Электронные (Лекция 6_2011)

Посмотреть архив целиком

15



Лекция 6

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Учебные вопросы:

1. Методология системных исследований

2. Сущность системного подхода

2.1. Определение основных понятий системного подхода

2.2. Принципы системного подхода

2.3. Стадии исследования систем


  1. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Системные исследования - особая форма науч­но-технической деятельности, ориентированная на специфические методы описания, изучения конструирования сложных объектов, представляю­щих собой различного рода системы.

В соответствии с современными воззрениями в системных исследова­ниях выделяются четыре основных уровня методологических знаний:

- философские основания системных исследований;

- общенаучные методологические принципы и формы исследования систем различной природы;

- конкретно-научная методология системного исследования в специаль­ных научных дисциплинах;

- методика и техника системных исследований конкретных объектов.

Эти уровни отражают специфическую иерархию методологических нап­равлений системных исследований - философско-мировоззренческую как раздел современной философии и собственно системную, включающую сис­темный подход и системный анализ.

Системный подход относится ко второму уровню методологического знания, т.е. это общенаучная концепция, реализующая принцип системнос­ти в принципах и методах решения сложных междисциплинарных проблем.

Сис­темный анализ реализует третий и четвертый уровни методологических знаний. Приме­нительно к исследованию эффективности ТС задачи системного анали­за заключаются в разработке методов содержательного и формального сис­темного описания объектов управления, выявлении закономерностей их функционирования и развития, построении системной теории и практичес­ких методов управления этими объектами.


2. СУЩНОСТЬ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА


2.1 Определение основных понятий системного подхода

Системный подход предполагает применение целого ряда понятий и определений. К ним относятся понятие системы, элемента, связи, структуры и т.д.

Система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных регулярным взаимодействием и направленных на достижение определенной цели.

Элемент - это часть системы, имеющая определенное функциональное назначение, внутреннее строение которой не рассматривается в рамках поставленной задачи.

Связью назовем важный для целей рассмотрения обмен между элемен­тами веществом, энергией, информацией.

Система определяется как объект, который должен обладать, по крайней мере, следующими четырьмя свойствами:

- целостность и членимость;

- наличие существенных связей между элементами;

- определенная организация элементов, формирующая структуру системы;

- существование интегративных качеств у системы в целом, которыми не обладают никакие отдельно взятые ее элементы.

Ключевым понятием теории систем и определяющим свойством любой системы является ее целостность. В целостной системе отдельные части функ­ционируют совместно, составляя в совокупности процесс функционирования системы как целого. Каждый элемент может рассматриваться только в его связи с другими элементами системы.

Функционирование разнородных взаимосвязанных элементов порождает качественно новые функциональные свойства целого, не имеющие аналогов в свойствах его элементов. Это означает принципиальную несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость свойств целостной системы из свойств элементов.

Структурой системы называется ее расчленение на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на время рассмотрение и даю­щее представление о системе в целом. Можно считать, что структура - это способ организации целого из составных частей.

Структура может иметь:

- материальную (вещественную);

- функциональную;

- алгоритмическую и другую основу.

Структуру системы удобно изображать в виде графической схемы, состоящей из ячеек (групп) и соединяющих их линий (связей). Такие схемы называются структурными.

Приведем примеры структур. Вещественная структура гусеничного движителя танков семейства Т-72 состоит из двух ведущих колес, двух гу­сениц, двух направляющих колес с механизмами натяжения, двенадцати опорных и шести поддерживающих катков. Грубая структурная схема такой системы укажет только ее элементы (узлы) и порядок их соединения. Пос­ледние и есть связи, которые здесь носят силовой характер.

Пример функциональной структуры - это деление силовой установки танков се­мейства Т-72 на системы питания топливом, питания воздухом, смазки, охлаждения, подогрева и воздушного запуска.

Пример системы, где ве­щественные и функциональные структуры слиты, - это подразделения войс­кового формирования, занимающиеся разными сторонами выполнения одной и той же боевой задачи.

Типичной алгоритмической структурой будет алго­ритм (схема) программного средства, указывающая последовательность действий. Также же алгоритмической структурой будет инструкция, опре­деляющая действия при отыскании неисправности технического объекта.

Структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней (или преобладающим) типам связей. Простейшими из них являются после­довательное, параллельное соединение элементов и обратная связь.

Близким к понятию структуры является термин "декомпозиция".

Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой. Примерами декомпозиции будут:

- рассмотрение физического явления, происходящего в отдельно взятой час­ти системы (рассмотрение процессов, происходящих в амортизаторе танка, как отдельно взятой части системы подрессоривания);

- разделение объекта на отдельно проектируемые части, зоны обслуживания (разделение комп­лекса основного вооружения танка на подсистемы поиска, подготовки пер­вого выстрела, решение задачи встречи снаряда с целью и поражения це­ли).

Важнейшим стимулом и сутью декомпозиции является упрощение систе­мы, слишком сложной для рассмотрения целиком.

Иерархией назовем структуру с наличием подчиненности, т.е. нерав­ноправных связей между элементами, когда воздействия в одном из нап­равлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другом.

Виды иерархически структур разнообразны. Среди них встречаются такие экзотические, как кольцевые (первый элемент доминирует над вто­рым, второй - над третьим и т.д., но последний - над первым!) или ме­няющие направление доминирования. Но основных, важных для практики иерархических структур все две - древовидная (веерная) и ромбовидная.



Древовидная структура наиболее проста для анализа и реализации. В ней почти всегда удобно выделять так называемые иерархические уровни - группы элементов, находящихся на одинаковом иерархическом (по числу промежуточных элементов) удалении от верхнего (главенствующего) эле­мента.

Ромбовидная структура ведет к двойной (иногда и более) подчинен­ности, отчетности, принадлежности нижнего элемента. В технике - это участие данного элемента в работе более чем одного узла, блока, ис­пользование одних и тех же данных или результатов измерений в разных задачах.

Перейдем к введению следующей важной группы понятий. До сих пор мы называли связью воздействия одного элемента (или группы элементов) на другой (группу). Ничто не мешает распространить понятие связи и на взаимодействие системы с"не-системой", т.е. с внешней средой. Следующий шаг в исследовании связей в системе состоит в выде­лении для данного элемента: а) всех тех воздействий, которые он испы­тывает со стороны других элементов и "не-системы"; б) воздействий, ко­торые он оказывает на другие элементы и "не-систему". Первую группу воздействий принято называть входами (воздействия "на элемент"), а вторую - выходами (воздействия "от элемента").

Введем понятия состояния и процесса в системе.

Ситуация при фиксированных значениях характеристик в системе, важных для це­лей рассмотрения, называется состоянием системы.

Процессом назовем набор состояний системы, соответствующий упоря­доченному непрерывному или дискретному изменению некоторого параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.

Для пояснения определения сразу же приведем пример.

Состояние автомата заряжания основного вооружения танка будем ха­рактеризовать положением его основного рабочего органа - досылателя. Сделаем серию фотографий досылателя, на которых он находится в разных точках пространства. Будет ли этот набор фотоснимков характеризовать какой-нибудь процесс? Без дополнительной информации это неизвестно. Если это последовательные во времени положения досылателя, то это - да (параметр процесса - время). Если же снимки сделаны наугад или переме­шаны, то соответствующий набор состояний не будет процессом.

Процесс движения (изменения) системы во времени называют динами­кой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, другие физические величины.


2.2 Принципы системного подхода

Принцип конечной цели: абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели.

Принцип единства: совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей (элементов).

Принцип связности: рассмотрение любой части совместно с ее связя­ми с окружением.

Принцип иерархии: полезно введение иерархии частей (элементов) и (или) их ранжирование.

Принцип функциональности: совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой.

Принцип развития: учет изменяемости системы, ее способности к развитию, расширению, замене частей, накапливанию информации.

Принцип децентрализации: сочетание в принимаемых решениях и уп­равлении централизации и децентрализации.

Принцип неопределенности: учет неопределенностей и случайностей в системе.

Рассмотрим введенные принципы более подробно.

Первый из них - принцип конечной цели - означает, что в целенаправленной системе все должно быть подчинено глобальной цели. Любая по­пытка изменения, совершенствования и управления в такой системе должна оцениваться с точки зрения того, помогает или мешает она достижению конечной цели.

Принцип единства предусматривает изучение системы во взаимодейс­твии с окружающей средой и выделение возмущающих факторов, а также изучение состава системы на основе выделения ее составных элементов, взаимодействие которых обеспечивает присущие системе в целом новые ка­чественные особенности.

Изучение военно-технических систем во взаимодействии с окружающей средой и выделение возмущающих факторов может быть сведено к определе­нию реакций от других систем (рис.1). Так для танка с позиции принципа единства требуется изучение условий его функционирования (климатичес­кие условия, время суток, дорожно-грунтовые условия и т.д.), взаимо­действия с другими системами (учет информации, поступаемой от команди­ра взвода; учет результатов действий других боевых машин) и возможного противодействия противника.


Д Е Й С Т В И Е

УСЛОВИЯ РЕАКЦИИ

Система Цель

П Р О Т И В О Д Е Й С Т В И Е


Рис.1. Изучение военно-технической системы во взаимодействии с окружающей средой

Принципы выделения составных элементов системы определяются объ­ектом и задачей исследования. В военно-техническом анализе при расс­мотрении системы в условиях операции целесообразно выделять действую­щее звено, представляющее собой компонент системы, непосредственно вы­полняющий задачу операции, и обеспечивающее звено - компонент, участ­вующий в операции с целью обеспечения функционирования системы. В сос­таве действующего звена можно выделить средство воздействия, непос­редственно решающее поставленную задачу, и средство доставки, которое доставляет средство воздействие в область непосредственного воздейс­твия по объекту.

Принцип иерархии акцентирует внимание на полезности отыскания или создания в системе иерархического (доминирующего) характера связей между элементами, подсистемами и целями.

Принцип функциональности утверждает, что любая структура тесно связана с функцией системы и ее частей, и исследовать (создавать) структуру необходимо после уяснения функций в системе.

Принцип функциональности предусматривает выяснение состава функ­ций и изучение внутренних связей и взаимодействия элементов системы.

При формулировании функций нужно придерживаться следующих правил.

1. Формулировка функций должна быть достаточно точной и иметь ло­гический смысл. Например, для вала в машине наиболее точно отражает его назначение формулировка: "передает крутящий момент".

2. Функция должна быть сформулирована достаточно абстрактно, для этого в названии функции должен быть минимум слов и не должно быть указаний на конкретное конструктивное исполнение.

3. Объекты действий (дополнения) в формулировке должны по возмож­ности быть "измеряемыми" понятиями, обозначать, например, усилие, тем­пературу, изгибающий или крутящий момент и т. д. В этом случае рядом с формулировкой функции указываются функционально обусловленные парамет­ры и характеристики. Например, для комплекса вооружения танка рядом с его функцией "поражать цели" следует указать такой параметр, как сред­нее время поражения цели.

Системный подход в военно-техническом анализе означает рассмотре­ние военно-технической системы, с одной стороны, как элемента более крупной системы, а с другой стороны, как системы, состоящей из ряда частей (элементов, подсистем). Функции можно рассматривать как отраже­ние взаимодействия различных частей и поэтому иерархия систем предпо­лагает иерархию функций. Задача анализа функций состоит не только в их определении, но и в построении иерархической структуры функций, показывающей их взаимосвязи и соподчиненности.

Функции, которыми обладает или должен обладать анализируемый объ­ект, как отдельная система, будем называть общесистемными. При опреде­лении этих функций внутренне строение объекта не затрагивается, т.е. объект рассматривается как "черный ящик" со своими "входами" и "выхо­дами".

Функции, которыми обладают или должны обладать элементы анализи­руемого объекта, будем называть внутрисистемными. Эти функции предоп­ределяются внутренним строением объекта.

Требования вышестоящей системы формулируют так называемые требуе­мые функции объекта. Чтобы выявить все требуемые функции, необходимо рассмотреть возможные режимы функционирования объекта, так как в каж­дом режиме функционирования обнаруживается свой состав необходимых функций. Кроме того, на протяжении жизненного цикла изделие может пе­реходить из одной вышестоящей системы в другую. Состав требуемых функ­ций должен отвечать требованиям всех этих систем.

В отличие от требуемых функций существуют реальные функции, т.е. те действие, которые может выполнять объект в силу того, что он обла­дает определенными свойствами.

Таким образом, принцип функциональности предполагает совершенно новый подход к описанию систем. При обычном предметном подходе специа­листы анализируют конкретные объекты и ищут пути повышения их эффек­тивности; при функциональном подходе специалисты концентрируют свое внимание не на конкретной конструкции, а на функциях, которые должен выполнять объект, определяя последовательно их необходимость, теорети­чески возможные варианты осуществления, практические реальные и, нако­нец, экономически эффективные варианты.

Принцип развития предусматривает изучение истории и перспективы развития системы, т.е. требует представления системы в непрерывном развитии. Каждая система проходит этапы разработки, создания, эксплуа­тации и последующего совершенствования на новом уровне. Поэтому для изучения систем необходимо знать, как возникла данная система, какие этапы совершенствования проходила в своем развитии, какой она стала в настоящее время и какие перспективы развития имеет в будущем.

Принцип децентрализации рекомендует, чтобы управляющие воздейс­твия и принимаемые решения исходили не только из одного центра (главенствующего элемента). Ситуация, когда все управление исходит из од­ного места, называется полной централизацией. Система с полной централизацией будет негиб­кой, неприспосабливающейся, не обладающей "внутренней активностью".

Принцип неопределенности утверждает, что мы можем иметь дело и с системой, в которой нам не все известно или понятно. Это может быть система с невыясненной структурой, с непредсказуемым ходом процессом, со значительной вероятностью отказов в работе элементов, с неизвестны­ми внешними воздействиями и др.

В свете изложенных принципов содержательное описание сложных объ­ектов природы, техники и общества как систем в общем случае должно от­ражать:

- цели и задачи исследования;

- место исследуемой системы в системе высшего порядка;

- характер взаимодействия исследуемой системы с внешней средой, форма и механизм этого взаимодействия;

- главные функции (свойства, цели, предназначения) исследуемой сис­темы;

- основные показатели функционирования системы;

- структуру системы и функциональное назначение элементов;

- содержание связей между элементами системы;

- структуру управления и организацию целенаправленного поведения системы;

- гипотезу о механизме функционирования системы;

- анализ функционирования и прогнозирование развития системы на ос­нове выявленных целей и задач системы и механизма ее функционирования.

Существует три основных уровня анализа системы: параметрический, морфологический и функциональный.

Параметрический анализ системы, являющийся исходным уровнем ана­лиза, состоит в описании системы в целом, ее признаков и внешних свя­зей. Например, параметрический анализ системы "основной танк" предпо­лагает описание боевых задач взвода, ее специфических черт, которые отличают танк от других боевых машин, обеспечивающих выполнение боевой задачи.

Морфологический анализ (морфология - наука о форме, строении) состоит в определении поэлементного состава системы и, главное, в отыскании и описании связей между элементами системы. Для системы "танковая дивизия" морфологическое описание заключается в определении количества частей, характера их взаимодействия в бою, в определении наличных технических средств, личного состава и их состояния.

Функциональный анализ позволяет установить функциональные связи элементов между собой, между элементами и центральным звеном системы в целом. Функциональное описание позволяет перейти к выявлению процесса функционирования системы в целом, к управлению выявленными связями, а, следовательно, к изменению параметров, характеризующих поведение системы.


2.3 Стадии исследования систем

В свете вышеизложенных основных понятий и принципов системного подхода рассмотрим программу исследования систем с целью поиска наи­лучшего способа управления этими системами.

В общем случае программа исследования систем с целью поиска наилучшего способа управ­ления этими системами может быть представлена в виде трех основных стадий исследования систем:

- формирование общих представлений о систе­ме;

- формирование углубленных представлений о системе;

- сопровождение системы.

В результате формирования общих представлений о системе должно быть отражено:

1. Место исследуемой системы в системе высшего порядка, взаимо­действие системы с внешней средой, форма и механизм этого взаимодейс­твия.

На этом этапе исследуются основные внешние воздействия на систему (входы) и воздействие системы на внешнюю среду (выходы). Определяются их тип (вещественные, энергетические, информационные), характер влияния внешней среды на систему и системы на внешнюю среду, основные показатели функционирования внешней среды и системы. Выявляются глав­ные функции (свойства, цели, предназначения, задачи) системы.

Фиксируются границы того, что считается системой, определяются элементы внешней среды, на которые направлены основные выходные воз­действия. Границы системы в известной мере определяют объект исследо­вания.

2. Основные части (подсистемы, элементы) системы и их функцио­нальное назначение.

На этом этапе происходит первое знакомство с внутренним строением системы, выявляется, из каких крупных частей она состоит и какую роль каждая часть играет в системе. Это этап - получение первичных сведений первичных сведений о структуре и характере связей между частями систе­мы. Такие сведения удобно представлять и изучать при помощи структур­ной схемы системы, где, например, выясняется наличие преимущественно последовательного или параллельного характера соединения частей, вза­имная или преимущественная односторонняя направленность воздействий между частями и т.п.

3. Основные процессы, происходящие в системе, их роли, условия осуществления; выявление стадийности, скачков, смен состояний и т.п. в функционировании системы; в системах с управлением - выделение основ­ных управляющих факторов.

Здесь изучается динамика важнейших изменений в системе, ход собы­тий в ней, вводятся параметры состояния, рассматриваются факторы, из­меняющие эти параметры, обеспечивающие течение процессов, а также ус­ловия начала и конца процессов и т.д. Изучаются, управляемы ли процес­сы и способствуют ли они осуществлению системой своих главных функций. Для управляемых систем уясняются основные управляющие воздействия, их тип, источник и степень влияния на систему.

Формирование углубленных представлений о системе должно обеспе­чить:

4.Выявление разветвленной структуры, иерархии, создание представ­лений о системе как о совокупности подсистем, связанных входами и вы­ходами.

5. Выявление всех элементов и связей, важных для целей рассмотре­ния. Ранжирование элементов и связей по их значимости.

Этапы 4 и 5 подводят итого общему, цельному изучению системы. Дальнейшие этапы уже рассматривают только ее отдельные стороны.

6. Учет изменений в системе.

На этом этапе исследуется медленное, как правило, нежелательное изменение свойств системы, которое принято называть "старением", а также возможность замены отдельных частей на новые, позволяющие не только противостоять старению, но и повысить качество системы по срав­нению с первоначальным состоянием. Такое совершенствование искусствен­ной системы принято называть развитием. К нему также относят улучшение характеристик элементов и подсистем, подключение новых элементов и подсистем, накопление информации с целью ее лучшего использования, а иногда и перестройку структуры, иерархии, связей.

7. Исследование функций и процессов в системе с целью управления ими. Введение управления и процедур принятия решения. Рассмотрение уп­равляющих воздействий как систем управления.

На данном этапе выясняется, где, когда и как (в каких точках системы, в какие моменты, в каких процессах, скачках, логических пере­ходах и т.д.) система управления воздействует на основную систему, насколько это эффективно, приемлемо и удобно реализуемо.

В процессе сопровождения системы осуществляется:

8.Накопление опыта работы с системой и уточнение сведений о сис­теме.

Данный этап можно охарактеризовать как опытную эксплуатацию на­ших знаний о системе. Достаточны и верны ли они? Это проверяется толь­ко работой с системой. Если выявлено несоответствие между предсказани­ем поведения системы и результатами ее функционирования, то должны быть пересмотрены наши представления, возможно, заново произведены анализ структуры и иерархии для нахождения недостающих или неверно оп­ределенных элементов и связей.

9. Оценка предельных возможностей системы. Исследование отказов, выходов из строя, отклонений от нормы.

Для эксплуатации системы важны сведения о ее работоспособности, потенциале, ресурсах, о возможных отказах, отклонениях, выходах из строя, незапланированных режимах, катастрофах. Работоспособность сис­темы проверяется ее постоянным или периодическим тестированием. Отказы и другие незапланированные (нетабельные) явления изучаются с точки зрения вероятности их возникновения, мер предупреждения и вариантов реагирования на них.


Случайные файлы

Файл
Organi vlasti.doc
5019.rtf
4972-1.rtf
2910-1.rtf
diplom.doc