Практикум для студентов специальности 158 01 01 Инженернопсихологическое обеспечение информационных технологий
 Скачать 0.74 Mb.
|
1 2 Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Кафедра инженерной психологии и эргономики Л. П. Пилиневич, Н. А. Гулякина, А. Н. Яцук ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ Лабораторный практикум для студентов специальности 1-58 01 01 «Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий» всех форм обучения Минск БГУИР 2011 2 УДК 681.51(076.5) ББК 32.965я73 П32 Р е ц е н з е н т: заместитель проректора по НИЧ БНТУ, доктор технических наук М. В. Тумилович П32 Пилиневич, Л. П. Общая теория систем : лаб. практикум для студ. спец. 1-58 01 01 «Инженерно-психологическое обеспечение информационных техноло- гий» всех форм обуч. / Л. П. Пилиневич, Н. А. Гулякина, А. Н. Яцук – Минск. : БГУИР, 2011. – 39 с. ISBN 978-985-488-588-9. Методическое издание состоит из 9 лабораторных работ. Содержит краткие сведения о моделировании систем, приведены примеры их построения. Даны основ- ные сведения о нахождении альтернативы заданными свойствами и сведения о стра- тифицированном представлении систем. Приведены указания к выполнению курсовой работы по общей теории систем. УДК 681.51(076.5) ББК 32.965я73 ISBN 978-985-488-588-9 Пилиневич Л. П., Гулякина Н. А., Яцук А. Н., 2011 УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», 2011 3 СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа №1. Построение модели «черный ящик»…………………………………………………………….........….4 Лабораторная работа №2. Построение модели состава системы……………………………………………………………...……….……...9 Лабораторная работа №3. Построение модели структуры системы……………………………………………………………….…………....12 Лабораторная работа №4. Построение структурной схемы системы ……………………………………………………………………………14 Лабораторная работа №5. Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной………………………………………………..……….……16 Лабораторная работа №6. Поиск альтернативы с заданными свойствами………………………………………………………….20 Лабораторная работа №7. Нахождение паретовского множества……………………………………………………............………….…24 Лабораторная работа №8. Выбор альтернативы на языке бинарных отношений …………………………………………………….………26 Лабораторная работа №9. Стратифицированное представление систем……………………………………………………………………………....29 Методические указания по выполнению курсовой работы………………........32 Рекомендуемая литература………………………………………….……………36 Приложение А……………………………………………………………………..37 Приложение Б…………………………………………………………..……........38 4 Лабораторная работа №1. Построение модели «черный ящик» Цель работы: освоить построение модели типа «черный ящик». 1.1 Теоретические сведения Модельесть отображение свойств какого-либо объекта при его изучении. При моделировании свойства одного объекта переносятся на другой таким об- разом, чтобы взаимосвязь свойств модели и свойств изучаемого объекта была аналогичной.Отображения объектов называются моделями, а процесс их соз- дания – моделированием. Модель «черный ящик» – это система, в которой внешнему наблюдателю доступны лишь входные и выходные величины, а структура и внутренние процессы не известны. Любая вещь, любой предмет, любое явление, любой познаваемый объект – всегда первоначально выступает как «черный ящик». Название модели «черный ящик» образно подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содер- жании «ящика»: в этой модели задаются, фиксируются, перечисляются только входные и выходные связи системы со средой (обычно не описываются даже «стенки ящика», т. е. границы между системой и средой, они лишь подразуме- ваются, признаются существующими). Графическая модель типа «черный ящик» отображает только связи системы со средой, в виде перечня «входов» и «выходов» (рисунок 1.1). Рисунок 1.1 – Графическая модель «черного ящика» Модель типа «черный ящик», несмотря на внешнюю простоту и отсутст- вие сведений о внутренности системы, часто оказывается полезной. Во многих случаях эксплуатации системы достаточно содержательного словесного описа- ния входов и выходов; тогда модель «черного ящика» является просто их спи- ском. Например, бытовая модель телевизора такова: входы – шнур электропита- ния, антенна, ручки управления и настройки; выходы – экран кинескопа и зву- ковые динамики. В других случаях требуется количественное описание некото- рых или всех входов и выходов. Пытаясь максимально формализовать модель «черного ящика», мы приходим к заданию двух множеств Х и Y входных и вы- 5 ходных переменных, но никаких других отношений между этими множествами фиксировать невозможно. При изучении систем модель «черного ящика» в ряде случаев оказывается не только очень полезной, но и единственно применимой. Например, при ис- следовании психики человека или влияния лекарства на живой организм мы лишены возможности вмешательства в систему иначе, как только через ее вхо- ды, а выводы делаем только на основании наблюдения за ее выходами. Это во- обще относится к таким исследованиям, в результате проведения которых нуж- но получить данные о системе в обычной для нее обстановке, где следует спе- циально заботиться о том, чтобы измерения как можно меньше влияли на саму систему. Другая причина того, что приходится ограничиваться только моделью «черного ящика», – действительное отсутствие данных о внутреннем устройст- ве системы. Например, мы не знаем, как «устроен» электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическими и магнитными полями, с гравитационным полем. Это и есть описание электрона на уровне модели «черного ящика». Проблема построения модели типа «черный ящик» заключается в правильном определении цели исследуемой системы. Цель – это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему. Вся последующая деятельность, способствующая решению этой проблемы, направлена на достижение поставленной цели, т. е. это работа по созданию системы. Приведем несколько упрощенных примеров систем, предназначенных для реализации определенных целей (см. таблицу 1.1). Таблица 1.1 – Системы и их цели № Цель Система 1 В произвольный момент указать время Часы 2 Обеспечить выпечку хлеба в заданном ассортименте для большого количества людей Пекарня 3 Передать зрительную и звуковую информацию на большое расстояние практически мгновенно Телевидение 4 Обеспечить перемещение людей в городе Городской транспорт Отметим, что далеко не просто сформулировать цели так, чтобы имелось действительно очевидное соответствие между целями и системами. Например, только слова «практически мгновенно» в примере 3 таблицы 1.1 отличают цель телевидения от цели кино или пересылки видеокассет. В то же время, между целью (абстрактной и конечной моделью) и реальной системой нет и не может быть однозначного соответствия: для достижения заданной цели могут быть избраны разные средства – системы. С другой стороны, заданную реальную систему можно использовать и для других целей, прямо не предусмотренных при ее создании. В инженерной практике момент формулирования цели – один из важнейших этапов создания систем. Обычно цели уточняются итеративно, с 6 многократными изменениями и дополнениями. Любая модель, в том числе модель «черный ящик», должна отвечать следующим требованиям: 1) адекватности модели, т. е. – соответствовать действительности предсказаний, сделанных на основе моделей, и соответствовать целям проектов, сделанных на основе моделей; 2) экономичности с точки зрения расхода, энергии, материалов времени и др. Сложность построения модели «черный ящик» заключается в множествен- ности входов и выходов. Главной причиной множественности входов и выходов в модели «черного ящика» является то, что всякая реальная система, как и любой объект, взаимодействует с объектами окружающей среды неограниченным числом способов. Строя модель системы, мы из этого бесчисленного множества связей отбираем конечное их число для включения в список входов и выходов. Критерием отбора при этом является целевое назначение модели, существенность той или иной связи по отношению к этой цели. То, что существенно, важно – включается в модель, то, что несущественно, неважно – не включается. Именно здесь возможны ошибки. Тот факт, что мы не учитываем в модели, исключаем из рассмотрения остальные связи, не лишает их реальности, они все равно действуют независимо от нас. И нередко оказывается, что казавшееся несущественным или неизвестным для нас на самом деле является важным и должно быть учтено. Особое значение этот момент имеет при задании цели системы, т. е. при определении ее выходов. Это относится и к описанию существующей системы по результатам ее обследования, и к проекту пока еще не существующей системы. Реальная система неизбежно вступает во взаимодействия со всеми объектами окружающей среды, поэтому важно как можно раньше, лучше всего еще на стадии построения (проектирования) модели, учесть все наиболее важное. Главную цель приходится сопровождать заданием дополнительных целей. Важно подчеркнуть, что выполнения только основной цели недостаточно, что невыполнение дополнительных целей может сделать ненужным или даже вредным и опасным достижение основной цели. Этот момент заслуживает особого внимания, так как на практике часто обнаруживается незнание, непонимание или недооценка важности указанного положения. Между тем оно является одним из центральных во всей системологии. 1.2 Пример выполнения работы Пример построения модели «черный ящик» системы «наручные часы». Главной целью данной системы является показание времени в произвольный момент и удобство ношения на запястье. Учитывая, что выходы соответствуют конкретизации цели, фиксируем в качестве выхода показание времени в произ- вольный момент, а в качестве входа – зрение человека и циферблат. 7 Данный вход и выход относятся ко всем часам, а не только к нашим на- ручным часам. Чтобы выполнить цель полностью, вносим следующее добавле- ние (вход): запястье – ремешок или браслет и (выход): удобство ношения часов на запястье. Можно добавить и еще один вход: химический состав материалов и выход: удовлетворение требований санитарии и гигиены, так как не любое крепление часов на руке допустимо с этой точки зрения. Далее, представив себе условия эксплуатации часов, можно добавить вход: механические удары, влага, пыль; выход: достаточная в бытовых услови- ях прочность, пылевлагонепроницаемость. Затем, расширив понятие «условия эксплуатации часов», добавим еще два выхода: достаточную для бытовых нужд точность; легкость прочтения показаний часов при беглом взгляде на цифер- блат. Можно еще более расширить круг учитываемых требований к часам, что позволит добавить несколько входов и выходов: соответствие моде и понятию красоты; соответствие цены часов покупательной способности потребителя. Очевидно, что список желаемых, т. е. включаемых в модель, входов и выходов можно продолжать. Например, можно потребовать, чтобы имелась возмож- ность прочтения показаний часов в полной темноте, и реализация этого выхода приведет к существенному изменению конструкции часов, в которой могут быть различные варианты подсветки, считывания на ощупь или подачи звуко- вых сигналов. Можно рассмотреть еще и другие выходы, такие как габариты, вес и многие другие физические, химические, экономические и социальные ас- пекты использования наручных часов. Пример построения графической модели «черный ящик» системы «наручные часы» показан на рисунке 1.2. Показание времени Зрение человека – циферблат Удобство ношения Запястье – браслет Удовлетворение требований санитарии и гигиены Материал браслета Свечение циферблата Механические удары, в темноте влага, пыль Полная темнота Прекращение показаний времени Пальцы рук – кнопка подсветки Неточное показание времени Рисунок 1.2 – Графическая модель «черного ящика» системы «наручные часы» Приведем способы устранения недостатков системы «наручные часы»: – для восстановления показаний времени необходимо заменить батарейки; 8 – для восстановления точности показаний времени необходимо произвести корректировку показаний системы «часы» по эталону времени. 1.3 Порядок выполнения лабораторной работы 1 Изучите теоретическую часть данной лабораторной работы. 2 По названию и назначению заданной системы определите ее главную и основные дополнительные цели. 3 В соответствии с назначением и целями системы определите сущест- венные связи системы с объектами окружающей среды. 4 Определите и опишите существенные входы и выходы системы. 5 Постройте графическую модель «черный ящик» заданной системы. 6 Перечислите нежелательные входы и выходы системы. 7 Установите основные способы устранения возможных недостатков. Варианты систем для выполнения лабораторной работы: 1) процессор; 2) материнская плата; 3) ПЭВМ; 4) звуковая карта; 5) видеокарта; 6) монитор; 7) телефон; 8) автомобильная сигнализация; 9) автомат по сорти- ровке овощей; 10) сканер. 1.4Содержание отчета Отчет должен включать: 1) цель работы; 2) исходные данные; 3) задачи работы; 4) теоретические сведения; 5) ход выполнения работы; 6) выводы. 1.5 Контрольные вопросы 1 Дайте определение понятия модели и модели «черный ящик». 2 Какая модель называется познавательной, а какая прагматической? 3 Как бороться с непознаваемостью объекта? 4 Назовите определение интегративного свойства системы. 5 Назовите основные трудности построения модели «черный ящик». 6 Назовите основные требования к построению моделей. 7 Какие свойства системы отображаются при моделировании? 8 Назовите принципиальное отличие динамической модели от статической. 9 Лабораторная работа №2. Построение модели состава системы Цель работы: освоить процесс построения модели состава системы. 2.1 Теоретические сведения При рассмотрении любой системы обнаруживается, что ее целостность и обособленность, отображенные в модели «черного ящика», выступают как внешние свойства. Внутренность же «ящика» оказывается неоднородной, что позволяет различать составные части самой системы. При более детальном рассмотрении некоторые части системы могут быть, в свою очередь, разбиты на составные части и т. д. Те части системы, которые мы рассматриваем как неделимые, называются элементами. Части системы, состоящие более чем из одного элемента, называют подсистемами. Модель состава ограничивается снизу тем, что считается элементом, а сверху – границей системы. Границы определяются целями построения модели. При необходимости можно ввести обозначения или термины, указывающие на иерархию частей. Графическое представление модели состава системы, описывающая, из каких подсистем и элементов она состоит, представлена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 Графическая модель состава системы 10 Построение модели состава системы только на первый взгляд кажется простой задачей. Модели одной и той же системы, разработанные разными экспертами, могут различаться между собой и даже значительно. Причины этого состоят не только в различной степени знания системы: один и тот же эксперт при разных условиях также может создать разные модели. Существу- ют, по крайней мере, три разные причины этого. Во-первых, разные модели состава объясняются тем, что понятие элементарности можно определить по-разному. То, что с одной точки зрения кажется элементом, с другой – оказывается подсистемой, подлежащей дальнейшему разделению. Во-вторых, как и любые модели, модель состава является целевой, а это значит, что для различных целей один и тот же объект требуется разбить на разные части. Например, модель состава самолета с точек зрения летчика, стюардессы, пассажира и аэродромного диспетчера окажутся различными. То, что для одного обязательно войдет в модель, может совершенно не интересовать другого. В-третьих, модели состава различаются потому, что всякое разделение целого на части, всякое деление системы на подсистемы является относительным, в определенной степени условным. Например, тормозную систему автомобиля можно отнести к ходовой части, либо к подсистеме управления. Другими словами границы между подсистемами условны, относительны. Главная задача в построении модели состава заключается в том, чтобы правильно согласно определению и назначению системы определить цель сис- темы. Разделение целостной системы на части полностью зависит от целей системы (это относится и к границам между частями системы и к границам са- мой системы). 2.2 Пример выполнения работы Пример построения модели состава системы «Система телевидения «Ор- бита». Главной целью данной системы является передать зрительную и звуко- вую информацию на большое расстояние практически мгновенно. Согласно поставленной цели данную систему разобьём на следующие под- системы: «передача», «связь» и «прием». В свою очередь подсистему «переда- ча» можно разбить на элементы системы «центральная телестудия» и «антен- но-передающий центр», подсистему «связь» на элементы «средства распро- странения радиоволн» и «спутники ретрансляторы», а подсистему «приема» на элементы «местные телецентры» и «телевизоры потребителей». Модель со- става системы «Система телевидения «Орбита» можно представить в виде таб- лицы (таблица 2.1). 11 Таблица 2.1 – Модель состава системы «Система телевидения «Орбита» Система Подсистемы Элементы Система телевидения «Орбита» Передающая Центральная телестудия Антенно-передающий центр Связь Средства распространения радиоволн Спутники ретрансляторы Приемная Местные телецентры Телевизоры потребителей 2.3 Порядок выполнения лабораторной работы 1 Изучите теоретическую часть данной лабораторной работы. 2 По названию и назначению заданной системы определите ее главную цель. 3 В соответствии с назначением и целью системы разбейте исследуемую систему на подсистемы и элементы. 4 Представьте исследуемую систему в графическом виде или в виде табли- цы. Варианты систем для выполнения лабораторной работы: 1) процессор; 2) материнская плата; 3) ПЭВМ; 4) звуковая карта; 5) видеокарта; 6) монитор; 7) фотоаппарат; 8) автомобильная сигнализация; 9) автомат по сортировке ово- щей; 10) сканер. 2.4Содержание отчета Отчет должен включать: 1) цель работы; 2) исходные данные; 3) задачи работы; 4) теоретические сведения; 5) ход выполнения работы; 6) выводы. 2.5 Контрольные вопросы 1 Дайте определение понятия модели и модели состава системы. 2 Дайте определение подсистемы системы и ее элемента. 3 В чем отличие модели «черный ящик от модели состава системы? 4 Назовите основные трудности построения модели состава системы. 5 Назовите основные требования к построению моделей. 12 1 2 |