Понятия и определения системотехники

Система– комплекс взаимосвязанных элементов, объединенных общей целью функционирования и имеющих связь с внешней системой (суперсистемой). Элементсистемы может быть представлен и как объект и как процесс. Классификация процессов может быть представлена в следующем виде (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Классификация процессов

 

Связи между элементами в наиболее общей классификации делятся на три группы:

- вещественные (от чисто силовых – кинематических до преобразований свойств или формы деталей);

- энергетические (электрические, магнитные, гидравлические и пр.);

- информационные (прямые, обратные, положительные, отрицательные).

Цель системы – это то, ради чего создается и эксплуатируется система. Отношение цель-средство отражает процесс синтеза, при котором, исходя из поставленной цепи, можно найти средства для ее воплощения.

Большая часть систем является многоцелевыми. Например, целями производственной системы является выпуск продукции: 1) определенной номенклатуры; 2) объема выпуска; 3) качества; 4) с определенными затратами; 5) в планируемый срок.

Достижения всех целей одновременно неосуществимо, т. к. выполнение, например, указанных целей требует привлечения различных средств и, как правило, разных критериев. Поэтому в системотехнике используют понятие дерева целей, т. е. выделяется главная цель, а остальные переводятся в разряд подцелей (рис. 1.3).

 

Рис. 1.3. Дерево целей

 

Структура системыопределяется элементами и связями. Таким образом, структура определяет каркас или основу системы. Изменения структуры, как по набору элементов, так и по связям может значительно изменить общие свойства системы. Поэтому различают проектирование или исследование систем в двух аспектах – структурном и параметрическом. Структурное проектирование наиболее сложное, т. к. менее формализовано, имеет большую ответственность и трудно прогнозируемый конечный результат.

Организацияотличается от структуры добавлением цели функционирования (создания) системы.

Таким образом, имеется определенная иерархия понятий (рис. 1.4).

 

Рис. 1.4. Взаимосвязь понятий

 

Организация отличается от структуры наличием цели, а система от организации – связями с внешней системой (суперсистемой).

Эмерджентность – одно из самых важных, сложных и трудно наблюдаемых системных свойств. Определяется тем, что свойства системы не являются суммой свойств отдельных её составляющих. Примером является надежность производственной системы, состоящей, из m однородных станков (рис. 1.5).

 

Рис. 1.5. Зависимость вероятности безотказной работы
производственной системы от числа станков

 

При превышении m = 3 надежность этой системы резко растет, т. к. система, включающая 4 и более станков, легче справляется с возникающими отклонениями, например, аварией оборудования.

Хорошей иллюстрацией свойства эмерджентности является пример, предложенный М. Арбибом. Пусть имеется некоторый цифровой автомат S, увеличивающий на 1 любое целое число, поступающее на его вход. При последовательном соединении двух автоматов в цепочку это свойство не изменяется. Если же соединить два таких автомата последовательно в кольцо, то в полученном агрегате обнаружится новое свойство: он генерирует возрастающие последовательности на выходах А и В, причем одна последовательность состоит из четных, а другая – из нечетных чисел. Другим ярким подтверждением свойства эмерджентности может служить пример из материаловедения. Известно, что тип кристаллической решетки (способ соединения атомов) определяет твердость материала. При этом твердость получаемого агрегата, состоящего из одинаковых элементов, может различаться в десятки раз (графит и алмаз).

Структурность (целостность и делимость системы)– одно из главных свойств, часто используемое в проектировании систем. Заключается в том, чтобы разделить систему на набор связанных более простых, удобных для анализа и проектирования частей (подсистем, блоков, задач). Деление (декомпозицию) в общем случае выполняют по вертикали (многоуровневые, иерархические системы) и горизонтали (рис. 1.6).

 

Рис. 1.6. Пример декомпозиции системы

 

В современных методиках типичной является декомпозиция системы на глубину 5 – 6 уровней. На каждом уровне обычно выделяют не более 5 – 10 частей, т.к. большее количество трудно воспринимается человеком одновременно.

Жизненный цикл системы включает ряд этапов (рис. 1.7):

 

Рис. 1.7. Жизненный цикл системы

 

Критерии– используются как при разработке системы, так и в процессе эксплуатации. Как правило, применяются следующие критерии:

1) максимальная прибыль;

2) минимальная себестоимость;

3) максимальная производительность;

4) минимальные приведенные затраты.

Наиболее часто используют первый и четвертый критерии. Важно учитывать, что достижение экстремального значения более чем одного критерия невозможно. Поэтому обычно один из критериев является главным, а остальные переводятся в разряд ограничений.

Классификация систем

По отношению к окружающей среде системы подразделяются на:

- открытые (есть обмен ресурсами с окружающей средой);

- закрытые (нет обмена ресурсами с окружающей средой).

По происхождению системы (элементов, связей, подсистем):

- искусственные (орудия, механизмы, машины, автоматы и т. д.);

- естественные (живые, неживые, социальные и т. д.);

- виртуальные (воображаемые и, хотя реально не существующие, но функционирующие так же, как и в случае, если бы они существовали);

- смешанные (экономические, организационные и т.д.).

По описанию переменных системы:

- с качественными переменными (имеющие лишь содержательное описание);

- с количественными переменными (имеющие дискретно или непрерывно описываемые количественным образом переменные);

- смешанного (количественно-качественного) описания.

По типу описания законов функционирования системы:

- типа "черный ящик" (неизвестен полностью закон функционирования системы; известны только входные и выходные сообщения);

- не параметризованные (закон не описан; описываем с помощью хотя бы неизвестных параметров; известны лишь некоторые априорные свойства закона);

- параметризованные (закон известен с точностью до параметров и его возможно отнести к некоторому классу зависимостей);

- типа «белый (прозрачный) ящик» (полностью известен закон).

По способу управления системой (в системе):

- управляемые извне системы (без обратной связи, регулируемые, управляемые структурно, информационно или функционально);

- управляемые изнутри (самоуправляемые или саморегулируемые – программно управляемые, регулируемые автоматически; адаптируемые – приспосабливаемые с помощью управляемых изменений состояний; самоорганизующиеся – изменяющие свою структуру наиболее оптимально);

- с комбинированным управлением (автоматические, полуавтоматические, автоматизированные, организационные).

Система называется большой, если её исследование или моделирование затруднено из-за большой размерности, т. е. множество состояний системы S имеет большую размерность. Большая система сводится к системе меньшей размерности использованием более мощных вычислительных средств (или ресурсов) либо разбиением задачи на ряд задач меньшей размерности (если это возможно).

Система называется сложной, если в ней не хватает ресурсов (главным образом, информационных) для эффективного описания (состояний, законов функционирования) и управления системой – определения, описания управляющих параметров или для принятия решений. В таких системах всегда должна быть подсистема принятия решения.

В сложных системах результат функционирования не может быть задан заранее, даже с некоторой вероятностной оценкой адекватности. Причины такой неопределенности – как внешние, так и внутренние, как в структуре, так и в описании функционирования, эволюции. Сложность этих систем обусловлена их сложным поведением. Сложность системы зависит от принятого уровня описания или изучения системы – макроскопического или микроскопического. Сложность системы может определяться не только большим количеством подсистем и сложной структурой, но и сложностью поведения.

Сложность системы может быть внешней и внутренней.

Внутренняя сложность определяется сложностью множества внутренних состояний, потенциально оцениваемых по проявлениям системы и сложности управления в системе.

Внешняя сложность определяется сложностью взаимоотношений с окружающей средой, сложностью управления системой, потенциально оцениваемых по обратным связям системы и среды.

Сложные системы бывают разных типов сложности:

- структурной или организационной (не хватает ресурсов для построения, описания, управления структурой);

- динамической или временной (не хватает ресурсов для описания динамики поведения системы и управления ее траекторией);

- информационной или информационно-логической, инфологической (не хватает ресурсов для информационного, информационно-логического описания системы);

- вычислительной или реализации, исследования (не хватает ресурсов для эффективного прогноза, расчетов параметров системы, или их проведение затруднено из-за нехватки ресурсов);

- алгоритмической или конструктивной (не хватает ресурсов для описания алгоритма функционирования или управления системой, для функционального описания системы);

- развития или эволюции, самоорганизации (не хватает ресурсов для устойчивого развития, самоорганизации).

Чем сложнее рассматриваемая система, тем более разнообразные и более сложные внутренние информационные процессы приходится актуализировать для того, чтобы была достигнута цель системы, т.е. система функционировала или развивалась.