Романов Д.А. Конспект лекций по курсу Моделирование систем для студентов специальности 220400 - Программное обеспечение ВТ и АСУ
Подождите немного. Документ загружается.
К О Н С П Е К Т
лекций по курсу “Моделирование систем” для студентов
специальности 220400 – Программное обеспечение ВТ и АСУ
Составитель: кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры
КСУОИ Романов Дмитрий Александрович
Раздел 1. Введение в системный анализ
Лекция 1. Системы реального мира
План
1. Объекты и процессы реального мира как системы
2. Состав и структура системы
3. Иерархия систем. Внешняя среда
4. Классификация систем
1. Все известные на данный момент времени материальные объекты и
процессы реального мира так или иначе включены в познавательную или
практическую деятельность человека, что обуславливает необходимость их
научного изучения.
Объект - то, на что направлена познавательная или иная деятельность
человека.
Субъект – активно действующий и познающий, обладающий сознанием и
волей индивид или социальная группа.
Дифференциация (разделение) субъектов и объектов относительна. В ряде
случаев субъект познавательной или иной деятельности может быть объектом
для другого индивида (социальной группы). Нередки также случаи, когда
субъект и объект деятельности совпадают.
Пример. Общество – субъект и объект познавательной деятельности,
поскольку познает само себя с помощью социального института «наука».
Пример. Обучающийся – субъект и объект учебной деятельности,
поскольку обучает и формирует себя посредством деятельности.
Объекты реального мира находятся в постоянном взаимодействии между
собой, так или иначе взаимосвязаны друг с другом. Наиболее распространённой
формой существования взаимосвязанных и взаимодействующих объектов
является система.
Система - совокупность элементов, находящихся в отношениях между
собой и образующих определённое целостное единство, направленное на
достижение единой цели.
Для системы характерно наличие наличие связей и отношений между
образующими её частями, а также неразрывное единство со средой, во
взаимоотношениях с которой система проявляет свою целостность. Связи и
отношения между элементами систем носят относительно постоянный
характер.
Пример. Человек – биологическая система, части которой находятся в
сильнейшей взаимосвязи друг с другом (что особенно проявляется в том, что
различные системы человеческого тела – кровеносная, пищеварительная и др.
Управляются нервной системой, но и нервная система не может нормально
2
функционировать без успешного функционирования остальных систем). На
жизнедеятельность человека оказывает влияние окружающая среда.
2. При исследовании состава систем принято различать элементы,
компоненты и подсистемы.
Элемент системы – простейшая неделимая часть системы, т.е. предел
членения системы с точки зрения решения конкретных задач в рамках
определённой цели.
Подсистема – относительно независимая часть системы, обладающая
свойствами системы и имеющая подцель, на достижение которой
ориентирована подсистема. Если части системы не обладают такими
свойствами, а представляют собой совокупность однородных элементов, то
такие части называют компонентами.
Пример. Пищеварительная система человека – подсистема, основная
задача которой – обеспечение процесса переработки пищи с целью снабжения
организма энергией и строительным материалом для биологических единиц –
клеток.
Совокупность элементов, компонентов и подсистем называют составом
системы.
Связь – ограничение степени свободы элементов, компонентов и
подсистем системы.
Совокупность связей между частями системы называют структурой
системы.
Пример. С точки зрения биомеханики опорно-двигательный аппарат
человека – система звеньев (верхжние и нижние конечности, кисти рук и т.д.).
Однако костные звенья тела человека с точки зрения механики – не свободные,
а связанные тела, соединённые суставами, что требует учёта при составлении
уравнений движения звеньев и их системы в целом.
Связи обеспечивают возникновение и сохранение целостных свойств
системы, а также характеризуют строение и функционирование системы –
статику и динамику. Чем сильнее связи между элементами системы, тем более
целостные свойства она проявляет.
По своему характеру связи характеризуются
- направлением - бывают напраленными и ненаправленными;
- силой, что требует построения шкалы связей
- видом.
По виду связи разделяют на связи подчинения, связи порождения, связи
управления, связи безразличия. Важную роль в процессе управления системами
играют обратные связи.
Обратная связь - обратное воздействие управляемого процесса на
управляющий объект.
Обратная связь - основа саморегулирования развития систем. Обратная
связь позволяет по выходным параметрам определять входные.
Пример. Прямой связью в теле человека являются сигналы, идущие от
центральной нервной системы к периферическим органам, а обратные связи -
3
сигналы, идущие от периферических рецепторов в вцентральную нервную
систему.
Отображение системы производят путём расчленения её на подсистемы,
компоненты, элементы с указанием взаимосвязей разного характера. Одна и та
же система может быть представлена разными структурами в зависимости от
стадии познания объектов или в зависимости от аспектов её рассмотрения и
цели создания.
Поведение системы - процесс её перехода из одних состояний в другие в
конкретные моменты времени.
Развитие системы - изменение её во времени для достижения
поставленной цели.
3. Полное исследование поведения системы невозможно без рассмотрения
ее взаимосвязи и взаимодействия с внешней средой, в которой функционирует
указанная система. Внешняя среда – система более высокого порядка по
отношению к рассматриваемой системе (рассматриваемая система является
элементом или подсистемой внешней среды).
Внешняя среда оказывает воздействие на рассматриваемую систему,
меняет ее параметры и свойства, влияет на ее поведение. Однако и система, в
свою очередь, оказывает воздействие на внешнюю среду.
Пример. Растение и экосистема – соответственно система более низкого
порядка и внешняя среда. Экосистема оказывает существенное влияние на
жизнедеятельность растения. Химический состав воздуха, почвы, мощность
энергетического потока – параметры экосистемы, оказывающие влияние на
жизнедеятельность растения. Но и растение воздействует на окружающую
среду: выделение органических веществ и кислорода влияет на химический
состав экосистемы.
Современные научные данные позволяют говорить о мире как о
бесконечной системе, находящейся в развитии и на разных стадиях развития и
на разном уровне системной подчинённости - иерархии.
4. Чтобы определить место системы в мире, необходимо не только
выделить внешнюю по отношению к ней среду, но и отнести ее к
определенному классу объектов или процессов. Как известно, классификация –
логическое (мысленное) разделение объектов по определенному признаку или
критерию.
Системы реального мира классифицируют по
Происхождению: естественные, искусственные и биологические;
Степени сложности: простые, сложные и большие (очень сложные);
Степени взаимодействия с другими системами: открытые и замкнутые;
Характеру функционирования: стохастические и детерминированные;
Принципу работы: дискретные, непрерывные и дискретно-непрерывные;
Физической природе: реальные и абстрактные (как правило, системы
информации);
Степени целостности: суммативны и целостные;
Характеру существования: статические и динамические.
4
Простые системы - системы, элементы которых точно количественно
соизмеримы. Элементы простых систем представляют собой её простейшие
неделимые части.
Сложные системы - системы, в которых составляющие их элементы
являются, в свою очередь, системами. Для больших систем характерно наличие
огромного количества разнородных частей, мощные информационные потоки и
самоорганизация.
Понятие простых и сложных систем относительно и применимо в
контексте рассмативаемого вопроса.
Пример. С точки зрения физиологии человек - сложнейшая система,
состоящая из большого количества сложных систем (нервной, кровеносной,
дыхательной и т.д.), находящихся в теснейшей взаимосвязи друг с другом. Но
если рассматривать человека с позиций биомеханики и теоретической
механики (как систему связанных тел - звеньев), то это - простая система, т.к. её
элементы - звенья - простейшие неделимые части, описываемые уравнениями
кинематики.
Пример. С точки зрения космологии и астрономии Земля - простая
система. Однако с точки зрения географии, геологии и экологии Земля -
сложнейший целостный "организм".
Открытые системы активно взаимодействуют с другими системами и
внешней средой, обмениваясь с ними веществом, энергией и информацией.
Замкнутые системы наглухо изолированы своими непроницаемыми границами
и функционируют исключительно за счет внутренних потоков. Такие системы
обречены в итоге на разрушение.
Следует еще раз отметить: чтобы определить место системы в мире,
необходимо не только выделить ее связи с другими системами, но и
охарактеризовать ее с точки зрения классификации – определить ее тип.
Резюме
1. Система - основная форма существования взаимосвязанных и
взаимодействующих объектов и процессов реального мира. Целостность
системы обусловливают связи между ее частями - элементами, компонентами
или подсистемами.
2. Система характеризуется составом (частями, которые в нее входят) и
структурой (набором связей между ее частями).
3. Для определения места системы в мире необходимо, во-первых,
выделить ее связи с другими системами и внешней средой, во-вторых,
определить ее тип в соответствии с принятой классификацией. В настоящее
время системы классифицируют по 8 основным признакам.
Лекция 2. Цели и критерии
5
План
1. Проблемы и проблематика
2. Цель как обратная сторона проблемы
3. Критерии как количественные характеристики целей
1. Любая осознанная деятельность направлена на преодоление
несоответствия между желаемым и действительным, т.е. на достижение цели.
Несоответствие фактического и желаемого состояния системы называют
проблемой.
Совокупность всех проблем образует проблемную среду. Систему
взаимосвязанных проблем называют проблематикой.
Таким образом, проблема – противоречивая ситуация, требующая
разрешения. Проблема объективна, ее восприятие субъективно. Разрешением
противоречия является достижение цели.
2. Цель – состояние системы, являющееся наилучшим в плане логического
достижения. Цель представляет собой желаемое состояние системы, которое
нередко не совпадает с фактическим (действительным).
Цель является обратной стороной проблемы.
Формулирование проблем и соответственно формулирование цели и задач
является важнейшим этапом в построении и анализе систем. Важным этапом
является процесс определение целей подсистем, подчиняющийся следующим
правилам:
- цели системы низшего уровня должны быть подчинены целям систем
высшего уровня с учётом динамики развития;
- анализ характера расположения целей в разных областях пространства
позволяет определить функциональные требования к системе;
- неопределённость поведения системы ставит требование учёта
возможных ситуаций при её формировании в интересах развития;
- достижимость цели зависит от расходов ресурсов на её выполнение.
Формирование целей во многом зависит от системы ценностей субъекта.
Ценность являет собой представление о желаемом. При выборе целей и клиент,
и лицо, принимающее решение должны согласовывать свои системы
ценностей, т.е. искать общие ценности.
Различают 2 основных типа систем ценностей – технократическую и
гуманистическую (табл. 1).
Табл. 1. Системы ценностей
Технократическая Гуманистическая
Неограниченность природных
ресурсов
Ограниченность природных ресурсов
Превосходство над природой Гармония с природой
Информационно-технологическое
развитие
Социально-культурное развитие
Рыночные отношения Общественные интересы
6
Риск и выигрыш Гарантия безопасности
Разумность средств Разумность целей
Запоминание Понимание
Образование Культура
Система ценностей сдвигается. Учитывая, что проблемы нельзя отрывать
от проблематики, цель никогда не бывает единственной.
Достижение целей и решение задач возможно лишь на основе осознанной
целенаправленной деятельности.
3. Достижение цели можно описать количественно. Для этого формируют
критерии.
Критерии – оценочные количественные показатели, характеризующие
степень достижения цели.
Достижение цели нередко многоаспектно (многогранно) и вследствие
этого описывается не одним, а несколькими критериями – системой (набором)
критериев. К ней предъявляют следующие требования: операционность
(должна четко указывать путь к достижению цели и давать возможность
количественной или качественной оценки), функциональная полнота (должна
описывать все аспекты цели), неизбыточность (критерии не должны
дублировать друг друга), детерминированность (каждый критерий должен
иметь однозначный смысл и характеризовать определенный аспект цели) и т.д.
Пример. Целью построения АЭС является обеспечение электроэнергией
определенной территории. Критерии: мощность АЭС, вероятность аварии
(должна быть минимальной), степень загрязнения окружающей среды (должна
быть минимальной) и т.д.
Резюме
1. Системообразующим фактором является цель - желаемое состояние
объекта. Любая деятельность направлена на решение проблемы - преодоления
разрыва между желаемым и фактическим состоянием системы.
2. Цели, также как системы, иерархичны. Глобальную цель называют
миссией, подчиненные - задачами.
3. Любая цель многоаспектна и может быть количественно или
качественно оценена системой критериев, к которым предъявляют
определенные требования.
Резюме к разделу 1
1. Реальный мир представляет собой бесконечную иерархичную систему.
Все объекты и процессы реального мира также представляют собой системы.
Деятельность и мышление человека также системны.
2. Система характеризуется составом, структурой, внешними связями (с
другими системами и внешней средой), типом и целями существования
(функционирования). Системообразующим фактором является цель.
7
3. Любая деятельность направлена на разрешение проблем и достижение
целей. Достижение целей можно описать количественно. Цели и
соответствующие им критерии, также как и системы, иерархичны.
Раздел 2. Моделирование и его виды
Лекция 3. Методы познания действительности
План
1. Логическая схема познания действительности
2. Методы познания действительности как способы получения знаний
2.1. Наблюдение
2.2. Эксперимент
2.3. Измерения
1. Все мы живем в реальном мире, действуем в нем. Для осознанной,
целесообразной деятельности человеку необходима объективная информация о
мире, о действительности (ее частях) - деятельность человека не может
строиться на субъективных иллюзиях.
Например, врач может лечить больного (осознанная целенаправленная
деятельность!), лишь зная законы функционирования человеческого организма,
закономерности возникновения и развития болезни (наличие информации!).
Для получения информации о действительности ее необходимо
познавать.
ПОЗНАНИЕ - процесс творческой деятельности людей, формирующий их
знания, на основе которых возникают ЦЕЛИ, МОТИВЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
человеческих действий.
Получать информацию о действительности (познавать действительность)
возможно различными МЕТОДАМИ.
МЕТОД - путь (способ) достижения цели, определенным образом
упорядоченная деятельность.
МЕТОД ПОЗНАНИЯ - способ познания действительности, получения
информации о ней.
Познавая действительность, мы должны знать, что мы хотим изучить.
ОБЪЕКТ исследования (познания) – явление или предмет, подвергаемый
исследованию. В отношении объекта исследования необходимо всегда
помнить, что он выступает как данное, то, что есть, а предмет - это то, что мы
ищем, устанавливаем. Любой объект исследования - это совокупность свойств
и отношений, которая существует независимо от исследователя, но
учитывается им.
ПРЕДМЕТ исследования – часть объекта исследования, тот аспект, та
точка зрения, с которой мы познаем объект. Предмет исследования - аспект
объета, на который направлено острие мысли (те стороны, те свойства объекта,
8
которые мы познаем). Необходимо помнить, что один и тот же объект может
быть предметом многих исследований. Определение предмета исследования
устанавливает границы поиска, не позволяет распылять силы и средства на
исследование, конкретизирует его.
Например, человек – объект исследования и акмеологии, и медицины.
Однако предмет исследования медицины – болезни человека, предмет
исследования акмеологии – совершенство человека.
2. В настоящее время существует множество методов познания
(исследования) действительности: анализ литературных данных, наблюдение,
эксперимент, измерение, метод экспертных оценок, тестирование, опрос
(анкетирование), анализ передового практического опыта, моделирование и т.д.
Рассмотрим наиболее распространенные.
Наблюдение (мониторинг) - один из старых и испытанных методов
исследования действительности.
Наблюдение - планомерное и целенаправленное восприятие исследуемого
объекта (предмета или процесса), результаты которого в той или иной
форме фиксируются исследователем.
Наблюдение отличает невмешательство в исследуемый процесс.
Например, декан приходит на занятие и наблюдает учебный процесс.
Объект исследования (наблюдения) - педагогических процесс, предметы
исследования (наблюдения): 1 - информация, передаваемая обучающимся
(студентам), 2 - характер взаимоотношений преподавателя и студентов.
Эксперимент - воспроизведение и изменение явления с целью изучения его в
наиболее благоприятных условиях.
Характерными чертами эксперимента являются запланированное
вмешательство исследователя в изучаемое явление (процесс) путем введения
экспериментального стимула, возможность многократного воспроизведения
изучаемого явления в стандартизированных условиях или планомерного их
изменения (варьирования).
Например, помещая собаку в клетку, вмешиваются в процесс поведения
животного. Объект исследования (эксперимента) - собака, предмет
исследования (эксперимента): ее поведение.
Именно метод эксперимента позволяет разложить изучаемое явление на
составные элементы или части. Изменяя условия функционирования этих
частей и элементов, исследователь получает возможность обнаруживать и
прослеживать их развитие и точно фиксировать полученные результаты.
Эксперимент и практика - последние инстанции в утверждении или отрицании
каких-либо предположений, гипотез. Эксперимент следует считать удачным и
в случае подтверждения гипотезы, и в случае ее отрицания.
При проведении эксперимента исследовпатель всегда должен быть
обеспокоен действием побочных (сопутствующих) стимулов (факторов). Эта
сторона эксперментов является одной из наиболее ответственных в
правомерности будущих результатов исследования (познания).
9
Измерения являются универсальным и общим методом исследований во
всех видах деятельности человека. Есть основания утверждать, что наука
начинается там, где начинаются измерения.
Измерение - установление соответствия между изучаемыми явлениями,
с одной стороны, и числами, с другой.
Измерение - познавательная процедура, осуществляемая на эмпирическом
уровне научного исследования и включающая определение характеристик
материальных объектов с помощью соответствующих измерительных приборов
(систем).
Например, измерение массы спротсмена - определение его физической
характеристики (массы тела) с помощью весов.
Любое измерение в конечном счёте сводится к сравнению измеряемой
величины с некоторой однородной с ней величиной, принятой в качестве
эталона (единицы). Посредством той или иной системы единиц измерения
даётся количественное описание свойств тел, составляющее важный элемент
познания. Измерение повышает степень точности знания.
Например, общеизвестно, насколько важно точное знание усилий
спортсмена, прилагаемых им для преодоления тренировочной нагрузки: это
позволяет предсказать функциональное состояние его организма после
тренировки и функциональные сдвиги (изменение морфофункциональных
характеристик и т.д.), а также дозировать тренировочную нагрузку, не
допустить перегрузку организма в процессе тренировки.
Измерения являются усиливающим моментом философского метода -
сравнения.
Однако следует учитывать, что никакое измерение не может быть
выполено абсолютно точно. Результат измерения неизбежно содержит
погрешность, величина которой тем меньше, чем точнее метод измерения и
измерительный прибор.
С одной стороны, точность измерения ограничена наименьшим значением
величины, которое можно определить с помощью измерителя (ценой деления
прибора).
Очевидно, что чем точнее измерена величина (т.е. чем меньше
погрешность её измерения), тем более ценными являются результаты
измерений. Знание ценно в той мере, в какой оно достоверно. Чем точнее
измерения, тем более пригодны полученные данные для их дальнейшего
использования. Чем меньше погрешность измерения, тем меньше диапазон
неопределённости знания значения величины, а цель измерений - уменьшить
этот диапазон. Но вместе с тем существует максимально допустимая
погрешность измерений - величина погрешности, при превышении которой
результаты измерения непригодны для их дальнейшего использования. Её
значение рассчитывают специалисты (требования, предъявляемые к точности
измерений, зависят от типа решаемой задачи).
Однако и наблюдение, и эксперимент, и многие другие методы познания
действительности (измерение и т.д.) обладают рядом принципиально
неустранимых недостатков:
10