Структура систем

Предположения о характере функционирования систем

Для получения ММ процесса функционирования системы, чтобы она охватывала широкий класс реальных объектов, в общей теории систем исходят из общих предположений о характере функционирования системы:

1) система функционирует во времени; в каждый момент времени система может находиться в одном из возможных состояний;

2) на вход системы могут поступать входные сигналы;

3) система способна выдавать выходные сигналы;

4) состояние системы в данный момент времени определяется предыдущими состояниями и входными сигналами, поступившими в данный момент времени и ранее;

5) выходной сигнал в данный момент времени определяется состояниями системы и входными сигналами, относящимися к данному и предшествующим моментам времени.

Первое предположение отражает динамический характер процесса функционирования в пространстве и времени. При этом процесс функционирования протекает как последовательная смена состояний системы под действием внешних и внутренних причин.

2 и 3 – отражают взаимодействие системы с внешней средой.

В 4 и 5 предложениях отражается реакция системы на внутренние факторы и воздействия внешней среды: последействие и принцип физической реализуемости.

Последействие – тенденции, определяющие поведение системы в будущем, зависят не только от того, в каком состоянии находится система в настоящий момент времени, но и в той или иной степени от ее поведения в предыдущие моменты времени.

Принцип физической реализуемости: система не реагирует в данный момент времени на «будущие» факторы и воздействия внешней среды.

И так, структура – это устойчивая упорядоченность в пространстве и во времени ее элементов и связей между ними, определяющая функциональную компоновку системы и ее взаимодействие с внешней средой;

Структура имеет множество описаний и интерпретаций. Для получения адекватного знания о структуре системы, о строении системы, необходимо построить множество описаний, каждое из которых будет охватывать лишь некоторые аспекты структуры как целостности.

Приведем примеры структур. Вещественная структура сборного моста состоит из его отдельных, собираемых на месте секций. Грубая структурная схема такой системы укажет только эти секции и порядок их соединения. Последнее и есть связи, которые здесь носят силовой характер. Пример функциональной структуры — это деление двигателя внутреннего сгорания на системы питания, смазки, охлаждения, передачи силового момента и др. Пример системы, где вещественные и функциональные структуры слиты, — это отделы проектного института, занимающиеся разными сторонами одной и той же проблемы. Типичной алгоритмической структурой будет алгоритм (схема) программного средства, указывающая последовательность действий. Также алгоритмической структурой будет инструкция, определяющая действия при отыскании неисправности технического объекта.

Примерами структур других типов является деление книги на главы. Ситуация с книгой интересна тем, что здесь основа деления может быть информационной (в научной литературе), вещественной (для типографии глава — это количество бумаги и рабочего труда) или более сложной, например, основанной на наборе эстетических воздействий на читателя (для художественной литературы).

Характеристика структур типами связей. Структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней (или преобладающим) типам связей. Простейшими из них являются последовательное, параллельное соединение элементов и обратная связь (рис. 2).

Рис. 2. Простейшие типы связей

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.

Модульное строение системы. Перейдем к введению следующей важной группы понятий. До сих пор мы называли связью воздействия одного элемента (или группы элементов) на другой элемент (группу). Ничто не мешает распространить понятие связи и на взаимодействие системы с «надсистемой», которую обычно называют внешней средой. Следующий шаг в исследовании связей в системе состоит в выделении для данного элемента:

а) всех тех воздействий, которые он испытывает со стороны других элементов и среды;

б) воздействий, которые он оказывает на другие элементы и среду.

Первую группу воздействий принято называть входами (воздействия «на элемент»), а вторую— выходами (воздействия «от элемента»).

Как правило, выходы элемента определяются входами и его внутренним строением. В этом смысле говорят, что выход есть функция от входа и самого элемента.

Язык входов и выходов переносится на произвольную совокупность элементов, включая и всю систему целиком. И здесь можно говорить обо всех входящих и выходящих воздействиях. Это не просто удобный, но весьма плодотворный подход к рассмотрению системы, поскольку, характеризуя группу элементов только входами и выходами, мы получаем возможность оперировать этой частью системы, не вникая, как связаны и взаимодействуют между собой ее элементы. Таким образом, мы уходим от детализации в описании при сохранении основных особенностей системы.

Группа элементов системы, описываемая только своими входами и выходами и обладающая определенной цельностью, называется модулем.

Система может представляться набором модулей и сама рассматриваться как модуль. Модульное построение системы, как правило, определяет ее декомпозицию. Нередко оно определяет и структуру. Однако значение понятия модуля в системном анализе и смежных с ним дисциплинах еще шире. Деление системы на модули — это удобный и наиболее распространенный прием работы с искусственными системами, включая их создание (проектирование), проверку, настройку, усовершенствование. Именно модульное строение системы в сочетании с принципом введения все более крупных модулей при сохранении обозримого объема входов и выходов позволяет рассматривать в принципе сколь угодно сложные системы. Примерами реализации этого положения на практике являются создание из сотен тысяч элементов (материальных, информационных, энергетических) вычислительных машин 4-го поколения, а также создание информационных систем и вычислительных сетей, охватывающих целый ряд стран, включая их многоуровневое программное обеспечение. Разработка таких систем обычно идет «сверху», с продумыванием назначения, входов и выходов модулей верхнего уровня, и, далее, спускается вниз, детализируя систему все в большей степени.

Рис.1.5. Модуль J

Схематическое изображение модуля приведено на рис. 1.5. Здесь

х_j — внешние (от «надсистемы») воздействия на элементы модуля J;

х^*_ij — связи от других элементов системы на элементы модуля J;

x^*_j — связи (воздействия) от элементов модуля J на другие элементы системы;

x^*_ik —связи (воздействия) от элементов модуля на среду, их также можно рассматривать как часть f_j функции системы F, которая реализуется модулем J.

Заметим также, что понятие модуля близко к концепции «черного ящика» в кибернетике — так называют объект, в котором известна только зависимость выходов от входов. Однако в отличие от такой крайней ситуации здесь, при исследовании сложных систем, мы обычно в состоянии проанализировать, что же происходит внутри модуля, но нам удобно не делать этого на определенной стадии рассмотрения.

Важность понятий модуля, входа, выхода подчеркивается и большим количеством их синонимов в различных разделах науки и техники. Так, например, синонимом модуля являются:

1) в технике — "агрегат", "блок", "узел", "механизм";

2) в программировании — подпрограмма, "программный модуль", "логический блок";

3) в организации и управлении — "подразделение", "комиссия".

Типичными входами и выходами являются пары: "сигнал—отклик", "воздействие (раздражение) — реакция", "запрос — ответ", "аргумент —решение", или, более широко "информация — принятие решения", "управление — движение" и др.

Чем больше сторон и свойств элементов участвуют во взаимодействии, тем сложнее оказывается структура.

Близким к понятию структуры является термин “декомпозиция”.

Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой. Примерами декомпозиции будут: рассмотрение физического явления или математическое описание отдельно для данной части системы; разделение объекта на отдельно проектируемые части, зоны обслуживания; другие частично или полностью независимые манипуляции с частями системы.

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 облегчать работу с ней — такая декомпозиция, называемая строгой, требует специальных процедур согласования и координации рассмотрения частей.

Выделим три класса структур: иерархические, неиерархические и смешанные (см. рис.3). Иерархия – это упорядоченность компонентов по степени важности (многоступенчатость, служебная лестница).

Для иерархических структур характерно наличие управляющих (командных) подсистем. В неиерархических структурах функции управления распределены между всеми элементами или группами элементов. Как правило, наличие иерархии является признаком высокого уровня организации, в функциональном отношении иерархические системы более экономны. Избыточность структуры свидетельствует о нецелесообразном расходе ресурсов, расточительности, которая оправдана только в том случае, если целью является дальнейшее развитие системы, ее морфологическая перспектива. Для описания структур применяются графы.

Рис.3. Классификация структур по связям: 1,2 – иерархическая; 3,4 – многосвязная; 5 - сотовая

Строго иерархической называется структура, удовлетворяющая следующим условиям:

1) каждая подсистема является либо управляющей, либо подчиненной, либо (по отношению к различным подсистемам) то и другое одновременно;

2) существует, по крайней мере, только одна подчиненная система;

3) существует одна и только одна управляющая подсистема;

4) любая подчиненная подсистема непосредственно взаимодействует с одной и только одной управляющей (обратное утверждение не обязательно).

Неиерархические структуры являются производными от многосвязной структуры, в которой каждая подсистема непосредственно взаимодействует с любой другой. Неиерархические структуры удовлетворяют следующим требованиям:

1) не существует подсистемы, которая является только управляющей;

2) не существует подсистемы, которая является только подчиненной;

3) любая подчиненная подсистема взаимодействует более чем с одной управляющей (обратное утверждение необязательно).

Смешанные структуры представляют собой различные комбинации иерархической и неиерархической структур.

Любая иерархия, в принципе, сужает возможности и 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.

Дата добавления: 2014-01-06