Анфилатов В.С., Емельянов А.А., Кукушкин А.А. Системный анализ в управлении

Подождите немного. Документ загружается.

Основы системного анализа 61

пути приемлемы в меньшей степени. В этом случае остается один

путь:

заключение о подобии модели и прототипа делать на осно-

ве сопоставления их структур и реализуемых функций. Такие зак-

лючения не носят формального характера, поскольку основыва-

ются на опыте и интуиции исследователя.

По результатам проверки модели на адекватность принима-

ется решение о возможности ее практического использования или

о проведении корректировки.

Корректировка модели. При корректировке модели могут

уточняться существенные параметры, ограничения на значения

управляемых параметров, показатели исхода операции, связи

показателей исхода операции с существенными параметрами,

критерий эффективности. После внесения изменений в модель

вновь выполняется оценка адекватности.

Оптимизация

модели. Сущность оптимизации моделей со-

стоит в их упрощении при заданном уровне адекватности. Ос-

новными показателями, по которым возможна оптимизация мо-

дели, выступают время и затраты средств для проведения иссле-

дований на ней. В основе оптимизации лежит возможность

преобразования моделей из одной формы в другую. Преобразо-

вание может выполняться либо с использованием математичес-

ких методов, либо эвристическим путем.

1.4.

ПРИНЦИПЫ И СТРУКТУРА

СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Универсальной методики - инструкции по проведению сис-

темного анализа - не существует. Такая методика разрабатыва-

ется и применяется в тех случаях, когда у исследователя нет дос-

таточных сведений о системе, которые позволили бы формали-

зовать процесс ее исследования, включающий постановку и

решение возникшей проблемы.

В принципе за основу при разработке методики системного

анализа можно взять этапы проведения любого научного иссле-

дования или этапы исследования и разработки, принятые в тео-

рии автоматического управления. Однако специфической особен-

62 Глава 1

ностью любой методики системного анализа является

то,

что она

должна опираться на понятие системы и использовать законо-

мерности построения, функционирования и развития систем.

Здесь нужно подчеркнуть, что при практическом применении ме-

тодик системного анализа рассматривается

следующее:

часто

пос-

ле выполнения того или иного этапа возникает необходимость

возвратиться

предьщущему

или еще более

раннему

этапу,

иног-

да и повторить процедуру системного анализа полностью. Это

проявление закономерности саморегулирования, самоорганиза-

ции, которую при разработке методики можно учитывать созна-

тельно, ввести правила, определяющие, в каких случаях необхо-

дим возврат к предьщущим этапам.

Общим для всех методик системного анализа является опре-

деление закона функционирования системы, формирование ва-

риантов структуры системы (нескольких альтернативных алго-

ритмов, реализующих заданный закон функционирования) и вы-

бор

наилучшего варианта, осуществляемого

путем рещения

задач

декомпозиции, анализа исследуемой системы и синтеза системы

и снимающего проблему практики. Основой построения методи-

ки анализа и синтеза систем в конкретных условиях является со-

блюдение принципов системного анализа.

1.4.1.

ПРИНЦИПЫ

СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Принципы системного анализа - это некоторые положения

общего характера, являющиеся обобщением опыта работы чело-

века со сложными системами. Различные авторы излагают прин-

ципы с определенными отличиями, поскольку общепринятых

формулировок на настоящее время

нет.

Однако так или иначе все

формулировки описывают одни и те же понятия.

Наиболее часто к системным причисляют следующие прин-

ципы: принцип конечной цели, принцип измерения, принцип эк-

вифинальности, принцип единства, принцип связности, принцип

модульного построения, принцип иерархии, принцип функцио-

нальности, принцип развития (историчности, открытости), прин-

цип децентрализации, принцип неопределенности.

Основы системного анализа 63

Принцип

конечной

цели.

Это абсолютный приоритет конечной

(глобальной) цели. Принцип имеет несколько правил:

• для проведения системного анализа необходимо в первую

очередь сформулировать цель исследования. Расплывчатые, не

полностью определенные цели влекут за собой неверные выводы;

• анализ следует вести на базе первоочередного уяснения ос-

новной цели (функции, основного назначения) исследуемой сис-

темы, что позволит определить ее основные существенные свой-

ства, показатели качества и критерии оценки;

• при синтезе систем любая попытка изменения или совер-

шенствования должна оцениваться относительно того, помогает

или мешает она достижению конечной цели;

• цель функционирования искусственной системы задается,

как правило, системой, в которой исследуемая система является

составной частью.

Принцип

измерения.

О качестве функционирования какой-либо

системы можно судить только применительно к системе более

высокого порядка. Другими словами, для определения эффектив-

ности функционирования системы надо представить ее как часть

более общей и проводить оценку внешних свойств исследуемой

системы относительно целей и задач суперсистемы.

Принцип

эквифинальности.

Система может достигнуть требу-

емого конечного состояния, не зависящего от времени и опреде-

ляемого исключительно собственными характеристиками систе-

мы при различных начальных условиях и различными путями.

Это форма устойчивости по отношению к начальным и гранич-

ным условиям.

Принцип

единства.

Это совместное рассмотрение системы как

целого и как совокупности частей (элементов). Принцип ориен-

тирован на «взгляд внутрь» системы, на расчленение ее с сохра-

нением целостных представлений о системе.

Принцип связности. Рассмотрение любой части совместно с

ее окружением подразумевает проведение процедуры выявления

связей между элементами системы и выявление связей с внешней

средой (учет внешней среды). В соответствии с этим принципом

систему в первую очередь следует рассматривать как часть (эле-

мент, подсистему) другой системы, называемой суперсистемой

или старшей системой.

64 Глава 1

Принцип модульного построения. Полезно выделение моду-

лей в системе и рассмотрение ее как совокупности модулей.

Принцип указывает на возможность вместо части системы ис-

следовать совокупность ее входных и выходных воздействий (аб-

страгирование от излишней детализации).

Принцип иерархии. Полезно введение иерархии частей и их

ранжирование, что упрощает разработку системы и устанавли-

вает порядЛс рассмотрения частей.

Принцип функциональности. Это совместное рассмотрение

структуры и функции с приоритетом функции над структурой.

Принцип утверждает, что любая структура тесно связана с фун-

кцией системы и ее частей. В случае придания системе новых

функций полезно пересматривать ее структуру, а не пытаться

втиснуть новую функцию в старую схему. Поскольку выполняе-

мые функции составляют процессы, то целесообразно рассмат-

ривать отдельно процессы, функции, структуры.

свою очередь,

процессы сводятся к анализу потоков различных видов:

• материальный поток;

• поток энергии;

• поток информации;

• смена состояний.

С этой точки зрения структура есть множество ограничений

на потоки в пространстве и во времени.

Принцип

развития.

Это учет изменяемости системы, ее способ-

ности к развитию, адаптации, расширению, замене частей, накап-

ливанию информации. В основу синтезируемой системы требует-

ся закладывать возможность развития, наращивания, усовершен-

ствования. Обычно расширение функций предусматривается за

счет обеспечения возможности включения новых модулей, совме-

стимых с уже имеющимися. С другой стороны, при анализе прин-

цип развития ориентирует на необходимость учета предыстории

развития системы и тенденций, имеющихся в настоящее время, для

вскрытия закономерностей ее функционирования.

Одним из способов учета этого принципа разработчиками

является рассмотрение системы относительно ее жизненного

цикла. Условными фазами жизненного цикла ИС являются про-

ектирование, изготовление, ввод в эксплуатацию, эксплуатация,

наращивание возможностей (модернизация), вывод из эксплуа-

тации (замена), уничтожение.

Основы системного анализа 65

Отдельные авторы этот принцип называют принципом из-

менения (историчности) или открытости. Для того чтобы сис-

тема функционировала, она должна изменяться, взаимодейство-

вать со средой.

Принцип децентрализации. Это сочетание в сложных систе-

мах централизованного и децентрализованного управления, ко-

торое, как правило, заключается в том, что степень централиза-

ции должна быть минимальной, обеспечивающей выполнение

поставленной цели.

Недостаток децентрализованного управления - увеличение

времени адаптации системы. Он существенно влияет на функ-

ционирование системы в быстро меняющихся средах. То, что в

централизованных системах можно сделать за короткое время,

в децентрализованной системе будет осуществляться весьма мед-

ленно. Например, общее время синхронизации (перевода из

состояния Z[ в Zj) цепи из

Л^

автоматов с п внутренними состоя-

ниями, зависящими от состояний соседних автоматов, при

централизованном управлении составляет

такт, а для взаимо-

действующих только с непосредственными соседями составля-

ет = 3N такта, в зависимости от сложности автоматов.

Недостатком централизованного управления является слож-

ность управления из-за огромного потока информации, подле-

жащей переработке в старшей системе управления. Поэтому в

сложной системе обычно присутствуют два уровня управления.

В медленно меняющейся обстановке децентрализованная часть

системы успешно справляется с адаптацией поведения системы

к среде и с достижением глобальной цели системы за счет опе-

ративного управления, а при резких изменениях среды осуще-

ствляется централизованное управление по переводу системы в

новое состояние.

Принцип неопределенности. Это учет неопределенностей и

случайностей в системе. Принцип утверждает, что можно иметь

дело с системой, в которой структура, функционирование или

внешние воздействия не полностью определены.

Сложные открытые системы не подчиняются вероятностным

законам. В таких системах можно оценивать «наихудшие» ситу-

ации и рассмотрение проводить для них. Этот способ обычно

называют методом гарантируемого результата. Он применим,

когда неопределенность не описывается аппаратом теории ве-

роятностей.

Глава 1

При наличии информации о вероятностных характеристиках

случайностей (математическое ожидание, дисперсия и т.д.) мож-

но определять вероятностные характеристики выходов в системе.

Перечисленные принципы обладают очень высокой степенью

общности. Для непосредственного применения исследователь

должен наполнить их конкретным содержанием применительно

к предмету исследования. Такая интерпретация может привести

к обоснованному выводу о незначимости какого-либо принци-

па. Однако знание и учет принципов позволяют лучше увидеть

существенные стороны решаемой проблемы, учесть весь комп-

лекс взаимосвязей, обеспечить системную интеграцию.

1.4.2.

СТРУКТУРА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Общий подход к решению проблем может быть представлен

как цикл (рис. 1.8). При этом в процессе функционирования ре-

альной системы выявляется проблема практики как несоответ-

Физическая система, включающая

проблему практики д.|

Функционирование

Анализируемая система

(общее представление) Д2

Декомпозиция

Анализ

Анализируемая система

(детальное представление) дз

Синтез

Синтезируемая система

А4

Реализация

Оценка системы

Предлагаемая физическая

система дд

Оценка снятия проблемы

Рис.

1.8. Общий подход к решению проблем

Основы системного анализа

ствие существующего положения дел требуемому. Для решения

проблемы проводится системное исследование (декомпозиция,

анализ и синтез) системы, снимающее проблему. В ходе синтеза

осуществляется оценка анализируемой и синтезируемой систем.

Реализация синтезированной системы в виде предлагаемой фи-

зической системы позволяет провести оценку степени снятия про-

блемы практики и принять решение на функционирование мо-

дернизированной (новой) реальной системы.

При таком представлении становится очевидным еще один

аспект определения системы: система есть средство решения про-

блем.

Основные задачи системного анализа могут быть представ-

лены в виде трехуровневого дерева функций (рис. 1.9).

Структура системного анализа

Декомпозиция

Определение и

декомпозиция

общей цели,

основной функции

Выделение

системы из среды

Описание

воздействующих

факторов

Описание тенден-

ций развития, не-

определенностей

Описание как

«черного ящика»

Функциональная,

компонентная и

структурная

декомпозиция

Анализ

Функционально-

структурный

анализ

Морфологический

анализ

Генетический

анализ

- Анализ аналогов

Анализ

эффективности

Формирование

требований к соз-

даваемой системе

Синтез

Разработка

модели системы

Структурный

синтез

Параметрический

синтез

Оценивание

системы

Рис. 1.9. Дерево функций системного анализа

68 Глава 1

На этапе декомпозиции, обеспечивающем общее пред-

ставление системы, осуществляются:

Определение и декомпозиция общей цели исследования и

основной функции системы как ограничение траектории в про-

странстве состояний системы или в области допустимых ситуа-

ций. Наиболее часто декомпозиция проводится путем построе-

ния дерева целей и дерева функций.

Вьщеление системы из среды (разделение на систему/«неси-

стему») по критерию участия каждого рассматриваемого элемента

в процессе, приводящем к результату на основе рассмотрения

системы как составной части надсистемы.

Описание воздействующих факторов.

Описание тенденций развития, неопределенностей разного

рода.

Описание системы как «черного ящика».

6. Функциональная (по функциям), компонентная (по виду

элементов) и структурная (по виду отношений между элемента-

ми) декомпозиции системы.

Глубина декомпозиции ограничивается. Декомпозиция дол-

жна прекращаться, если необходимо изменить уровень абстрак-

ции - представить элемент как подсистему. Если при декомпози-

ции выясняется, что модель начинает описывать внутренний

алгоритм функционирования элемента вместо закона его функ-

ционирования в виде «черного ящика», то в этом случае произош-

ло изменение уровня абстракции. Это означает выход за преде-

лы цели исследования системы и, следовательно, вызывает пре-

кращение декомпозиции.

В автоматизированных методиках типичной является деком-

позиция модели на глубину 5-6 уровней. На такую глубину де-

композируется обычно одна из подсистем. Функции, которые

требуют такого уровня детализации, часто очень важны, и их де-

тальное описание дает ключ к секретам работы всей системы.

В общей теории систем доказано, что большинство систем

могут быть декомпозированы на базовые представления подсис-

тем. К ним относят: последовательное (каскадное) соединение

элементов, параллельное соединение элементов, соединение с

помощью обратной связи.

Проблема проведения дe^(Oмпoзиции состоит в том, что в

сложных системах отсутствует однозначное соответствие между

Основы системного анализа 69

законом функционирования подсистем и алгоритмом, его реали-

зующим. Поэтому осуществляется формирование нескольких ва-

риантов (или одного варианта, если система отображена в виде

иерархической структуры) декомпозиции системы.

Рассмотрим некоторые наиболее часто применяемые страте-

гии декомпозиции.

Функциональная декомпозиция. Декомпозиция базируется на

анализе функций системы. При этом ставится вопрос что делает

система, независимо от того, как она работает. Основанием раз-

биения на функциональные подсистемы служит общность функ-

ций, выполняемых группами элементов.

Декомпозиция по жизненному циклу. Признак выделения под-

систем - изменение закона функционирования подсистем на раз-

ных этапах цикла существования системы «от рождения до гибе-

ли».

Рекомендуется применять эту стратегию, когда целью систе-

мы является оптимизация процессов и когда можно определить

последовательные стадии преобразования входов в выходы.

Декомпозиция по физическому процессу. Признак выделения

подсистем - шаги выполнения алгоритма функционирования

подсистемы, стадии смены состояний. Хотя эта стратегия полез-

на при описании существующих процессов, результатом ее часто

может стать слишком последовательное описание системы, ко-

торое не будет в полной мере учитывать ограничения, диктуе-

мые функциями друг другу. При этом может оказаться скрытой

последовательность управления. Применять эту стратегию сле-

дует, только если целью модели является описание физического

процесса как такового.

Декомпозиция по подсистемам (структурная декомпозиция).

Признак выделения подсистем - сильная связь между элемента-

ми по одному из типов отношений (связей), существующих в сис-

теме (информационных, логических, иерархических, энергетичес-

ких и т.п.). Силу связи, например, по информации можно оце-

нить коэффициентом информационной взаимосвязи подсистем

N/NQ

, где

Л'^

- количество взаимоиспользуемых информаци-

онных массивов в подсистемах,

- общее количество информа-

ционных массивов. Для описания всей системы должна быть по-

строена составная модель, объединяющая все отдельные моде-

ли.

Рекомендуется использовать разложение на подсистемы,

только когда такое разделение на основные части системы не из-

70 Глава 1

меняется. Нестабильность границ подсистем быстро обесценит

как отдельные модели, так и их объединение.

На этапе анализа, обеспечивающем формирование деталь-

ного представления системы, осуществляются:

Функционально-структурный анализ существующей систе-

мы,

позволяющий сформулировать требования к создаваемой

системе. Он включает уточнение состава и законов функциони-

рования элементов, алгоритмов функционирования и взаимовли-

яний подсистем, разделение управляемых и неуправляемых ха-

рактеристик, задание пространства состояний Z, задание пара-

метрического пространства Т, в котором задано поведение

системы, анализ целостности системы, формулирование требо-

ваний к создаваемой системе.

Морфологический анализ - анализ взаимосвязи компонентов.

Генетический анализ - анализ предыстории, причин разви-

тия ситуации, имеющихся тенденций, построение прогнозов.

Анализ аналогов.

Анализ эффективности (по результативности, ресурсоем-

кости, оперативности). Он включает выбор шкалы измерения,

формирование показателей эффективности, обоснование и фор-

мирование критериев эффективности, непосредственно оценива-

ние и анализ полученных оценок.

6. Формирование требований к создаваемой системе, вклю-

чая выбор критериев оценки и ограничений.

Этап синтеза системы, решающей проблему, представлен

в виде упрощенной функциональной диаграммы на рис. 1.10.

На этом этапе осуществляются:

Разработка модели требуемой системы (выбор математи-

ческого аппарата, моделирование, оценка модели по критериям

адекватности, простоты, соответствия между точностью и слож-

ностью, баланса погрешностей, многовариантности реализаций,

блочности построения).

Синтез альтернативных структур«истемы, снимающей про-

блему.

Синтез параметров системы, снимающей проблему.

Оценивание вариантов синтезированной системы (обосно-

вание схемы оценивания, реализация модели, проведение экспе-

римента по оценке, обработка результатов оценивания, анализ

результатов, выбор наилучшего варианта).