Основные определения и понятия системного анализа

Введение

Возникновение теории БТС связано с разработкой автоматизированных систем искусственного кровообращения и дыхания, систем замещения утраченных функций гемодиализа, созданием биоуправляемых протезов конечностей (50-е, 60-е г.г.). Затем в 70-е годы стали разрабатываться различные обучающие системы и системы управления целенаправленным поведением животных организмов. Значительные достижения в области медицинских, биологических и технических наук за последние десятилетия стимулируют появление новых биотехнологий и новых технологий приборостроения. В связи с этим повысилась необходимость в специалистах, занимающихся проектированием, установкой и обслуживанием данной техники. Для успешного функционирования данных систем необходимо адекватно сопрягать биологические и технические элементы в единую систему, называемую биотехнической системой. Для этого, во-первых, необходимо знать особенности строения и функционирования биологического объекта (данные знания вы уже получили в курсе биологии человека и животных, анатомии и физиологии человека). При этом биологический организм является сложным объектом, отдельные элементы которого сложным образом взаимосвязаны между собой. И характер данных взаимосвязей не поддается точному математическому описанию. Когда мы имеем дело с любым сложноорганизованным объектом, то для его исследования обычно применяется системный подход.

С системами мы встречается практически во всех областях нашей жизни. В естественных и общественных науках, в технике, экономике, политике и т. д. Самые первые понятия о системе мы получаем на уроках математики. Это алгебраические системы. Затем мы встречаем их в биологии, когда проходим различные функциональные системы живого организма человека и животных, а также системы более широкого уровня/охвата/ это различные биологические сообщества (популяции организмов, биогеоценоз и т.д.). Понятие «система» также встречается на уроках истории и географии «социалистическая система», «капиталистическая система» и т.д. Очень часто в наши дни стало встречаться выражение «геополитические системы, которое связано с территориальными отношениями между различными государствами.

Далее необходимо остановится на названии данной дисциплины, и рассмотреть каждый термин, входящий в его состав. Наиболее важным на наш взгляд является слово “система”, поскольку оно указывает на существование и взаимодействие различных компонентов, подчиненное изначально заданной цели. Именно в этом целенаправленном взаимодействии и заключается суть функционирования БТС. Назначением данной системы является обеспечение слаженного функционирования каждого из данных компонентов. В слове “биотехнический” дается пояснение, что данные системы должны обязательно иметь биологические и технические звенья. При этом, в различных БТС можно выделить главный (управляющий) и подчиненный (управляемый) объект, независимо от его природы. Примером систем, где управляемым объектом является биообъект, являются медицинские БТС, примером систем где управляемым является технический компонент, являются системы применяемые в управлении транспортными средствами и промышленный оборудованием (авиация, космические полеты, станки с программным управлением и т.д.). Более подробно на этом остановимся в разделе, посвященном классификации БТС.

Необходимость применения системного подхода для анализа и проектирования данных систем. Для успешного функционирования данных систем необходимо адекватно сопрягать биологические и технические элементы в единую функциональную систему. Для этого необходимо знать особенности строения и функционирования биологических объектов. При этом биологический организм является объектом, отдельные элементы которого сложным образом взаимосвязаны между собой, и характер данных взаимосвязей не поддается точному математическому описанию. Когда мы имеем дело с любым сложноорганизованным объектом, то для его исследования обычно применяется системный подход.

Разновидностями системного подхода являются системный анализ и системный синтез.

Системный анализ: анализ проблем с позиции системного подхода, помогающий связать между собой все известные факты и взаимосвязи, которые составляют существо анализируемой проблемы, и создать обобщенную модель. отображающую эту проблему с максимально возможной степенью полноты.

Системный анализ может быть использован как при постановке и решении новых проблем. так и при изучении уже существующих объектов. При разработке новых систем, особенно биотехнических, в которых биологический объект включается в качестве одного из звеньев, большое значение приобретает системный анализ.

Системный синтез: синтез систем с позиций системного подхода, позволяющий на основе исходных данных (которые включают сведения о назначении системы, ее характеристиках и функциях), знаний элементной базы и опыта проектирования подобных систем предложить обобщенную модель системы, отвечающую поставленным задачам с максимально возможной степенью соответствия при вводимых ограничениях на выбор характеристик ее компонентов.

Наиболее общим и в то же время достаточно простым является следующее определение:

Определение1. Система - совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой для выполнения заданных целевых функций.

Существует другое определение системы:

Определение 2. Система - некоторый, класс множеств

S = {Mⁱ_s L^j_s K^h_s)

где S - система Mⁱ_s -подкласс множеств которые состоят из элементов системы S -; L ^j_s подкласс множеств, образующихся в результате деления элементов системы S на подэлементы; K^h_s - подкласс множеств, в которые рассматриваемая система сама входит в качестве элемента.

Т.е. любая система состоит из набора элементов, которые являются подсистемами. Между этими элементами должна существовать определенная взаимосвязь. Также в определении подразумевается существование различных уровней систем, т.е. наличие систем различного порядка. Т.е. подчеркивается иерархичность системы. Иерархичность, является одним из отличительных признаков сложных систем, к которым как раз относятся биологические системы.

Элементы системы S могутбыть физическими (механическими, электрическими, термодинамическими и др.), химическими, биологическими и смешанными.

Характеристики системы:

X1 Y1

Элементы

X2 Структура Y2

Параметры

Закон поведения

Xn Yn

Любая система характеризуется наличием входов и выходов, элементным составом и структурой, набором параметров, описывающих ее внутреннее состояние и определенным законом поведения. Параметры системы описывают внутреннее состояние системы. Входным сигналом может быть причина, стимул, воздействие, возмущение. Выходным сигналом могут быть эффекты, ответы, реакции.

Закон поведения системы связывает выходной сигнал с входным. В общем случае он выражается системой нелинейных уравнений вида:

y_j = f_j (x₁, x₂,..., x_n, u₁,u₂,..., u_r),

где y_j - выходной сигнал на j-м выходе системы; j = 1,m,

x₁ x_2... x_n - входные сигналы;

u₁ u₂ u_r - определяющие параметры системы

f_j функционал, связывающий сигнал на j-м выходе с входными сигналами и определяющими параметрами.

Состояние системы определяется значением ее характеристических параметров, параметров составляющих её элементов, положением системы в пространстве, а также значениями их производных. Изменение этих значений в пространстве и во времени означает переход системы из одного состояния в другое.

Ø Системы, которые способны изменять состояние под влиянием воздействий называются динамическими.

Ø Динамическая система становится статической, если производная равна нулю.

Ø Переход системы из одного состояния в другое под воздействием внешних и внутренних факторов называется процессом.

Ø Совокупность процессов составляет сущность управления

Классификация систем

а) по уровню сложности:

1. Простые системы: системы, состоящие из небольшого количества элементов и характеризующиеся простым динамическим поведением

2. Сложные системы: системы, структура которых отличается разветвленностью и разнообразием связей, но поддается точному описанию

3. Очень сложные системы: системы, которые не поддаются точному и подробному описанию.

б) по характеру поведения

1. Детерминированные: системы, для которых точно известен закон поведения

2. Стохастические системы: системы, для которых можно определить вероятность того или иного состояния, той или иной реакции

в) по роли в процессе передачи информации

1. Информируемые системы, имеющие хотя бы один информационный вход

2. Информирующие системы: имеющие хотя бы один информационный выход

3. Информационные системы, имеющие некоторое количество информационных входов и выходов.

г) по типу связей между элементами

1. Замкнутые

2. Разомкнутые

3. Системы с прямой связью

4. Системы с обратной связью

д) по характеристикам элементов

1. Линейные

2. Нелинейные

3. Гистерезисные

Способы описания систем

Выделяют четыре типа описания систем

1) Функциональное описание

2) Морфологическое описание

3) Информационное описание

4) Генетико-прогностическое описание.

Рассмотрим эти описания системы. Наиболее существенное значение для характеристики системы имеет именно функциональное описание.

Функциональное описание

Описание системы с точки зрения её целевых функций. Из первого определения системы видно, что любая система должна выполнять определенные целевые функции, в противном случае она вообще не будет являться системой. Среди функций можно выделить наиболее простые

1) Пассивное сосуществование в качестве материала для других систем

2) Обслуживание систем более высокого порядка

3) Выживание т.е. противостояние другим системам и среде обитания

4) Поглощение и подавление других систем и среды

5) Преобразование других систем и среды и.т.д.

Для систем более высокого порядка формулировка единой целевой функции представляет сложную неоднозначную задачу.

Функция системы выполняется, если её характеристические параметры изменяются в определенных пределах. Вне этих значений система разрушается или существенно меняет свои свойства и функцию. Последовательность действий при выполнении системой некоторых функций определяется законом поведения системы, а именно, законами внешнего и внутреннего поведения системы.

Морфологическое описание системы

Определяет состав элементов, связи и структуру системы.

Вначале система раскладывается на элементы.

Морфологическое описание начинается с характеристики элементного состава. Элементы по своему составу могут быть

-информационными,

-энергетическими,

-вещественными и

-смешанными.

Далее исследуются свойства элементов. При этом имеют значения только те свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами системы. А также дается характеристика связей между элементами внутри системы и между всей системой и средой.

Морфологическое описание может быть дано на нескольких уровнях, т.е. оно также иерархично. При этом на разных уровнях могут быть разные способы описания. Например, для описания биологического объекта на уровне органов используются клинико-инструментальные методы, на уровне клеток - данные микроскопического исследований, для описания процессов во внутриклеточных структурах - методы биохимического анализа.

Связи между элементами по своему направлению бывают прямые, обратные и нейтральные. Следует особо выдели выделить прямые и обратные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций от одного элемента к другому. Обратные связи, в основном, выполняют контролирующую функцию для качественного управления процессами. По аналогии с элементами связи также бывают

- информационными,

- энергетическими,

- вещественными,

- смешанными.

Под структурой понимается множество всех возможных отношений между элементами внутри данной системы.

Выделяют:

- многосвязные,

- иерархические,

- смешанные структуры.

Наличие иерархии, как правило является признаком высокого уровня организации, каковыми являются биологические системы. Для иерархических структур характерно наличие управляющих элементов. В неиерархических структурах управляющие функции распределены между всеми элементами и группами элементов.

Различают:

а) детерминированные,

б) вероятностные (стохастические),

в) хаотические структуры.

В детерминированных структурах - отношения либо неизменны, либо изменяются по некоторому известному закону. В вероятностных (стохастических) структурах отношения описываются вероятностными законами. В хаотических структурах отношения между элементами непредсказуемы, т.е. любые отношения между элементами существуют с равной вероятностью.

Введем понятие подсистема.

Совокупность элементов данной системы вместе со связями между ними может рассматриваться как подсистема. Различают следующие типы подсистем:

- эффекторые

- рецепторые

- рефлексивные

Эффекторные одсистемы - способны преобразовывать управляющие воздействия. Они способны воздействовать на другие подсистемы, соседние системы или среду. При этом они воздействуют на них веществом, энергией, информацией.

Рецепторные подсистемы - преобразуют внешние воздействия в информационные сигналы.

Рефлексивные подсистемы - способны воспроизводить внутри себя процессы воздействия на информационном уровне.

Для определении степени влияния одних подсистем на другие вводится понятие лидерства. Лидирующей подсистемой является та, которая управляет большей частью других подсистем, не имея детерминированного влияния со стороны других подсистем.

Дата добавления: 2017-01-13