Васючкова Т.С. Теория систем и структурный подход к моделированию - файл n1.doc

Васючкова Т.С. Теория систем и структурный подход к моделированию
Скачать все файлы (695.2 kb.)

Доступные файлы (2):
n1.doc303kb.05.12.2012 15:02скачать
n2.doc1002kb.05.12.2012 15:12скачать

n1.doc

1   2   3   4
Раздел 1.3. Принципы и правила системного подхода при конструировании систем

В инженерии свойства и общие законы организации систем имеют следствием принципы и правила создания искусственных систем.


  1. Принцип целеобусловленности. Цель системы первична! При построении искусственных систем начинать надо с формулировки цели. Под ее достижение формируется концепция системы, проектные решения, их реализация, ресурсы под создание системы.

Следствие 1). В системе должен существовать механизм достижения цели, количественно характеризующий в каждый момент времени степень соответствия поведения системы заданной цели

Следствие 2) Параметры, определяющие цель должны быть количественно измеримыми


  1. Принцип относительности. Одна и та же система может рассматриваться с трех точек зрения – (1) как самостоятельная система, (2) как часть объемлющей системы, (3) как объемлющая система по отношению к своим частям

Следствие 1). Для данной системы цель задает объемлющая ее

система

Следствие 2). Система должна представляться в иерархической

форме

  1. Принцип управляемости. Создаваемая система должна быть управляемой, то есть способной изменять свое поведение и структуру для достижения цели

Следствие 1). В управляемой системе должен присутствовать

механизм управления в виде управляющей и управляемой частей

соединенных линиями прямой и обратной связи

Следствие 2). Структура управляемой системы должна

описываться в виде иерархии управляемых контуров


  1. Принцип связанности. Система, выделенная для самостоятельного рассмотрения, должна быть управляемой по отношению к старшим и управляющей по отношению к младшим в иерархическом отношении системам

Следствие 1). В системе, выделенной для самостоятельного

рассмотрения, должен присутствовать механизм связанности в

виде совокупности трех частей – старшей системы,

рассматриваемой системы и младшей системы, соединенных

линиями прямой и обратной связи

Следствие 2). Управляемая система должна иметь внешние

критерии на входе и на выходе, характеризующие степень

соответствия ее поведения задаче управления. Критерии на входе

задает старшая в иерархическом отношении система, критерии

на выходе задает сама система, определяя способ оптимального

поведения

Следствие 3). Рассматриваемая система свободна в выборе

совокупности внутренних критериев для оптимизации

распределения ее ресурсов при выполнении управляющего

воздействия, удовлетворяющего внешним критериям



  1. Принцип моделируемости. Управляемая система должна содержать в своей структуре модель прогрнозирования во времени состояний для выбора, наилучшего поведения, обеспечивающего достижения заданной цели при минимальных затратах ресурсов

Следствие 1). В управляемой системе должен присутствовать

механизм моделирования в виде математической модели,

обеспечивающей выработку рекомендаций для оптимизации

достижения поставленной цели


  1. Принцип симбиозности. Управляемая система должна строиться с применением таких концепций, которые позволяют рассматривать человека как звено системы управления

Следствие 1). В управляемой системе должен присутствовать

механизм корреляции в виде дополнительного третьего контура,

обеспечивающего заданную корреляцию циркулирующих в

основных контурах параметров под влиянием управляющих

воздействий элементов естественного (человек) и искусственного

интеллектов (машина)

Следствие 2). Главенствующую роль человека в управляемой

системе обеспечивает механизм общения в виде

специализированного диалогового языка


  1. Принцип оперативности. Изменения поведения управляемой системы должны проходить своевременно, в реальном масштабе времени

Следствие 1). В управляемой системе должен присутствовать

механизм регулирования работы в реальном масштабе времени

Следствие 2). Информация в линии ЭВМ-человек должна

выдаваться в двух видах, позиграфической и буквенно-цифровой

для обеспечения оперативности и точности восприятия

человеком


Раздел 1.4. Моделирование как главный метод системного обследования. Понятие модели и моделирования


При изучении систем различной природы, в том числе и программных систем, исследователь сталкивается с проблемой их отображения, а также использования в познавательной и практической деятельности [15]. Объект фиксируется терминами языка, отображается на бумаге чертежами, графиками, фотографиями, уравнениями и формулами, а также макетами, механизмами и устройствами.


Отображения объектов называются моделями, процесс их создания – моделированием. Практически каждая наука имеет свой арсенал методов моделирования. Различаются геометрическое, физическое, химическое, биологическое, экономическое, социальное, политическое, культурологическое и математическое моделирование. Классы моделей представлены в табл.1.1.
Таблица 1.1
Классификация моделей


Основание классификации

Модель

Вид

Характеристика

1

2

3

Субстанциональный аспект модели

Природа объекта моделирования

Пространственно-

Геометрическая
Физическая

Техническая
Кибернетическая
Химическая
Биологическая
Социальная
Экономическая


Политическая


Интеллектуальная

Система, отражающая пространственное размещение объектов и процессов

Система, отражающая совокупность физических объектов, действующих на физических законах

Система, отражающая техническое устройство

Отражение кибернетической системы

Отражение химической системы

Система, отражающая организмы и их сообщества

Модель общества или его составляющих

Система, отражающая экономические объекты и процессы

Система, отражающая политические объекты и процессы

Система, отражающая знание, способы познания, мышление

Масштабы объекта моделирования

Микромасштабная


Макромасштабная


Метамодель
Мегамодель

Система, отражающая относительно небольшие образования

Система, отражающая значительные по величине образования

Система, отражающая сверхбольшие образования

Система, отражающая бесконечное по величине образование


Временная характеристика объекта моделирования

Историческая


Актуальная


Прогностическая

Система, отражающая прошлое бытие объекта или процесса

Система, отражающая настоящее бытие объекта или процесса

Система, отражающая будущее бытие объекта или процесса


Характер детерминации объекта моделирования

Стохастическая, вероятностная


Детерминированная

Система, отражающая объект или процесс, поведение которого носит вероятностный характер

Система, отражающая объект или процесс, поведение которого предопределено

Динамика объекта

Статические
Динамические

Отражает статические, неменяющиеся образования

Отражает объекты, отличающиеся изменяемостью


Репрезентационный аспект модели

Степень сложности модели

Простая


Сложная


Сверхсложная

Система, состоящая из небольшого числа элементов и связей между ними

Система, включающая в себя большое число простых моделей

Система, включающая в себя большое число сложных моделей

Способ отражения объекта

Содержательная
Формальная

Отражает содержание системы
Отражает объект на формальных языках

Способ представления модели

Абстрактная


Материальная

Единство некоторых символов или знаков
Совокупность материальных явлений

Форма представления модели

Графическая


Числовая


Логическая


Математическая
Мысленная
Компьютерная
Материальная

Графики, диаграммы, блок-схемы и др.
Конкретные числовые характеристики
Описывается в логических выражениях
Построена с использованием аппарата математики

Выступает как некоторые идеи и представления об объекте

Реализуется с помощью компьютерной техники

Макеты, установки, тренажеры, действующие модели приборов и устройств

Экстраполяционный аспект модели

Количество выполняемых моделью функций

Монофункциональная


Полифункциональная

Отличается одной узкой функцией
Отличается реализацией одновременно нескольких функций


Характер выполняемых моделью функций

Исследовательская


Тренинговая

Обучения


Практическая

Применяется в научном познании
Используется для тренировки практических умений и навыков специалистов в различных областях

Для формирования у обучаемых знаний, умений и навыков

Заместители объектов в практической деятельности


Роль в познании

Наблюдения
Описательная


Экспериментальная
Концептуальная


Теоретическая

Используется для сбора фактов при наблюдении

Дает описание объекта или процесса
Для проведения эксперимента
Направлена на построение концепции того или иного объекта или процесса

Ориентирована на объяснение объекта или процесса посредством построения его теории


Емкое и краткое определение модели дал А. И. Уемов – «модель представляет собой систему, исследование которой служит средством получения информации о другой системе».
Необходимыми и достаточными признаками модели являются [15]


Модель всегда проще оригинала. Она абстрагируется от несущественных качеств объекта. Однако в процессе исследования никогда нет 100% уверенности в том, что то или иное качество объекта является несущественным с точки зрения исследовательской задачи.
Системное моделирование, напрямую связанное с проектированием и изучением программных систем, представляет собой совокупность многих видов моделирования, наиболее важные из них


Системное моделирование очень прагматично. Его важнейшим назначением выступает не просто получение знаний о системе, а ее оптимизация – с преобразованием тех или иных характеристик реальной системы по заданным критериям оптимизации.
Важно подчеркнуть, что модель всегда отражает точку зрения той или иной группы проектировщиков, либо исследователей.
Завершая краткий экскурс в понятийный аппарат моделирования, обратимся к объекту труда программистов – классу человеко-машинных (эрготехнических) систем, элементами которых является вычислительная машина и человек, классу кибернетических систем. Особенности моделирования таких систем во многом определяются их свойствами и пониманием природы работы с информацией.
Основы кибернетики, как уже говорилось выше в (1.2), заложил известный американский философ и математик МIT – Массачусетского технологического института – Норберт Винер (1894 – 1964) в работе «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине» (1948). Большая заслуга Винера в том, что он установил общность принципов управленческой деятельности для принципиально разных объектов природы и общества. Управление сводится к передаче, хранению и переработке информации, то есть к различным сигналам, сообщениям, сведениям. Главная заслуга Винера в том, что он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Ныне кибернетика изучает системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования.
Кибернетика рассматривает систему как единство управляющих и управляемых элементов. Каждый элемент характеризуется некоторым количеством входов и выходов, определяющих связи элемента со средой. Между управляющим элементом и управляемым элементом (элементами могут быть и подсистемы) существуют каналы связи. По каналу прямой связи передается управляющее воздействие. По каналу обратной связи передается реакция на управляющее воздействие.
Информационный характер кибернетической системы обусловлен

Любая кибернетическая система представляет собой элементы, связанные информационными потоками. К наиболее важным ее проблемам следует отнести (1) недопущение искажения информации при передаче и приеме, (2) создание языка информации, который был бы понятен всем участникам управленческих отношений, (3) эффективного поиска, получения и использования информации в управлении.

Процесс управления по принципу обратной связи включает

Обратные связи бывают положительными и отрицательными. Положительная обратная связь усиливает воздействие входного сигнала, выводя систему из равновесия и ухудшая устойчивость. Отрицательная обратная связь ослабляет входной сигнал, способствует восстановлению равновесия в системе.
Важную роль в моделировании кибернетических систем играют понятия черного, серого и белого ящиков. Черным ящиком может быть вся система или ее элемент. Суть в том, что его внутреннее строение и поведение не видно наблюдателю. Видны только входы и выходы черного ящика, определяющие его взаимодействие со средой. Наблюдатель изучает поведение черного ящика, воздействуя на вход и фиксируя выход. Анализ поведения позволяет «осветлить» черный ящик – получить часть сведений о его структуре и функциях. Такой ящик называется уже серым. Дальнейшее изучение поведения серого ящика позволяет полностью раскрыть структуру и закономерность преобразования сигнала вход в сигнал выход и получить в результате белый ящик.
Такой механизм структурной декомпозиции применяется, например, в методологии Харлана Миллза CleanRoom (стерильный цех), предназначенной для разработки сложных и сверхнадежных программных систем. Система описывается по уровням иерархии. На самом верхнем уровне система в целом представляется черным ящиком. На нисходящих уровнях иерархии происходит раскрытие черных ящиков (подсистем) до требуемого уровня детализации. Причем на каждом отдельно выделенном уровне иерархии работает только что описанный механизм трех ящиков. У Миллза это триплет Black Box -> State Box -> Clear Box.
Характеристики человеко-машинных (эрготехнических) систем важные с точки зрения их моделирования


  1. Наряду с техникой, оборудованием, структурами управления и пр. элементами таких систем являются люди. Хотя для них предназначены четко определенные производственные роли, их реальная деятельность может носить характер непредсказуемости и внезапности. Поэтому задача описания поведения человека как части системы весьма непроста и плохо формализуема.




  1. В эрготехнической системе всегда присутствуют факторы случайности/риска – неуправляемые факторы. Система для самосохранения должна менять свое поведение при наступлении случайных событий. Это могут быть поломки оборудования на производстве, резкий спад рыночного спроса на какой-то товар, ошибки людей.




  1. Фактор управления, часто динамического управления – когда план действий изменяется, формируется в ходе функционирования системы. В таких системах всегда присутствует управляющая подсистема как суперпозиция контуров прямой и обратной связи. В динамике работы системы необходимо отслеживать ее состояние, принимать решения по планированию и реализации дальнейшего поведения. Например, операционная система ЭВМ (телефонная станции, атомная станция и т.п.) не может знать заранее, какова будет нагрузка на вычислительную мощность в определенный момент времени. Лна постоянно регистрирует новые заказы/задачи и планирует ресурсы ЭВМ, управляет ими в зависимости от текущей нагрузки.




  1. Наличие цели/целевой функции – то есть задачи, которую должна решать система. Для постоянно действующих систем массового обслуживания и динамического управления (работа телекоммуникационной системы) целью является обслуживание всех заказов к установленному сроку (может, в кратчайшие сроки) с минимизацией затрат ресурсов.




  1. Фактор эффективности – как организовать работу системы с минимизацией затрат ресурсов.




  1. Критерии успеха – определяются условия и приоритеты для оптимизационной задачи минимизации ресурсов. Например, приоритет для сроков – тогда следует минимизировать время выполнения заказа.


Очевидно, что изучение большинства сложных систем путем прямых экспериментов над ними в целом невозможно, а над их частями вследствие эмергентности практически бесполезно. В таких условиях инструментом изучения системы является ее математическая модель. Как правило, она строится для описания функционирования системы и реализуется на ЭВМ (компьютерное моделирование).
Различают имитационные (портретные) и оптимизационные модели. К ним применимо требование осуществимости – с вероятностью не меньше заданной величины Р время достижения целей системой ( в данном случае – время эксперимента с помощью имитационной модели или время выработки рекомендаций по оптимальной структуре, оптимальному поведению системы) не должно превосходить заданного значения Т.
Построение математических моделей базируется на следующих трех принципах




При построении моделей сложных систем понятие оптимизации является основным. Так как основное свойство систем - наличие цели и необходимость достижения ее экстремальным образом. Формально задание цели сводится к заданию целевых функционалов для системы и ее модели соответственно. Определение экстремальных значений функционалов является основным содержанием оптимизационных моделей. В иерархии систем появляется иерархия целевых функционалов.

1   2   3   4
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации