно выбора оптимального. Эти варианты формируются на основе аналогий, интуиции, представлений, опыта, а затем отобранный из них конкретизируется с помощью разнообразных приемов инженерной обработки, основным из которых есть эскизное пророблення.

Спроектировать — это найти и подготовить необходимые данные, которые в случае соблюдения определенных условий обеспечат создание объекта, что выполняет заданные функции и служит для достижения поставленных целей.

Следовательно, процесс проектирования состоит из двух больших стадий:

• нахождение пригодной (содержательной) идеи;

• реализация возможностей, которые эта идея предоставляет.

Моделирование как метод в проектировании основывается на замене объекта его моделью, которая, конечно, проще и дешевле оригинала. Модель (макет) находится в объективном соответствии с исследуемым объектом; ее изучение (исследование) дает информацию об объекте, что моделируется. Во время моделирования процессов проектирования для оптимизации и автоматизации проектных работ использования отдельных средств моделирования и отдельных аспектов бывает недостаточно, поэтому в дальнейшем возникает потребность в проведении комплексных исследований.

Проектное (техническое) задание — полный перечень всех требований и ограничений, которым должен удовлетворять создаваемый объект. Его назначение — служить исходным материалом для постановки и следующей формулировки одной или больше проектных задач, решение которых приводит к созданию объекта.

Срок «проектное задание» всегда шире за срок «проектная задача». Отметим, что рассмотрению проектных задач должно предшествовать ознакомление и анализ всего проектного задания.

Проектное задание — это исходная информация для последующих действий. Формирование такой информации происходит на основе изучения и анализа планово-экономических и научно-технических мировых показателей.

Объекты, которые подлежат проектированию, можно разделить на простые и сложные. Да, для сложных объектов, выходя из общего задания, разрабатывают совокупность отдельных проектных заданий.

В зависимости от характера проектной задачи (от данных, которые содержатся в ее условии и требованиях к решению) ее постановка может осуществляться по-разному. Полнее всего это происходит с использованием системного подхода, что дает возможность учесть сложность проектной задачи.

Процесс проектирования (из позиции математики) за заданными требованиями в условии проектной задачи представляет собой, если эти требования совместимые:

• при наличии множества решений — переопределенную задачу;

- при наличии одного решения — определенную задачу; если эти требования несовместимые:

- ни при наличии одного решения — неопределенную задачу.

Разработка методологии рационального проектирования сложных технических систем достала название системного проектирования, или системотехники.

Иногда системное проектирование трактуется как системный.Іналіз, а системный подход называется комплексным.

Системный подход к проектированию — одно из молодых направлений науки; он выделен в самостоятельную дисциплину со своєю аксиоматикой, теоретическим аппаратом и областями дополнений. Есть системное проектирование устройств и машин (в том мислі вычислительных), объектов строительства, заводов разных Иалузей промышленности и др.

Полнее всего системный подход развитой относительно проектирования систем управления, которые характеризуются сложностью решаемых задач и необходимостью рассмотрения проблемы в целом.

Системное проектирование — это методология решения сложных проблем, что ґрунтується на концепции системы. Система есть то, что решает проблему. Определяя «решение проблемы» как «целеустремленную систему», использование системного подхода тем самым дает возможность представить процесс нирішення проблемы как процесс создания и использования системы в соответствии с этапами ее жизненного цикла. При этом эффективность решения проблемы зависит, в первую очередь, под методов, которые применяются при этом. Пропускная способность, точность и другие характеристики методов, которые входят в определенную целеустремленную систему, должны быть збалансонані между собой, а расходы на них должны отвечать заказу. Как пример, наведем схему (рис. 1) использования ресурсов (расходов, отнесенных к трудозатратам) и выполнения работ в соответствии с основными этапами жизненного цикла системы. За этой схемой можно качественно схарактеризувати сложную техническую систему (рис. 2).

В любой системе есть два основных и разнообразных за ролью процесса:

• основной;

• обратная связь (а также вход, выход и ограничение).
Понятие «процесс» является центральным понятием системного подхода в решении проблемы, что представляет собой разницу между существующей и желаемой ситуацией.

Основное содержание системного подхода заключается не столько в формальном математическом аппарате, что описывает «системы», «решение проблемы» и не в специальных математических методах, а в концептуальном, то есть понятийному, аппарате, в его идеях, подходе и установках.

Исходя из концепции системного проектирования, решение проблемы традиционно охватывает такие этапы:

• идентификация (выявление) проблемы;

• оценка актуальности проблемы;

• определение цели (установление критериев и ограничений);

• выявление (раскрытие) структуры системы и ее дефектных элементов;

• определение структуры системы для построения набора вариантов;

• нахождение, оценка и выбор варианта;

• подготовка решения (определение процесса реализации);

• согласование найденного решения (признание решения коллективом исполнителей и руководителей);

• запуск процесса реализации решения (реализация решения);

• управление процессом реализации решения;

• оценка реализации и ее последствий (эффективности).
Общую схему с использованием основных этапов приведено на рис. 3.

Этапы решения проблемы имеют общий характер, поскольку понятие «сложная система» содержит не только технические системы, но и промышленные предприятия, разнообразные организации и учреждения как системы (биологические системы, системы знаний и др.).

Розглянемо основні концепції системного проектування стосовно складних технічних систем як керованих систем логіко-динамічного класу.

Під керованою системою розуміється система, що:

• містить підсистеми, кожна з яких має власну ціль функціонування, підпорядковану загальній цілі системи в цілому;

• має велику кількість зв'язків між підсистемами;

• має розгалужену інформаційну мережу тощо.

Отже, до проектування керованої системи слід підходити як до складної системи.

Процес системного проектування складної керованої си­стеми містить два основні етапи: етап зовнішнього (макро-проектування) і етап внутрішнього (мікропроектування) проектування.

Перший етап включає вибір функцій, структури системи та її складу, а також визначення системних харак­теристик і принципів функціонування підсистем. При цьому основними питаннями тут є:

• розробка системи критеріїв (якості функціонування та оцінки варіантів системи);

• побудова архітектури (складу) системи;

• дослідження реалізованих алгоритмів керування для прийнятої системи критеріїв;

• формалізація процесів функціонування системи;

• розробка математичної моделі системи та її підсистем;

• синтез і дослідження оптимальних режимів функціону­вання системи та ін.

Другий етап включає вибір і проектування компо­нентів системи, тобто її підсистем та агрегатів. Основна за­дача цього етапу полягає в розробці проектних рішень, пов'язаних із технічною реалізацією системи, оптимізацією характеристик, параметрів системи та її підсистем, на ос­нові прийнятої математичної моделі, що задовольняє кри­терії якості.

Системний аналіз дає зм'огу сформулювати основні стадії, які становлять основу системного підходу до проек­тування керованої системи:

- постановка задачі вирішення проблеми керування

• формування шляхів вирішення проблеми (формування варіантів системи, що вирішує проблему);

• розробка моделей системи;

• формування критеріїв оцінки системи та її функціону­вання;

• вибір компромісних варіантів системи.

Таким чином, вирішення проблеми повинно містити принаймні три основні положення:

• чітке визначення цілей створення системи і сукупності розв'язуваних нею задач;

• перелік і характеристики діючих на систему чинників, які підлягають обов'язковому врахуванню під час роз­робки системи та її моделі;

• вибір показників ефективності процесів та якості ре­зультатів.

Для розробки методики розрахунку показників ефектив­ності, а також для дослідження різноманітних властивостей системи потрібна її математична модель. Відомості про сис­тему, отримані в результаті моделювання та експерименту, дають можливість обґрунтувати оптимальну структуру сис­теми, визначити оптимальні значення її параметрів і пере­конатися в тому, що вибраний варіант системи відповідає цілі її розробки і має достатню ефективність.

Як підсумок, наведемо визначення проектування з вико­ристанням системного підходу. Системне проектування — це процес побудови проектів складних об'єктів як ціле-орієнтованих систем в категоріях системних властивостей (побудови, функціонування, розвитку) (рис. 4), системних ресурсів (час, кошти, людино-витрати) та структури життєвих циклів (наукових досліджень, проектування, виго­товлення та використання) (рис. 5).

Під час проектування складних систем часто здійсню­ється вибір одного з можливих варіантів системи. Кри­терієм для такого вибору слугує, у першу чергу, значення показника ефективності системи, причому перевагу з еквівалентних показників ефективності, одержує менш складний із них.

Розглянемо таку властивість системи, як складність. Під час створення системи складність обчислюється відповідно до виразу функції С = f(n, t, sn), де n – число елементів множини; t – число типів елементів; sn - характер розподілу елементів за типами. Ця функція задовольняє такі умови: область її значень збігається з множиною невідємних чмскл; вона має бути монотонною щодо кількості елементів і кількості їх типів; вона повинна містити інформаційну міру різноманиття множини.

Враховуючи якість складових деякої множини елементів, логічно виміряти складність такої множини кількістю її елементів, тобто С(А) = card А, де С(А) – складність множини А.

Різноманіття елементів можна оцінювати за допомогою формули ентропії в статистичній теорії інформації, вважаю­чи, що ймовірність появи /-го елемента р, =я_м/«, де л_м — число елементів ц-го типу, до якого належить /-й елемент.

Отже, кількісна міра складності множини

С(Л) = «1-У^

Уточнення задачі. Знайти функцію С-/(п, 1, т, І, р, а„, а_т, о},, 8), що відображає множину графів у множину невід'ємних чисел, де п — число вершин графу; / — число типів вершин графу; т — число ребер; т — число типів ребер; р — число різних степенів вершин графу; ст„ — характер розподілу вер­шин за типами; а„ — характер розподілу ребер за типами; о,, — характер розподілу ребер за вершинами; 8 — ступінь повноти графу. Функція задовольняє такі умови: вона має бути монотонно зростаючою залежно від кількості вершин, ребер і числа їх типів; повинні бути істинні імплікації

/ = 1 => С=/(л, т, І,р, а_т, ст„, 8), т =1 => С=/(л, /, т,р, а„, ст,, 8),

/?=!=> С=/(л, (, т, т, а,„ ст„, 8), т = О => С = п \ 1 -

І м=І л7 = 0&Г=1=>С=л, л = 0=>С=0.

Враховуючи вищенаведене, а також властивість адитив-ності інформації, функція

С = п 1о_§2(2 + ат) (Н'_п + Н'_т + Н „'+ 1).т т

(вважається, що одне неорієнтоване ребро еквівалентне двом орієнтованим); Я' = —У¹ — 1о§,—,

п пНІ, = ~У,— І0£₂— -, \ т т-²" ^І08₂— — ентропійна міра

п прізноманіття відповідно імен вершин, імен ребер, степенів вершин фафу, де л_м — число вершин ц-го типу (одного імені); т_р — число ребер р-го типу; л_л — число вершин степеня.

Зауважимо, що наведені вище формули добре узгоджуються з інтуїтивними уявленнями про складність, хоча їх І диність недовідна. Так, схема типу конверт, де всі елемен-Іи однакові, а зв'язки різні, має складність С = 44.

На стадії експлуатації як окремий випадок можна роз-І минути таке спрощення:

Гут 5, — складність окремих елементів (/ = 1, 2,..., л); А^ — число елементів /-го типу, що входять у систему; v — ко­ефіцієнт, що враховує складність зв'язків порівняно зі Мскладністю елементів системи; а = — відносне N(N -1)

число реалізованих зв'язків, де М' — фактичне число п ш'язків, реалізованих у системі; N = У^А",. — число елементів /системи; N (N — 1) — максимальне число зв'язків між елементами.

Отже, функція складності може використовуватися для оцінки комплексів як складних систем керування. Зазначи­мо, що можливі й інші підходи до оцінки складності.

При системному проектуванні складних керованих систем частина етапів проектування може бути відсутня. Так, ранні етапи можуть бути подані ТЗ на проектування конкретної системи.

Нижче будуть розглянуті лише основні (системні) етапи си­стемного проектування стосовно складних технічних систем.

1.2. Проектні критерії системного проектування

Проектний критерій — це умова досягнення чисельною характеристикою бажаного значення, що дає змо­гу оцінити ступінь відповідності прийнятого рішення цілі, для досягнення якої проводиться порівняння та вибір різних ліній поведінки (планів, команд, графіків, параметрів тощо).

Вибір критерію якості — один із найвідповідальніших етапів у побудові математичних моделей процесів керування, проектування, прийняття рішень та ін. Як правило, до системи керування подаються різноманітні, іноді суперечливі, вимоги. У загальному випадку неможливо одержати розв'язок, який одночасно був би кращим відповідно до кожної вимоги.

У проектних задачах інтуїтивне уявлення про якість системи керування дає можливість віддати перевагу одній системі керування перед іншою. Проте в складних задачах, де потрібно враховувати велику кількість чинників, іноді суперечливих, використання інтуїції та досвіду не завжди гарантує раціональне рішення, якщо вони не підкріплені відповідним аналізом. Тому важливо оцінити, які із цих чинників слід віднести до обмежень вибору рішення або як одне з них чи кілька можуть слугувати критеріями якості результату та ефективності процесів.

Часто як обмеження використовуються характеристики системи керування, від яких у певних умовах достатньо очікувати, щоб їхні числові» значення не виходили з деякого вже заданого діапазону. Одна з найважливіших у таких умо­вах характеристика приймається за критеріальну. Порівнянню підлягають ті характеристики, що задовольняють прийнятим обмеженням (характеристики, що перебувають у за­даній області). Кращим є розв'язання, за якого досягається максимум або мінімум (залежно від постановки задачі) цільової (критеріальної) функції.

Вибір критерію якості системи, що є складною, має враховувати її характерні складові (побудову, функціонування, вдосконалення).

Складні системи можна класифікувати як регулярні (системи багатократного, а також однократного функціонування) або нерегулярні.

Щодо регулярних систем зазначимо, що в них цілі функціонування зберігаються і за межами аналізованого проміжку часу (енергетична система, промислове підприємство тощо).

Проблема керування у великій регулярній системі містить:

• вибір структури керування підсистемами;

• визначення цілей функціонування системи в цілому і кожної з її підсистем;

• визначення методів оптимізації режимів роботи.

У складних системах задача вибору критеріїв якості функціонування, а також задача керування мають характер проблеми і містять:

• вибір часткових критеріїв функціонування підсистем;

• побудову критерію ефективності великої системи як функції-предикат зважених часткових критеріїв;

• організацію ієрархічної системи критеріїв (за необхідності).

У загальному випадку критерій ефективності складної системи є функцією кількох часткових критеріїв, і вага кож­ного з них може змінюватися залежно від умов роботи системи. Часткові критерії за деяких умов можуть відігравати роль чинників, що обмежують.

Необхідність оптимізації складної системи за складними критеріями з розбіжністю змінних зважених часткових критеріїв, а також необхідність врахування різноманітних технічних і економічних обмежень ускладнюють побудову її математичної моделі.

Дослідження великих систем здійснюється за допомогою функціональних характеристик — показників відповідних властивостей — у такій послідовності:

• вибір залежно від призначення та характеру великої системи функціональних характеристик — показників відповідних властивостей — з подальшим вибором основного показника;

• обчислення розміру показника якості і аналізу характеру великої системи (ефективності системи) під час її моделювання, визначення зміни показника в разі зміни будь-якого параметра системи;

• вибір показників, що характеризують основні властивості системи, — функціоналів (залежать від розмірів зміни параметрів і відповідних збільшень показників ефективності).

У теорії великих систем критерії ефективності системи (підсистеми) не можуть розглядатися як задані. Вони істотно залежать від критеріїв ефективності системи більш високого рівня, у яку ця система входить як підсистема. Практично під час розгляду конкретних задач вплив досить високих рівнів можна замінити поправками, що грунтуються на приблизних оцінках. За всіх обставин визначення критеріїв ефективності має ґрунтуватися не тільки на оцінці миттєвого стану аналізованої системи, а й на прогнозі її поводжен­ня, виходячи з розумної поступки між розмірами ефекту і термінами його одержання. Цілі функціонування кожної системи більш високого рівня формулюються в більш за­гальних термінах, ніж цілі підпорядкованих їм систем. Чим вищий рівень системи, тим більш комплексними й узагаль­неними показниками оцінюється її стан. Цим визначається можливість обробки інформації для вибору доцільних керуючих впливів на вищих рівнях ієрархії функціонування.

Задача системного проектування складних систем перед­бачає насамперед визначення:

• моделі функціонування системи;

• моделі оцінки ефективності її функціонування;

• структурних характеристик системи, що істотно впливають на якість функціонування (оцінка чутливості);

• ефективних значень структурних характеристик системи відповідно до заданої системи критеріїв якості та низкою інших критеріїв.

Розглянемо деякі визначення, характерні для теорії систем.

Під функцією /"системи, яку позначимо через 6, будемо розуміти ЇЇ дію (функціонування), зумовлену скінченною кількістю правил (алгоритмом), на підставі яких може бути здійснена фізична реалізація цієї системи, здатна робити та­ку дію.

Сукупність функцій рі (У = 1, 2,..., /V), властивих системі О_до, визначає її цільове призначення.

Метою функціонування системи 0_ДО є деяка композиція функцій К^ґ^, сформована, як правило, у вигляді зовнішнього доповнення за межами системи. Система здат­на робити дію (комплекс дій), якщо на множині /''(сукупності функцій /;.) здійсненна композиція К^{Р/}.

Складність як властивість системи виникає під час її проектування, частіше — у результаті нового методологічного

Дата добавления: 2014-01-06