Основания декомпозиции систем в технике

Классификация и декомпозиция

Пример классификации.

Как создается классификация

Свойства классификаций

Деление (декомпозиция) и классификация

В любой отрасли знаний при ее структуризации, поиске законов и закономерностей, первым шагом является классификация добытых знаний. Если некоторое знание представить как систему, то есть достигнут некоторый системный уровень знания, то естественно выделить некоторые подсистемы, которые в случае необходимости подлежат дальнейшей декомпозиции. В этом и заключается основной механизм классификации. Классификация применяется в первую очередь для структуризации знаний о предметной области. Например, «Классификатор отраслей народного хозяйства».

Классификация является мощным инструментом познания, так как многочисленные разрозненные сведения сводит к системе немногочисленных понятий, оперировать которыми значительно проще и эффективней (вспомним ограничения КВП).

Декомпозиция – инструмент анализа конкретных систем, то есть образцов систем. Если по множеству образцов реализации системы накоплен достаточный запас знаний, можно говорить о процедуре типизации и создании классификатора, как декомпозиции с вариантами реализации подсистем, комплексов и, элементов – в первую очередь.

Подсистемы - это более общие и более информационно значимые единицы расчленения, чем элементы системы. Это сказывается и в названиях: название подсистемы обычно состоит из обобщенного слова типа “блок”, “система”, “устройство”, и т.п. плюс к нему существительное в родительном падеже, выражающее функцию или цель этого “блока”, например, блок электропитания, система наведения, устройство стыковки, и т.д. То есть к названию – «объекту» добавляется его функция – «предикат». В то же время элементы системы, как правило, называют конкретным термином, а если и случается название с обобщающим словом, то это свидетельствует только о том, что этот элемент одновременно является подсистемой, т.е. единолично выполняет важную внутреннюю функцию системы. Подчеркнем наличие крайне важной связки «объект – предикат».

Все системы, независимо от их природы, обладают рядом общих свойств.

Целостность системы означает, что комплекс объектов, рассматриваемый в качестве системы, обладает общими свойствами, функцией и поведением, причем свойства системы не сводимы к сумме свойств входящих в нее элементов.

Делимость системы отражает тот факт, что любой объект можно представить состоящим из элементов. В соответствии с этим в рамках системного подхода любой объект нужно рассматривать в трех аспектах:

- как нечто целое (систему);

- как часть более общей системы (надсистемы);

- как совокупность более мелких частей (подсистем).

Перечислим шесть основных свойств классификаций:

1. Все объекты конкретной классификации выполняют одну и ту же функцию. Это следует из того, что вся древовидная или фасетная структура классификации сформирована из единственной вершины с применением единственного логического оператора - деления.

Фасетная классификация — классификационная система, в которой:

• понятия представлены в виде пересечения ряда признаков (фасетной структуры);
• классификационные индексы синтезируются посредством комбинирования фасетных признаков в соответствии с фасетной формулой.

Теория построения разработана индийским учёным и библиотековедом Ш. Р. Ранганатаном («Классификация двоеточием», 1933).

Также известна как: классификация двоеточием, классификация Ранганатана.

Основой классификации является привычное человеку отнесение объекта к разным категориям. Примером может являтся классификация фильмов:

• тип: документальный, игровой, анимация
• жанр: боевик, комедия, романтика, фантастика
• продолжительность
• год
• страна
• автор
• другие параметры: немой/звуковой, цветной/чёрно-белый и т. п.

Таким образом, каждый фильм обладает множеством признаков. При поиске нужного фильма используется пересечение требуемых атрибутов.

При построении классификации сверху вниз – дедуктивно, деление является основным инструментом классификации. Деление в интересах классификации - это вариантообразующий оператор, в результате применения которого мы получаем какое-то количество вариантов делимого понятия, но все они - только варианты, и их главная полезная функция (ГПФ) - та же, что и у делимого понятия. Поскольку это справедливо на всем протяжении классификации сверху донизу, то тем самым соблюдается идентичность функции всех объектов данной классификации

2. Любой из членов классификации может стать основанием (или вершиной) собственной классификации. Хотя последнее утверждение представляется сомнительным для самых нижних ячеек классификации (деление которых уже не производилось), но это лишь следствие того, что исчерпан перечень существенных оснований деления. Существенность же - понятие относительное, и если для задач, которые решались с помощью данной классификации, существенными являлись одни признаки, то для каких-то иных задач и существенные признаки могут быть иными, и тогда ветвление может быть продолжено.

3. Любой из объектов классификации является системой, а значит, состоит из подсистем, выполняющих различные внутренние функции в этой системе. Каждая из этих подсистем (со своей ГПФ) может стать основанием для самостоятельной классификации. Однако эти “дочерние” классификации нельзя считать элементами или частями основной классификации, т.к. при этом нарушается свойство №1 классификации. То есть нельзя менять логическое основание деления по ходу построения классификационного дерева (пирамиды).

4. В силу свойства 3 можно утверждать, что исследование вариантности объекта как системы может осуществляться либо через единственную классификацию, в которой рассматриваются варианты системы в целом, либо через “произведение” классификаций всех подсистем данной системы. Второй способ, как правило, дает значительно большее количество вариантов, поскольку заметную часть его составляют системы, не имеющие реального воплощения либо в силу несовместимости некоторых вариантов подсистем друг с другом, либо в силу того, что никто еще не додумался их совместить. Последнее приводит к выводу о том, что произведение подсистемных классификаций имеет большую эвристическую значимость, чем единая системная классификация.

5. Любая классификация является умозрительным построением, причем конкретные варианты объекта классификации могут находиться только на самых последних этажах классификации. Для разных ветвей классификационного дерева глубина классификации может быть различной, последним этажом считается результат последнего деления, ниже которого вариантность объектов уже не детализируется (не имеет смысла, так как цели, поставленные перед данной классификацией, уже достигнуты, или исчерпан запас знаний о системе). На Рис.4 ячейки последних этажей классификации заштрихованы. Будем в дальнейшем называть объемом классификации полное число ячеек последнего этажа (на Рис. 4, например, объем классификации равен 13).

Рис.4.

6. Неоднозначность конечного результата операции на каждом шаге логического деления и логического обобщения, определяемая неоднозначностью ранжирования атрибутов классифицируемого объекта (которое проводится в соответствии с ГПФ этого объекта), приводит к естественному выводу, что классификация любых объектов (как итог многократного применения операций деления и обобщения) тесно связана с целями, для которых она производится. А это значит, что для многофункциональных объектов (т.е. объектов, ГПФ которых может меняться в зависимости от надсистемы, в которую входит этот объект) и классификаций - тоже много.

Основная цель (и главная полезная функция) классификации - обеспечить однозначное и легко определимое место для каждого из классифицируемых объектов. Причем эта функция должна одинаково хорошо выполняться при двух основных видах использования классификации: размещении нового объекта в классифицируемом массиве и нахождении конкретного объекта в этом массиве. Это требует особой тщательности в выборе принципов, оснований логического деления, которые должны однозначно пониматься как человеком, наполняющим классификацию новыми объектами, так и тем, кто разыскивает нужный объект в расклассифицированном массиве. Задача отнюдь не простая, тем более что первая двусмысленность ожидает уже в самом начале пути.

Слово “классификация” выбрано крайне неудачно, поскольку грамматическая его форма и смысловое наполнение таково, что оно одновременно означает и процесс (подобно “стабилизации”, “унификации” и другим операциям), и результат этого процесса (подобно “декорации”, “ассоциации”, “экспликации” и другим модификациям), и состояние (подобно “прострации”, “медитации” и другим деформациям), и просто предметный объект (подобно “нации”, “акации”, “информации” и другим комбинациям). Чтобы исключить “многосмысленность” этого термина, дадим следующие определения- предписания:

Классификатором будем называть ту систему ячеек и связей между ними, которая в совокупности является базовой для систематизации всех вариантов классифицируемых объектов, распределения их по этим ячейкам.

Классифицированием будем называть процесс наполнения классификатора содержимым, т.е. описаниями конкретных объектов.

Классификацией будем называть классификатор, наполненный описаниями конкретных объектов. Как правило, этот термин будет использоваться с обязательным вторым понятием - основанием классификации (например, “классификация отраслей знания”, “классификация растений”, и т.д.).

Кроме этих основных терминов, предлагается использовать и некоторые дочерние понятия:

разработчик (классификатора) - человек, формирующий систему классификатора и кодирование его ячеек;

оператор (классифицирования) - человек, осуществляющий классифицирование и кодирование объектов;

пользователь (классификации) - человек, осуществляющий поиск объекта в классификации;

код - условное обозначение ячейки классификатора;

кодирование (или кодификация) - формирование системы условных обозначений ячеек классификатора;

упорядочение (списка) - размещение объектов в пределах одной ячейки классификации в линейный ряд в определенном порядке (например, по алфавиту или по возрастанию, и т.п.).

Есть ли предел глубины классификатора, сколько ступеней или этапов логического деления должно быть реализовано в классификаторе? Вопрос этот имеет глубокий практический смысл. Напомним, что количественный предел активного восприятия и анализа пользователем массива объектов (в частности, массива ячеек классификатора) - семь; при пяти объектах мозг работает комфортно, совершенно без напряжения (а значит, без усталости и ошибок); при трех объектах операция выбора происходит почти автоматически, т.е. без внутренних рассуждений. А поскольку навигация в классификаторе сводится как раз к операции выбора на каждом из этапов логического деления, то отсюда следует простое правило: на каждом этаже иерархического классификатора должно быть от трех до семи ячеек, т.е. каждая из операций деления должна “разложить” родовое понятие на 3-7 видовых (см. раздел 3). В таком классификаторе легко работать как оператору, так и пользователю.

Это количественное условие может показаться трудновыполнимым, однако, легко убедиться, что на практике массив любых объектов, число которых превышает 7-15, не составляет никакого труда разделить на две-три группы по легко определимым общим признакам, т. е. реализовать оператор логического деления этого массива “в чистом виде”.

Как выбирать основания логического деления при создании классификатора? Если объектом классификации являются не предметы, а иные объекты (операции, качества, понятия, явления, информационные объекты, и т.д.), то формальные понятия системного подхода (подсистемы, функции) здесь становятся сомнительными и требуют иного словесного оформления. По-видимому, можно воспользоваться понятием “атрибут” (англ. “attribute” имеет два перевода: “приписывать” и “свойство”), приписав ему тот смысл, что перечень атрибутов объекта дает достаточно полное обобщенное его описание (т.е. косвенное определение). В качестве атрибутов для объектов разной природы могут быть самые разные понятия (например, если для предметной системы определяющим атрибутом является его ГПФ, то для функциональной системы этим атрибутом может оказаться или объект обработки, или принцип действия, или временной фактор; для классификации качеств атрибутом может оказаться или пригодность для определенного использования, или какой-либо количественный фактор, или другое качество, следующего порядка детализации, и т.д.). То есть то основное действие, которое производит объект (подсистема), или которое с ним производят. Поэтому вопрос о выборе основания логического деления при создании классификатора в общем случае не имеет конкретного ответа (как для предметных систем). Единственная рекомендация - на каждом этапе логического деления выбирать в качестве основания наиболее существенный атрибут. Возможно, полезным для этой процедуры выбора основания деления окажется вспомогательный вопрос с некоторой эмоциональной окраской: “Чем прежде всего различаются объекты данной группы?" Из содержания этого вопроса ясно, что ответы на него будут обязательно с оттенком субъективности, а это значит, что объективизация (а значит, и общее признание) создаваемого классификатора возможна только при коллективном исполнении работы, когда и составление, и экспертная оценка элементов классификатора выполняются в режиме всестороннего обсуждения и усреднения.

Строить классификатор можно двумя путями:

- дедуктивным;

- индуктивным.

Дедуктивный способ в качестве отправной точки имеет единственный объект - основание классификации, и формирование классификатора ведется с применением единственного оператора - логического деления. Индуктивный способ применяют, имея в наличии несистематизированный набор вариантов реализации этого объекта. При формировании классификатора приходится использовать оба вариантообразующих оператора: деление и обобщение, поэтому алгоритм работы гораздо сложнее и труднее поддается формализации, чем при дедуктивном методе.

При дедуктивном методе разработки классификатора следует на каждом этапе логического деления предусмотреть ячейку “прочие” на тот случай, если атрибут - основание деления будет когда-нибудь реализован вариантом, еще не встречавшимся оператору классификации. Вначале эта ячейка не подвергается дальнейшему делению (делить-то нечего!), но по мере ее наполнения достигается ситуация, когда число объектов в ней возрастает и начинает значительно превышать предел комфортной работы по сравнительному анализу и выбору вариантов из массива. Можно условно обозначить два числа: 9=3² и 49=7², (определяемых объемом КВП). Первое из них означает, что массив с таким числом объектов уже можно попытаться разделить (логически) на три массива по три элемента в каждом; второе число означает, что при таком количестве объектов логическое деление массива совершенно необходимо (причем, скорее всего, оно окажется уже не одноэтапным на 7 блоков по 7 элементов, а более сложным).

Другой тонкий момент при проведении логического деления в классификаторе - ячейка “нет” или “отсутствует”. Она соответствует варианту объекта, в котором данный атрибут (основание деления) вообще не реализован. Далеко не всегда такое, в принципе, возможно, поэтому здесь нет требования обязательно вводить эту ячейку, но проверить, продумать, имеет ли она смысл на данном конкретном шаге, - необходимо. И если этот вариант возможен, то он включается в классификатор на общих основаниях (т.е. он занимает определенное место на соответствующем этаже классификатора и может быть подвергнут дальнейшему логическому делению так же, как и любой другой вариант).

Индуктивный метод разработки классификатора в чистом виде практически не встречается. Более того, прибегать к этому методу, как правило, приходится в условиях сильных помех в виде уже существующих многочисленных не совсем корректных попыток классификации данного массива объектов. Поэтому первая рекомендация в таком случае состоит в том, что, приступая к этой работе, следует либо полностью отрешиться от уже существующих классификаций данного массива и начинать все “с нуля”, с исходного массива объектов, либо наоборот, вначале тщательно проанализировать существующий классификатор на предмет выявления всех использовавшихся оснований деления и всех замеченных ошибок логического деления, а затем попытаться “отремонтировать” существующий классификатор (что чаще всего невозможно) или использовать его исправные фрагменты в качестве элементов своего будущего классификатора.

В большинстве случаев исходной позицией при создании классификатора является наличие массива несистематизированных вариантов некоего объекта (членов нижнего этажа будущей классификации) и осознание обобщенного названия объекта классификации (т.е. вершинной ячейки классификатора). Иначе говоря, имеется вершина классификатора и неорганизованная масса вариантов классифицируемого объекта. Впрочем, часто эта неорганизованная масса содержит еще и массу постороннего для данной классификации материала. Посторонним в данном случае может оказаться не вариант классифицируемой системы, а вариант какой-либо из ее подсистем (согласно свойству 3 любая подсистема является членом совсем другой классификации). В последнем случае фильтрующим вопросом для каждого из конкретных вариантов является: “Является ли <вариант> <системой> или это что-то другое?”. Отсеяв все объекты, не относящиеся к данной классификации, оставшееся множество можно использовать для построения классификации “сверху вниз”, для чего можно использовать уже упоминавшийся вопрос: “Чем, прежде всего, различаются объекты данной группы?”. Альтернативный путь (снизу вверх) значительно труднее, поскольку он требует попарного сравнения всех вариантов (а их количество, как правило, значительно превышает тот предел комфортных условий работы, о которых уже говорилось) и их группировки по принципу (основанию), которое еще требуется найти.

В качестве примера рассмотрим

Классификатор видов деятельности по проектированию зданий и сооружений.

o Жилые здания и их комплексы:

· здания высотой до 4 этажей включительно

· здания высотой до 25 этажей включительно

· здания высотой до 25 и более этажей

· специализированные типы жилища (общежития, жилые дома для маломобильных групп населения)

o Общественные здания и сооружения и их комплексы

o Производственные здания и сооружения и их комплексы

o Сельскохозяйственные здания и сооружения и их комплексы

o Гидротехнические сооружения и их комплексы

o Объекты специального назначения и их комплексы

· Для строительства на территориях с инженерно-геологическими условиями

o I категории сложности (простые)

o II категории сложности (средней сложности)

o С ограниченным распространением специфических грунтов:

· многолетнемерзлые

· просадочные

· набухающие

· органо-минеральные и органические

· засоленные

· эллювиальные

· техногенные

o С органическим развитием природных процессов:

· сейсмичность 7 баллов и более

· сели, лавины

· переработка берегов рек, озер, водохранилищ

· подтопление территорий

· карст, суффозия

· склоновые процессы (оползни, обвалы, солифлюкция)

o III категории сложности (средней сложности)

o С ограниченным распространением специфических грунтов:

· многолетнемерзлые

· просадочные

· набухающие

· органо-минеральные и органические

· засоленные

· эллювиальные

· техногенные

o С органическим развитием природных процессов:

· сейсмичность 7 баллов и более

· сели, лавины

· переработка берегов рек, озер, водохранилищ

· подтопление территорий

· карст, суффозия

· склоновые процессы (оползни, обвалы, солифлюкция)

При разработке классификаций основной операцией является операция деления на части и определение вариантов понятий в каждой точке классификатора. Так, в приведенном выше примере, понятие «Жилые здания и их комплексы» конкретизируется следующим набором вариантов реализации:

· здания высотой до 4 этажей включительно

· здания высотой до 25 этажей включительно

· здания высотой до 25 и более этажей

· специализированные типы жилища (общежития, жилые дома для маломобильных групп населения).

Анализ конкретной системы в первую очередь предполагает декомпозицию системы на подсистемы (компоненты). Декомпози́ция — научный метод, использующий структуру задачи и позволяющий заменить решение одной большой задачи решением серии меньших задач.

Разработаны различные типы декомпозиционных методов.

На этапе декомпозиции, обеспечивающем общее представление о решаемой проблеме, осуществляются:

определение и декомпозиция общей цели исследования;

выделение проблемы из среды, определение ее ближнего и дальнего окружения;

описание воздействующих факторов.

Наиболее часто декомпозиция проводится путем построения дерева целей и дерева функций. Основной проблемой при этом является соблюдение двух противоречивых принципов:

полноты - проблема должна быть рассмотрена максимально всесторонне и подробно;

простоты — всё дерево должно быть максимально компактным «вширь» и «вглубь».

Компромисс достигается с помощью четырёх основополагающих понятий:

существенности - в модель включаются только компоненты, существенные по отношению к целям анализа;

элементарности - доведение декомпозиции до простого, понятного, реализуемого результата;

постепенной детализации модели;

итеративности - возможность введения новых элементов в основания и продолжение декомпозиции по ним на разных ветвях дерева.

Глубина декомпозиции ограничивается либо недостатком времени, либо достижением поставленных целей, либо отсутствием необходимых данных о системе. Если при декомпозиции выясняется, что модель начинает описывать внутренний алгоритм функционирования элемента вместо закона его функционирования в виде «чёрного ящика», то в этом случае произошло изменение уровня абстракции. Это означает выход за пределы цели исследования системы и, следовательно, вызывает прекращение декомпозиции.

В современных методиках типичной является декомпозиция модели на глубину 5-6 уровней. На такую глубину декомпозируется обычно одна из подсистем. Функции, которые требуют такого уровня детализации, часто очень важны, и их детальное описание дает ключ к основам работы всей системы.

В общей теории систем доказано, что большинство систем могут быть декомпозированы на базовые представления подсистем. К ним относят: последовательное (каскадное) соединение элементов, параллельное соединение элементов, соединение с помощью обратной связи.

Проблема проведения декомпозиции состоит в том, что в сложных системах отсутствует однозначное соответствие между законом функционирования подсистем и алгоритмом, его реализующим. Поэтому осуществляется формирование нескольких вариантов (или одного варианта, если система отображена в виде иерархической структуры) декомпозиции системы.

4.4. Наиболее часто применяемые стратегии декомпозиции:

Функциональная декомпозиция. Декомпозиция базируется на анализе функций системы. При этом ставится вопрос, что делает система, независимо от того, как она работает. Основанием разбиения на функциональные подсистемы служит общность функций, выполняемых группами элементов.

Декомпозиция по жизненному циклу. Признак выделения подсистем - изменение закона функционирования подсистем на разных этапах цикла существования системы «от рождения до гибели». Для жизненного цикла управления организационно-экономической системы выделяют этапы планирования, инициирования, координации, контроля, регулирования. Для информационных систем разделяют этапы обработки информации: регистрацию, сбор, передачу, обработку, отображение, хранение, защиту, уничтожение.

Декомпозиция по физическому процессу. Признак выделения подсистем - шаги выполнения алгоритма функционирования подсистемы, стадии смены состояний. Хотя эта стратегия полезна при описании существующих процессов, результатом её часто может стать слишком последовательное описание системы, которое не будет в полной мере учитывать ограничения, диктуемые функциями друг другу. При этом может оказаться скрытой последовательность управления. Применять эту стратегию следует, только если целью модели является описание физического процесса как такового.

Декомпозиция по подсистемам (структурная декомпозиция). Признак выделения подсистем - сильная связь между элементами по одному из типов отношений (связей), существующих в системе (информационных, логических, иерархических, энергетических и т. п.). Силу связи по информации можно оценить коэффициентом информационной взаимосвязи подсистем k = N/N₀, где N — количество взаимоиспользуемых информационных массивов в подсистемах, N₀ - общее количество информационных массивов. Для описания всей системы должна быть построена составная модель, объединяющая все отдельные модели.

Декомпозиция по входам для организационно-экономических систем. Признак выделения подсистем: источник воздействия на систему, это может быть вышестоящая или нижестоящая система, а также существенная среда.

Декомпозиция по типам ресурсов, потребляемых системой. Формальный перечень типов ресурсов состоит из энергии, материи, времени и информации (для социальных систем добавляются кадры и финансы).

Декомпозиция по конечным продуктам системы. Основанием могут служить различные виды продукта, производимые системой.

Декомпозиция деятельности человека. Выделяется субъект деятельности; объект, на который направлена деятельность; средства, используемые в процессе деятельности; окружающая среда, все возможные связи между ними.

Обычно декомпозиция осуществляется по нескольким основаниям, порядок их выбора зависит от квалификации и предпочтений системного аналитика.

Отличие классификации от декомпозиции заключается в том, что классификация предполагает возможность альтернативных представлений вариантов реализации того или иного компонента классификации – либо подсистем, либо элементов. А декомпозиция представляет собой в первую очередь одну из возможных структурных схем исследуемой или синтезируемой системы – на подсистемы, на подфункции, подпроцессы и т.п. Декомпозиция по организационному, функциональному и процессному признаку (основанию деления).

Любая машина состоит из деталей и других сборочных единиц. Но практика показывает, что две машины одного и того же назначения, выполненные в разных конструкторских бюро, имеют явно разные наборы и формы таких единиц. Это обусловлено рядом причин, которые в технике и технологии принято называть основаниями декомпозиции (членения).

В самом деле, какой бы элемент или признак строения системы ни взять, конструкторы всегда дадут полный отчёт о его назначении. При этом аргументация (обоснование такого, а не иного членения!) бывает чрезвычайно разнообразной, но после детального анализа эта аргументация распадается на группы в соответствии с явно сформулированными понятиями - "конкретными основаниями декомпозиции". Рассмотрим некоторые из них.

Дата добавления: 2014-01-07