Шихова Н. А. Определение системы. Определение системы
 Скачать 37.03 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГБОУ ВО Удмуртский государственный университет Институт гражданской защиты Кафедра общеинженерных дисциплин РЕФЕРАТ по дисциплине: «Системный анализ». на тему: «Определение системы».
Ижевск, 2020 СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕСистемный анализ – это научная дисциплина, в которой разрабатываются методы и приемыпринятия обоснованных решений относительно сложных систем. Системный анализ, в частности позволяет предложить методики принятия решений по целенаправленному поиску приемлемых решений путем отбрасывания тех из них, которые заведомо уступают другим по заданному критерию качества. Цель его применения к анализу конкретной проблемы состоит в том, чтобы, применяя системный подход и, если это возможно, строгие математические методы, повысить обоснованность, принимаемого решения в условиях анализа большого количества информации о системе и множества потенциально возможных решений). Центральным понятием системного подхода является понятие «система». 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫСистема - совокупность (множество) элементов, между которыми имеются связи (отношения, взаимодействие). Таким образом, под системой понимается не любая совокупность, а упорядоченная. Если собрать вместе (объединить) одно - или разнородные элементы (понятия, предметы, людей), то это не будет системой, а лишь более или менее случайным смешением. Считать ту или иную совокупность элементов системой или нет, зависит также во многом от целей исследования и точности анализа, определяемой возможностью наблюдать (описывать) систему. Например, для проектировщика или испытателя автомобиль – система, а для пассажира – средство передвижения (вид транспорта). Имеется много определений понятия "система". Основная трудность состоит в том, что для полного определения этого понятия необходимо указать формальные признаки, позволяющие отличить систему от "не-системы". В качестве таких признаков наиболее часто используют число взаимосвязанных элементов, способ описания поведения системы, отсутствие формальной математической модели функционирования и т. п. Эти признаки порождают множественность классификации систем. Так, по числу элементов различают малые системы (10 - 103), сложные (104 – 107), ультрасложные (107 - 1020) и суперсистемы (1020 - 10200). По способу описания можно выделить детерминированные системы (поведение которых описывается однозначной функцией), статистические (поведение которых описывается в терминах распределения вероятностей) и нечеткие (поведение которых описывается нечеткими словесными высказываниями типа "достаточно высокий", "большой», «значительный" и т.п.). Говоря о системе, будем выделять три основных признака: 1) признак иерархичности (вложения): система — это совокупность элементов, которые сами могут рассматриваться как системы, а исходная система - часть более общей системы, т.е. система рассматривается как часть иерархии систем. Например, автомобиль может рассматриваться как часть автомобильного предприятия или часть транспортных средств города и т.д. 2) признак функциональной целостности: для системы характерно наличие интегративных свойств, которые присущи системе, но не свойственны ни одному из ее элементов в отдельности или их сумме («целое больше суммы частей»). Например, перевозить может автомобиль, измерять прибор, но не их отдельные части или сумма частей. 3) признак существенности: для системы характерно наличие существенных связей между элементами (скопление разрозненных частей не является системой). Все три признака тесно связаны друг с другом, и наличие одного из них влечет за собой наличие двух остальных. Систему можно уподобить слаженному оркестру, в котором каждый участник (часть системы) действует в согласии с остальными для достижения общей цели. Таким образом, понятие системы является многогранным и зависит от цели, которая ставится исследователем, и от тех отношений, которые при этом возникают у изучаемого объекта с другими системами. Приведем несколько примеров. Автомобиль может рассматриваться как часть системы диагностирования, если целью является определение неисправностей и причин отказов. Он же является частью автотранспортного предприятия, если целью является составление плана перевозок грузов (пассажиров) или частью транспортной системы города (региона), если целью является изучение транспортных потоков, оптимизация маршрутов движения, строительство новых дорог, загрязнение среды и т.п. Сложные системы обладают большим числом связей с другими системами. Например, вуз может рассматриваться на разных срезах. Как часть системы образования, если речь идет о путях повышения уровня знаний и культуры людей, определении форм обучения, наиболее приемлемых для общества, разработке программ обучения. Как часть экономической системы при рассмотрении проблемы подготовки квалифицированных кадров для промышленности и оплаты их труда, финансирования целевой подготовки кадров. Как часть социальной системы, если рассматриваются проблемы развития общества в целом. Как часть политической системы, если рассматриваются проблемы обеспечения национальной безопасности, выделения ассигнований на развитие образования и перспектив развития системы образования. Любая система может использоваться для достижения различных целей, при этом ее роль меняется. Возвращаясь, к примеру с автомобилем, в первом случае автомобиль – это входной элемент системы диагностирования, во втором – составная часть транспортного потока, в третьем – часть экосистемы. Точно так же вуз в первом случае – составная часть системы образования, во втором – ресурс экономической системы, в третьем – необходимый элемент общества, обладающий преобразовательными возможностями. Существует еще одна тонкость, на которую часто не обращают внимания. Определение конкретной системы должно быть таким, чтобы оно позволяло оценить (измерить) ее результаты (выходы), т.е. должно быть конструктивным. Это зависит от отношений определяемой системы с другими внешними системами. Изучение взаимосвязей (отношений) системы с другими системами позволяет установить критерии, по которым следует оценивать результаты работы (выходы) системы. Так, изучение взаимосвязей автомобиля с потребителями определяет функциональные и эргономические критерии (вместимость, скорость, мощность двигателя, удобство управления, комфорт, дизайн, безопасность и т.п.); с технологической системой – «моральный износ», ресурс; с системой обеспечения и обслуживания – ремонтопригодность, взаимозаменяемость элементов; с природной средой – проходимость, «экологическую чистоту»; с социальной – влияние на здоровье людей, степень «дискомфорта», уровень шума и выхлопов и т.п. Еще более сложной оказывается задача установления критериев оценки результатов для вуза. В больших системах наблюдается тенденция подмены всего множества критериев количественными критериями, зачастую характеризующими только затраты. Например, работу вуза оценивают по количеству изданной учебной и методической литературы, числу дипломников и аспирантов и т.д. При этом игнорируются (часто по незнанию и лени) такие критерии, как навык самостоятельного мышления выпускника, связность (системность) полученных знаний, степень интеллектуального развития, широта кругозора и эрудиция и т.п. Изучение связей вуза с другими системами позволяет сформировать достаточно полный список критериев, позволяющий объективно оценить результаты. Например, отношение вуза со студентами (потребителями) оценивается такими критериями, как стоимость обучения, необходимые для этого усилия, рейтинг вуза, престижность, время обучения, сложность обучения, возможность получить работу по специальности и т.п. Экономическая система дает критерии: уровень затрат, требования к перечню специальностей и качеству подготовки, дотации, субсидии на целевую подготовку специалистов. Система образования: оплата труда преподавателей, формальные требования соответствия (статус) вуза, поддержка бесплатного образования. Социальная система дает широкий спектр критериев качества подготовки выпускников как членов общества. Для полной идентификации системы необходимо, кроме целей, определить ее структуру и поведение. Характерной особенностью любой достаточно сложной системы является структурная избыточность. Для технических систем, например автомобиля, она реализуется в виде резервирования отдельных элементов системы. Для больших систем, например вуза, характерна определенная «критическая» размерность. Если размерность снижается до критического уровня, то это может сказаться на способности системы выполнять свои функции и даже создать угрозу существованию системы. Для вуза, например, структурная избыточность проявляется в наличии спектра кафедр, лабораторий, учебных классов, которые хотя и используются «время от времени», тем не менее способствуют устойчивости работы системы, что и смягчает последствия снижения размерности. Если число этих элементов вуза резко сократить, то система не сможет функционировать нормально. То же самое наблюдается и для системы образования: если резко сократить число вузов, снизить государственную поддержку бесплатного образования, то система образования не сможет выполнять свою основную функцию. Говоря о поведении системы, следует иметь в виду, что для любой системы характерна функциональная стабильность (адаптивность). Она обеспечивается наличием циклов обратной связи между элементами системы, а также между самой системой и внешними системами. Для технических систем (например, автомобиля) внутренние циклы предусмотрены в функциональной схеме. Внешние циклы, например, с водителем, с окружающей средой позволяют сохранять назначение (главную функцию) автомобиля при изменении внешних условий. В полной мере это относится к большим системам, например вузу. Внутренние циклы обратной связи существуют между преподавателями и студентами, между кафедрами, между преподавателями и руководством вуза. Внешние циклы с экономической системой, системой образования, социальной системой и т.п. позволяют сохранять назначение вуза. Если циклы обратной связи нарушаются, то система превращается из односвязной в многосвязную, теряет целостность и способность выполнять свою функцию в полном объеме, хотя «по инерции» еще может продолжать функционировать. Второй механизм, обеспечивающий функциональную стабильность, состоит в возможности диверсификации, расширения функций, поля деятельности. Например, для автомобиля он проявляется в виде возможности сохранять главную функцию (назначение) при различных условиях эксплуатации, в различной физической среде. Эту возможность обеспечивает структурная избыточность системы. Для вуза механизм диверсификации проявляется в возможности выполнения дополнительных образовательных программ, подготовки специалистов различного уровня и назначения при изменяющихся требованиях внешних систем. И здесь также необходима структурная избыточность системы («запас по размерности»). 2 КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМСистемы можно классифицировать по разным признакам. В соответствии с типом используемых в них величин системы делятся на физические и абстрактные (концептуальные). К физическим относятся системы, у которых величины измеримы, т.е. все реально существующие системы. Элементами абстрактных систем могут быть понятия, уравнения, переменные, числа и т п. Примером понятийной (концептуальной) системы является язык как средство общения. К абстрактным системам относятся также язык программирования, система чисел, система уравнений и т.п. Элементами системы могут быть объекты: так, в автомобиле или стиральной машине объектами служат отдельные части. Такие системы называются техническими: станок, компьютер, магнитофон и т.п. Элементами системы могут быть субъекты, например игроки в хоккейной команде, сотрудники в лаборатории. Такие системы называются социальными: учебная группа, партия, профсоюз, институт и т.п. Наконец, система может состоять из понятий, объектов и субъектов, как в системе "человек-машина", включающей все три вида элементов. Эти системы представляют наибольший интерес с точки зрения практической деятельности и называются организационно-техническими, человеко-машинными или большими техническими системами, например фирма, транспортная система, энергетическая система и т.п. Их особенностью является наличие в их составе сложной управляющей подсистемы. Таким образом, система может состоять из других систем, которые называются ее подсистемами. В большинстве случаев приходится иметь дело с большими, высокоорганизованными системами, которые включают в себя другие системы. Такие системы будем называть общими системами или системами в целом. Оперировать такими системами нелегко, так как мы не знаем, до какого предела осуществлять декомпозицию системы, т.е. разбивать ее на подсистемы, или до какого предела продолжать "построение" большой системы. В зависимости от типа элементов системы можно разделить на естественные и искусственные (созданные людьми), живые и неживые. Примерами естественных живых систем являются дерево, животное, человек. К естественным неживым системам относятся, например, планетарные (звездные) системы (Солнечная система, Галактика), горная система, система минералов, водная система и т.п. Примерами искусственных живых систем являются системы, полученные селекцией (искусственные сорта растений), методом генной инженерии (новые виды живых организмов), а также социальные системы. К искусственным неживым относятся технические системы. Системы, свойства которых не меняются со временем, называются статическими, в противном случае – динамическими. Динамическими являются системы с изменяющейся организацией, развивающиеся системы. К статическим относится большинство технических систем, так как их назначение (функция) не меняется со временем. К динамическим относятся социальные и организационно-технические системы. С точки зрения наблюдаемых величин, используемых для описания системы, и их распределения во времени различают дискретные, непрерывные и импульсные системы. К дискретным системам относятся системы, величины в которых имеют конечное число различных дискретных значений и могут быть определены лишь в дискретные моменты времени. В этом случае отношения между величинами можно задать с помощью выражений (уравнений) алгебры логики, вообще говоря, многозначной. Дискретными являются, например, технические системы. К непрерывным системам относятся системы, в которых величины и время рассматриваются как непрерывные переменные. При этом отношения между величинами выражаются дифференциальными уравнениями. Примерами непрерывных систем являются процессы, происходящие в живой и неживой природе: круговорот воды, фотосинтез у растений, ассимиляция и диссимиляция у животных и человека, сама жизнь и т.п. В импульсных системах величины рассматриваются как непрерывные переменные, но их значения известны лишь в дискретные моменты времени. Импульсные системы получаются при моделировании непрерывных систем. В этом случае из-за ограниченной точности измерений мы фактически имеем дело с первым случаем. Допущение о непрерывности вводится, чтобы проще выразить отношения между переменными (эти проблемы рассматриваются в теории интерполяции). При замене непрерывных переменных дискретными значениями важную роль играет теорема Уиттекера (1915г.), известная в отечественной литературе как теорема Котельникова: любая непрерывная функция времени, имеющая частотный спектр с верхним пределом fmax допускает точную замену конечным числом ее значений, записанных в интервалах времени ∆t = 1/(2fmax). Системы с конечным числом величин, элементов и связей между ними называются ограниченными. Если одно из этих множеств бесконечно, то - неограниченными. Физические системы ограничены, абстрактные могут быть неограниченными. С точки зрения взаимодействия между системой и окружающей средой различают закрытые и открытые системы. При изучении поведения систем часто пользуются понятиями алгоритм, алгоритмичность. Под алгоритмом при этом понимается конечная последовательность общепринятых предписаний, формальное исполнение которых (т. е. не требующее изобретательности) позволяет за конечное время получить решение некоторой задачи или класса задач. Поэтому с точки зрения моделирования поведения систем, важную роль играет класс систем, называемых автоматами. К ним относятся системы, в которых входные и выходные величины заданы заранее и поведение которых выступает как зависимость выходных величин от входных. Множество значений входных величин в данный момент времени называется стимулом, а выходных - реакцией. Основным признаком автомата является действие по заданному алгоритму, так что результат может быть определен заранее по известным входным воздействиям. К классу автоматов можно отнести все технические системы (станок, автомобиль и т.п.). К живым системам это понятие (слово «автомат» происходит от греческого «αυτοματος» - сам собою движущийся, сам собой случающийся, сам собой) применимо с оговорками, так как эти системы характеризуются способностью варьировать поведение при воздействии окружающей среды, способностью накопления полезных признаков и изменчивостью, а также способностью к обучению. Интеллектуальные системы, прежде всего человек и его организации, не относятся к классу автоматов. Хотя человек и может вести себя как автомат в некоторых ситуациях, но, в целом, ему присуща способность к рассуждению, и его поведение определяется не только (или не столько) входными воздействиями, а главным образом, системой ценностей и целями, к которым он стремится. Различают несколько типов поведения автоматов: 1. Детерминированное поведение: реакция в данный момент однозначно определяется стимулом в данный момент, а в некоторых случаях и прошлыми стимулами, и реакциями. Детерминированное поведение называется комбинаторным, если реакция в данный момент зависит лишь от стимула в данный момент, и последовательным, если существуют реакции, зависящие от прошлых значений некоторых величин. 2. Случайное поведение: реакция статистически зависит от действующего в данный момент стимула и от прошлых стимулов и реакций. Случайное поведение является простым, если реакция в данный момент зависит от стимула в данный момент, и сложным, если существуют реакции, зависящие от прошлых значений величин. 3. Нечеткое поведение: зависимость реакции от стимула выражается в форме нечетких высказываний. Например, "если изменение стимула существенное, то реакция значительная". По аналогии со случайным поведением различают простое и сложное нечеткое поведение. Таким образом, общая классификация систем должна учитывать многие аспекты и мало наглядна. Поэтому понятно стремление построить классификацию, которая позволяла бы описать все системы (или большую их часть), на основе нескольких общих признаков. Наиболее известные классификационные схемы принадлежат С.Биру и К.Боулдингу. Первая классификация (по С.Биру) учитывает два основных аспекта системы: сложность и способ описания смотреть таблица 1. Таблица 1 – Классификация С. Биру
Вторая классификация (по К.Боулдингу) построена с учетом сложности организации систем. Классификация систем по к. Боулдингу Неживые системы. Статические системы, называемые остовами Простые динамические структуры с заданным движением, присущие окружающему нас физическому миру. Эти системы называют часовыми механизмами. Кибернетические системы с управляемыми циклами обратной связи, называемые термостатами. Живые системы. Открытые системы с само сохраняемой структурой. Уровень клеток – первая ступень, на которой возможно разделение на живое и неживое. Живые организмы с низкой способностью воспринимать информацию (растения). Живые организмы с более развитой способностью воспринимать информацию, но не обладающие сознанием (животные). Люди, характеризующиеся самосознанием, мышлением и нетривиальным поведением. Социальные системы и социальные организации. Трансцендентальные системы, или системы, лежащие в настоящий момент вне нашего познания. Еще одна классификация, претендующая на определенную степень общности, принадлежит Дж. Миллеру. Автор выделяет семь уровней иерархически связанных живых систем, различающихся сложностью структуры и поведения: клетка, орган, организм, группа, организация, общество, межнациональная система. Миллер сделал попытку определить общие подсистемы (элементы), важные для протекания жизненных процессов в системах. Он выделяет три класса подсистем: 1. Подсистемы, перерабатывающие как материально-энергетическую субстанцию, так и информацию. 1.1. Повторитель; 1.2. Ограничитель. 2. Подсистемы, перерабатывающие лишь материально-энергетическую субстанцию: 2.1. Поглотитель; 2.2. Распределитель; 2.3. Преобразователь; 2.4. Генератор; 2.5. Накопитель вещества и энергии; 2.6. Эжектор; 2.7. Двигатель; 2.8. Вспомогательные и резервирующие подсистемы. 3. Подсистемы, перерабатывающие только информацию: 3.1. Входной преобразователь; 3.2. Внутренний преобразователь; 3.3. Канал и сеть; 3.4. Дешифратор; 3.5. Распознаватель; 3.6. Память; 3.7. Блок принятия решений; 3.8. Кодирующее устройство; 3.9. Выходной преобразователь. Как видно, приведенная классификация задает элементы конструктора, используя которые можно синтезировать системы разной сложности. ЗАКЛЮЧЕНИЕСистемный анализ – это научная дисциплина, в которой разрабатываются методы и приемыпринятия обоснованных решений относительно сложных систем. Любая система может использоваться для достижения различных целей, при этом ее роль меняется. Система - совокупность (множество) элементов, между которыми имеются связи (отношения, взаимодействие). Таким образом, под системой понимается не любая совокупность, а упорядоченная. Для того чтобы создать упорядоченную систему существует множество классификаций. Общая классификация систем должна учитывать многие аспекты. Наиболее известные классификационные схемы принадлежат С. Биру и К. Боулдингу. Эта классификация учитывает два основных аспекта системы: сложность и способ описания. Вторая классификация учитывает (по К. Боулдингу) построена с учетом сложности организации системы. Благодаря классификации систем уже есть от чего отталкиваться, чтобы выполнить системный анализ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫВдовин В. М. «Теория систем и системный анализ»/учебник для бакалавров/В. М. Вдовин, Л. Е. Суркова, В. А. Валентинов. – 3 – е изд. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2016 год – 644 стр. Романов В. Н. «Основы системного анализа»/ учебно-методический комплекс. – СПб.: Издательство СЗТУ, 2011 год – 298 стр. Романов В. Н. «Системный анализ для инженеров». – СПб: СЗГЗТУ – 2006 год. – 186 стр. |