Основы системного анализа. 1. Понятие Системного анализа
 Скачать 482.81 Kb.
|
|
Соответствие сложности модели и требований исследования существенных свойств системы-оригинала, а также точности результатов моделирования. Этот принцип определяет целесообразность уменьшения сложности модели за счет абстрагирования от несущественных деталей, поскольку модель в общем случае должна быть проще исследуемой системы. Однако модель может быть упрощена только до уровня, обеспечивающего оценку существенных свойств системы с требуемой точностью. Таким образом, имеется два противоречивых требования: с одной стороны, необходимо понижать сложность модели, а с другой – обеспечивать необходимую точность исследования существенных свойств системы. Выходом из этого противоречия может явиться выполнение следующих рекомендаций: · исключение несущественных переменных, объединение нескольких переменных, чем достигается сокращение их общего числа; · изменение природы рассматриваемых параметров и (или) функциональной зависимости между ними. Например, некоторые переменные параметры рассматривать как постоянные, дискретные – как непрерывные, нелинейные зависимости – как линейные; · изменение пределов ограничений, а также их возможное исключение, модификация или включение дополнительных ограничений; · установление разумной точности модели. Например, точность результатов моделирования не может быть выше точности исходных данных. 4. Конструирование модели в виде отдельных достаточно самостоятельных, законченных элементов (блоков). Использование этого принципа облегчает разработку сложных систем за счет многократного использования одних и тех же блоков и обеспечения связей между ними. Структуризация блоков в основном осуществляется в соответствии с выполняемыми ими функциями. 5. Многовариантность построения элементов (блоков) модели исходя из предъявляемых к ним требованиям, прежде всего по точности выходных параметров. Многовариантность элементов обеспечивает рациональное построение модели системы в целом. Говоря о подходах к построению моделей систем, необходимо иметь в виду, что к созданию модели можно приступать на основе исходных данных, которые либо уже известны, либо могут быть получены тем или иным способом. В зависимости от конкретной ситуации это может быть: · непосредственный анализ создаваемой или совершенствуемой системы; · проведение эксперимента на функционирующей системе или на ее фрагменте; · анализ систем-аналогов. Построение моделей, как правило, носит итеративный характер. Процесс конструирования модели начинается с создания достаточно простых моделей, позволяющих глубже понять исследуемую систему. Кроме того, на их создание затрачиваются сравнительно небольшие материальные и временные ресурсы. Создаваемые затем более сложные модели используются для учета влияния гораздо более широкого числа параметров на результаты моделирования. Для моделирования сложных систем необходимо разрабатывать целый ряд иерархических моделей, различающихся уровнем отображаемых функций и точностью определения выходных параметров модели. 18. Имитационная модель Моделирование сложных систем является достаточно трудоемким и трудно формализуемым процессом. Порядок моделирования зависит от поставленных целей исследования, а также от назначения, вида, сложности исследуемой системы и многих других факторов. Рассмотрим порядок системного моделирования с использованием имитационной модели, реализуемой на ЭВМ. Такое моделирование предполагает выполнение следующих основных этапов: · формулирование целей моделирования, содержательное описание моделируемой системы, разработка ее концептуальной модели; · выбор средств формализации концептуальной модели, разработка алгоритма реализации модели, выбор средств и методов моделирования; · разработка программы имитационной модели, проверка ее адекватности и корректировка модели; · планирование и реализация процесса моделирования, обработка и анализ полученных результатов, выработка рекомендаций и принятие проектных решений по исследуемой системе. Блок-схема процесса системного моделирования приведена на Рис. 1. Целью моделирования в данном случае является необходимость определения свойств и характеристик проектируемой или совершенствуемой системы еще до момента ее конструирования и изготовления. Моделирование позволит получить в более короткие сроки проект работоспособной системы, которую не придется существенно дорабатывать после ее изготовления. Таким образом, моделирование сокращает и удешевляет процесс проектирования, изготовления и внедрения системы. На этапе формирования целей моделирования должны быть определены существенные характеристики системы-оригинала, а также определена и описана вся совокупность критериев оценки как этих характеристик, так и выходных характеристик системы в целом. Кроме того, на данном этапе должно быть определены виды и объемы ресурсов (материальных, финансовых, человеческих, временных), выделяемых на создание системы в целом, а также на этапе моделирования системы. Конечная цель моделирования заключается в выборе наилучшего варианта проектируемой или совершенствуемой системы. Этот выбор осуществляется на основании критериев эффективности, которые также должны быть определены при постановке целей моделирования.  Рис. 1. Блок схема алгоритма процесса системного моделирования Содержательное описание моделируемой системы осуществляется с позиций системного анализа. Исходя из цели исследования системы устанавливаются и описываются совокупность ее элементов, взаимосвязи между ними, возможные состояния каждого элемента, существенные характеристики состояний и отношения между ними. Естественно, такое словесное описание может содержать логические неточности, противоречия и неопределенности. Оно является лишь исходной естественно-научной концепцией исследуемой системы. Такое предварительное, приближенное представление системы называется концептуальной моделью. Таким образом концептуальная модель определяет в словесной форме состав и структуру системы, свойства ее элементов и причинно-следственные связи между ними. Для того чтобы концептуальная модель служила хорошей основой для последующих этапов моделирования, требуется обстоятельно изучить моделируемую систему. В концептуальной модели должна быть изложена информация о природе и параметрах каждого элементарного процесса исследуемой системы, о виде и степени взаимодействия между ними, о месте и значении каждого процесса в общем процессе функционирования системы, т.е. в выполнении технологических процессов преобразования веществ, информации или энергии. На этапе разработки концептуальной модели осуществляется ее стратификация, т.е. выбор страт, характеризующих уровень детализации модели. Выбор уровня детализации, как правило определяется параметрами, допускающими варьирование в процессе моделирования. Именно эти параметры обеспечивают определение интересующих выходных характеристик системы. Таким образом, определяются элементы модели, т.е. такие ее части, для которых известны или могут быть получены зависимости выходных параметров от входных. Как правило, модель сложной системы имеет большое количество элементов. В этом случае реализуется иерархическая модульная структура модели. Каждый модуль (страта) такой модели состоит из совокупности модулей (страт) более низких рангов, вплоть до элементов модели. В концептуальной модели определяются связи между ее элементами – вещественные, энергетические, информационные. Вещественные и энергетические связи отражают возможные пути перемещения рассматриваемого продукта и энергии от одного элемента модели к другому. Информационные связи обеспечивают передачу управляющих воздействий и информации о состоянии каждого элемента. Управляющие воздействия содержат указания о том, когда, откуда и сколько вещества, энергии, информации взять, какую операцию по преобразованию выполнить и куда передать. В сложных системах обычно одновременно протекает несколько функциональных процессов, каждый из которых состоит из определенной последовательности отдельных элементарных операций. Часть операций может выполняться параллельно разными элементами системы. Такие системы функционируют в соответствии с алгоритмическим принципом управления. В концептуальной модели должны быть конкретизированы все решающие правила и описаны алгоритмы управления совокупностью протекающих в системе, а следовательно, и в модели функциональных процессов. Концептуальная модель предусматривает реализацию так называемого процесса локализации. Суть локализации заключается в описании грани исследуемой системы, а также в определении внешних объектов, с которыми взаимодействует система. К числу таких объектов относятся источники, создающие рабочую входную нагрузку для системы, а также управляющие и возмущающие воздействия. В концептуальной модели по возможности точно должны быть описаны величины и характер каждого из возможных внешних воздействий. 19. Многоуровневое моделирование сложных систем В процессе анализа и синтеза сложных систем необходимо учитывать большое количество свойств, функций и структурных характеристик, в результате чего построение единой математической модели оказывается затруднительным и нецелесообразным. Поэтому при исследовании сложных систем используют множество различных концептуальных, математических и физических объектов, которые позволяют всесторонне раскрыть содержание системы. Как правило исследования начинают с построения наиболее общих моделей, позволяющих определить внешние характеристики системы и ее взаимодействие с окружающей средой, а затем осуществляют детализацию системы с последующим построением моделей и исследованием ее отдельных элементов, отношений, связей и взаимодействий между ними, анализируют структуру и поведение системы на уровне взаимодействующих элементов. При необходимости более детального исследования каждый элемент вновь подвергается делению и рассматривается как система, имеющая свои элементы и структуру. Такой принцип многоступенчатости моделирования и исследования, вытекающий из свойств иерархичности любой системы, широко применяется всеми исследователями. Исследование сложной системы необходимо проводить на каждом уровне деления. На верхнем уровне сложная система может рассматриваться как элемент системы более высокого ранга и исследоваться «в целом» для определения ее внешних характеристик; на последующих уровнях деления будут изучаться различные подсистемы и элементы, выявление свойств которых позволит уточнить внешние характеристики системы. Из рассматриваемых подходов к декомпозиции систем можно выделить два: агрегирование и стратификацию. Агрегирование представляет собой процесс деления системы на отдельные элементы (агрегаты), между которыми устанавливаются определенные связи и взаимодействия. Каждый агрегат описывается динамической моделью, характеризующей его свойства. Таким образом исследование систем можно производить как на уровне отдельных агрегатов, так и в комплексе, рассматривая процессы их взаимодействия в системе. Отдельные агрегаты могут объединяться в подсистемы одного уровня, которые затем объединяются в подсистемы более высокого уровня, и т.д. Можно осуществлять обратное последовательное деление системы вплоть до ее элементов. Стратификация представляет собой процесс деления системы на отдельные страты (слои), каждая из которых характеризуется определенными признаками и совокупностью частных моделей. Данный подход к декомпозиции является более общим, так как позволяет формировать в пределах каждой страты самые различные модели, отличающиеся по физическим закономерностям и математическим зависимостям от моделей других страт. Рассмотрим общий подход к стратифицированному описанию сложных систем. Система задается семейством моделей, каждая из которых описывает отдельные свойства системы с различной степенью абстрагирования. Данное семейство моделей разбивается на уровни, характеризуемые степенью общности описания системы и формальными языками, принятыми для отображения поведения системы на этом уровне. Такое иерархическое описание системы называется стратифицированным описанием, а уровни – стратами. В дальнейшем вместо понятия «стратифицированное описание» будем использовать понятие «стратифицированная модель». Таким образом, стратифицированная модель системы представляет собой множество частных моделей системы, разбитых на страты. Страты и частные модели могут выбираться по различным признакам, поэтому возможно построение различных стратифицированных моделей одной и той же системы. Однако, при разработке всех этих моделейнеобходимо придерживаться следующих общих принципов: · выбор страт зависит от исследователя и определяется целью исследования. различные исследователи могут изучать разные свойства системы с той или иной степенью детализации, что определяет содержание и количество используемых страт, физические законы и математические зависимости, положенные в основу описания частных моделей; · физические закономерности и математические зависимости, положенные в основу разработки частных моделей на различных стратах, в общем случае не связаны между собой, поэтому принципы и законы, используемые для характеристики системы на любой страте, в общем случае не могут быть выведены из принципов, используемых на других стратах; · требования к системе, формируемые в ходе моделирования на любой страте, выступают как условия или ограничения выбора частных моделей и предельных возможностей функционирования системы на нижележащих стратах. Например, если ЭВМ используется для обработки информации с конкретной скоростью и с ограниченным числом действий, то это определяет требования к ее элементной базе, а соответственно и к частной модели. Этот принцип в основном используется в процессе моделирования проектируемых систем, когда необходимо последовательно принимать решения от общих требований к системе до ее конкретной реализации. Для выполнения всех требований к системе результаты моделирования на нижних стратах должны быть согласованы с верхними. Это означает наличие в стратифицированных моделях обратной связи; · на каждой страте имеется собственный набор терминов концепций, математических моделей, позволяющих более подробно изучить систему, переходя на нижерасположенную страту. Подсистема на данной страте является системой для нижележащей страты и, в свою очередь рассматривается как элемент для вышестоящей страты. На каждой страте осуществляется исследование структуры и взаимодействий между элементами соответствующих подсистем, в то время как внешние взаимодействия этих подсистем изучаются на вышестоящей страте. Конечно, в идеальном случае для получения оптимального решения необходимо рассматривать систему в целом на одном уровне с учетом всех ее элементов, внешних и внутренних взаимодействий. Однако это сделать невозможно ввиду сложности системы, многообразия ее свойств, показателей и вытекающих из этого различных методологических принципов исследования, приводящих к появлению многоуровневой модели; · Понимание системы возрастает при переходе от одной страты к другой: чем ниже мы опускаемся по иерархии, тем более детальным становится раскрытием системы; чем выше мы поднимаемся, тем яснее становится смысл и значение всей системы. Этот принцип становится следствием предыдущего принципа. Действительно на нижних стратах мы детально рассматриваем свойства и функционирование отдельных элементов системы, но можем иметь представление о функционировании всей системы в целом, ее задачах и контуре системы более высокого ранга. При движении вверх по иерархии представление системы о системе расширяется, исследователь охватывает большое число подсистем и, как правило, большие периоды времени. Изложенные принципы используются при построении стратифицированной математической модели системы с учетом следующих особенностей: · при описании модели используются общесистемные понятия, которые являются концептуальной основой разрабатываемой математической модели; · первой страте соответствует совокупность моделей, описывающих систему как элемент системы более высокого ранга; · нижележащие страты включают модели элементов системы соответствующего уровня деления, а также модели отношений, связей, взаимодействий между ними, модели, описывающие структуру и движение системы на данном уровне. Таким образом, для разработки стратифицированной модели системы необходимо иметь комплекс математических моделей элементов, отношений, связей и взаимодействий, а также построенных на этой основе моделей структур и функций, позволяющих всесторонне описать свойства и состояний системы. 20. Методы анализа систем, процедуры экспертных измерений 1.Ранжирование 2.Парное сравнение 3.Множественные сравнения. Непосредственная оценка. 4. Последовательное сравнение (метод Черчмена Акоффа). 5. Методы Неймана-Моргенштерна и согласования оценок. К наиболее используемым процедурам экспертных измерений относятся: · ранжирование; · парное сравнение; · множественное сравнение; · непосредственная оценка; · последовательное сравнение (метод Черчмена-Акоффа); · метод фон Неймана-Моргенштерна; · метод согласования оценок. Целесообразность применения того или иного метода определяется характером анализируемой информации. |