Принципы анализа систем обобщенно выражают накопленный опыт создания систем предшествующих поколений и выполняют регулятивную роль по отношению к содержанию и структуре исследований сложных объектов. К общим принципам анализа систем относят принципы целостности, иерархии, ситуативности, смены оснований и аналогии структур.
Принцип целостности предполагает рассмотрение объекта как сложную систему взаимосвязанных и взаимодействующих процессов. Объективным источником целостности является концепция представления объекта в виде системы, а непосредственную основу целостности составляет коллектив исследователей проводящих исследования, поскольку именно он определяет, что конкретно и в каком объёме включается в процесс анализа, в каких пределах и форме осуществляются те или иные исследования и представляются их результаты. Принцип целостности предполагает выделение в анализе такого главного процесса, который выполняет системообразующую функцию и определяет направленность и содержание представления объекта (синтез) в виде системы. Другие процессы синтеза по отношению к главному процессу рассматриваются как вспомогательные (обеспечивающие).
Принцип иерархии неразрывно связан с принципом целостности и дополняет его. В соответствии с ним между процессами синтеза системы помимо отношения “целое-часть” устанавливаются отношения подчиненности “главный процесс - обеспечивающий процесс”. При этом в ходе реализации главного процесса синтеза определяются цели, данные по располагаемым ресурсам и условиям применения системы для проведения исследований в рамках обеспечивающих процессов. В свою очередь, в рамках обеспечивающих процессов обосновываются предложения по путям и средствам достижения поставленных целей в заданных ограничениях, которые затем используются при исследовании главного процесса синтеза.
Принцип ситуативности. В процессе синтеза представления об облике системы изменяются (уточняются) на основе последовательного рассмотрения её разных качественных сторон. Нарастает степень детализации и конкретность облика. Поэтому каждому временному сечению синтеза системы соответствует вполне определенная “ситуация”, образованная выбором главного процесса синтеза и обеспечивающих процессов.
Принцип смены оснований. Синтез системы включает исследования по вскрытию ее свойств и характеристик посредством анализа внешних и внутренних связей и последующего формирования облика посредством композиции функций, состава, структуры и составных частей. Принцип характеризует поочередное превращение в ходе синтеза одних факторов (свойств, состава, структуры и характеристик) системы, которые играли роль следствий других факторов (внешних и внутренних связей), в исходные формы их проявления, в причины. Такое изменение причинно-следственных отношений обусловливает поступательно-возвратный характер процесса синтеза системы.
Принцип аналогии структур предусматривает определенное совпадение структуры синтеза системы со структурой информационно-логических связей в исследованиях коллектива исследователей и их “похожесть” со структурой синтезируемой системы. На начальных стадиях формирования облика системы ее структура синтеза в большей мере определяется структурой исследований коллектива исследователей, установленной по образцу структур ранее созданных систем. На конечных стадиях структура синтеза в основных чертах повторяет структуру системы.
Принципы синтеза системы дают общие, первичные представления о свойствах и строении синтезируемой системы – абстрактной модели анализируемого объекта. Для реализации содержательного процесса построения системы помимо принципов синтеза используются понятия базовых элементов, содержание которых раскрывается в категориях анализа системы.
Категории анализа систем
Категории анализа систем, в общем случае, могут быть представлены двумя группами. Первая из них характеризует развертывание процесса анализа объекта в виде системы во времени и отражает узловые моменты в деятельности коллектива исследователей в ходе исследований. К первой группе категорий относятся циклы и этапы анализа системы. Вторая группа категорий характеризует содержание анализа системы, связанное с ее качественными сторонами, включает аспекты и уровни анализа.
Стадия анализа – условно выделяемая во времени часть синтеза системы, в пределах которой достигается объем представлений об ее свойствах, характеристиках и функционировании, достаточный для принятия решения об окончании разработки облика системы или о путях его дальнейшего продолжения. Процесс разработки облика системы включает стадии (см. рис. 1):
разработки концепции (замысла) создания системы;
синтеза системы при реализуемых в заданных ограничениях (“реальном“) достижимом облике основной подсистемы (подсистемы, осуществляющей главную функцию системы) и “идеальных“ (в принципе возможных) обликах подсистем, осуществляющих неосновные (обеспечивающие по отношению к главной) функции;
синтез системы при реализуемом в заданных ограничениях облике подсистемы, осуществляющей следующую по важности после главной функцию (функции) системы и “идеальных” обликах подсистем, осуществляющих другие обеспечивающие функции. И так далее в порядке убывания важности функций подсистем;
синтеза системы при реализуемом в заданных ограничениях ее облике в целом.
Достигнутый объем представлений об облике системы
Стадии анализа
начальная стадия
Промежуточные стадии
заключительная стадия
Система как “идеальная” целостная система
Система как совокупность “реальной ” основной подсистемы и “идеальных” неосновных подсистем
Система как совокупность “реальных” основной и неосновных подсистем
Система как “реальная” целостная система
Рис. 1. Стадии анализа систем
Категория “стадия” анализа системы является следствием принципов иерархии, ситуативности и аналогии структур и выражает преимущественную направленность исследований как в целом на синтез системы, так и на ту или иную группу ее свойств и характеристик. Каждая из ее стадий разделяется на этапы анализа.
Этап анализа – часть разработки облика системы в целом или стадии анализа, в границах которой достигается определенный уровень обоснованности фиксированной группы свойств и характеристик системы.
К этапам анализа относятся (см. рис. 2): постановка задачи разработки облика системы; разработка альтернативных вариантов облика или вариантов системы (её составных частей); оценка эффективности и выбор из альтернативных вариантов системы (её составных частей) предпочтительного; анализ устойчивости предпочтительного варианта системы (её составных частей) при изменении слабо формализуемых (не формализуемых) факторов, дополнительно подлежащих учету.
Важнейшим из этих этапов анализа является постановка задачи разработки облика системы (её составных частей), которая определяет весь ход последующих исследований и их результаты. Вследствие не до конца определенных целевых установок исследователям на системный анализ объекта, исходных данных, а также ряда других причин постановка задачи в процессе синтеза системы, как правило, подлежит уточнению.
Наиболее сложным в методологическом отношении является этап разработки альтернативных вариантов системы (её составных частей), поскольку исследования на данном этапе носят преимущественно творческий характер, сравнимый с изобретательской деятельностью и базирующийся, зачастую, на не строгих формальных методах.
На начальных стадиях системного анализа объекта на этапе выбора определяются несколько конкурирующих предпочтительных вариантов системы (её составных частей), поскольку преждевременный выбор только одного варианта закрывает путь другим и повышает риск создания не соответствующему облику объекта системы. Окончательный выбор предпочтительного варианта системы (её составных частей) производится на заключительной стадии ее синтеза, когда достигается максимально возможная степень обоснованности представлений об её облике, соответствующая облику объекта исследований.
Разработка облика системы всегда проводится в условиях неопределенности целей руководства, исходных данных, представлений об условиях применения системы и др. Кроме того, не всегда удается учесть в достаточной мере в постановке задачи синтеза и в математических моделях выбора и принятия решений все факторы, существенно влияющие на облик системы. Поэтому на завершающем этапе синтеза необходим анализ устойчивости предпочтительного варианта системы к изменяющимся слабо формализуемым (не формализуемым) факторам.
Последовательность этапов синтеза составляет цикл разработки облика системы. В ходе синтеза системы может осуществляться несколько циклов. Кроме того, внутри отдельных циклов также могут быть циклы меньшего масштаба.
Система обладает многими качественными сторонами. Каждая из них включает набор свойств и характеристик системы, проявляющихся в соответствующей среде. Поэтому при синтезе система рассматривается с различных точек зрения (аспектов). Каждому аспекту системы может быть поставлено в соответствие одноименный аспект анализа, в рамках которого исследуются связи, свойства и характеристики системы, выражающие данную её качественную сторону.
Основными аспектами анализа системы (см. рис. 3) являются функциональный, структурный и параметрический аспекты. Это обусловлено тем, что сущность функционирования объекта носит структурный характер, а строение его функционально. Поэтому функциональные и структурные свойства объекта количественно выражаются в свойствах и характеристиках системы.
В рамках функционального аспекта анализа проводится обоснование роли и места системы среди других систем, назначения, задач, способов решения задач, определяются функции и общий порядок (принципы) функционирования. Поскольку функции системы разделяются на внешние и внутренние, то и функциональный аспект анализа системы в соответствии с принципами целостности, иерархии и аналогии структур разделяется на внешнесистемный и внутрисистемный. Внешнесистемный аспект анализа системы по отношению к внутрисистемному играет целеполагающую и интегративную роль, поскольку определяет условия, применительно к которым должен обосновываться внутренний ее функциональный облик. Внутрисистемный аспект анализа системы по отношению к внешнесистемному имеет целесообразное значение, поскольку обоснованные в его рамках внутренние функции системы обеспечивают осуществление ею внешних функций.
Аспекты анализа
Взаимосвязи аспектов анализа
Функциональный
Структурный
Параметрический
Рис. 3. Аспекты анализа систем
Функциональный анализ системы является иерархическим, основанным на системе показателей эффективности. Для каждой подсистемы выделяются ее системные свойства (физические инварианты объекта), а по каждому инвариант – параметры. Значения параметров ПП, определяющих требуемые значения эффективности ЭП (частные показатели эффективности подсистем), рассматриваются на аспекте параметрического анализа в виде некоторых функционалов ФП от процессов , протекающих в подсистемах. Функция f (ПП) является целевой (глобальной) реакцией системы на входные воздействия.
Функциональный анализ системы характеризует происходящие процессы и способы получения выходных параметров, обеспечивающих ее эффективность в конкретных условиях при заданных входных воздействиях. Он формирует в соответствии с назначением системы внешние свойства взаимодействия со средой (надсистемой) и направления возможного их изменения при применении. В большинстве случаев функциональный анализ представляется совокупностью зависимостей, выражающих связи между переменными параметрами системы, характеризующих свойства подсистем и их взаимодействие. Характер функционирования определяется взаимодействием системы с внешней средой.
Физическими инвариантами системы являются показатели качества и эффективности объекта. Количественные значения таких инвариантов являются параметрами объекта. Получение заданных параметров обеспечивается на основе параметрического анализа протекающих в системе процессов: формированием команд управления, сбор, обобщение и анализ информации, выполнение команд элементами и т.д.
В ходе синтеза системы, в соответствии с принципом ситуативности, функциональный аспект анализа выполняет преимущественно роль главного процесса. С него начинается и им заканчивается синтез системы.
Структурный аспект анализа системы является результатом реализации принципов целостности, иерархии и аналогии структур и посвящен обоснованию состава системы, совокупности её внешних и внутренних связей, порядка и содержания взаимодействия составных частей синтеза системы. Он направлен на определение состава системы, совокупности ее внешних и внутренних связей, порядка и содержания взаимодействия составных частей. В общем случае один и тот же объект (система) при анализе может быть представлен разными структурами; при этом неопределенность на каждом уровне иерархии может быть раскрыта по-разному.
Структурный аспект анализа включает исследование:
состава элементов системы;
отношения элементов друг с другом и типами связей, реализующих эти отношения;
отношения элементов и самой системы с надсистемой и элементами внешней среды, типы реализуемых связей;
структурные свойства системы, возникающие в результате объединения элементов в единое целое – систему.
Система включает совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих составных частей. Обосновать её строение, определить характер и содержание взаимосвязей, свойства и характеристики составных частей и системы в целом сразу невозможно. Поэтому в соответствии с принципами целостности, иерархии и аналогии структур синтез системы подразделяется также на процессы, содержание которых раскрывает категория уровни анализа.
Внешние свойства системы проявляются при её взаимодействии с окружающими системами (в “среде”), сущность которых определяется внутренним строением системы. Свойства составных частей системы также проявляются в соответствующей им среде; их причина содержится в структуре более мелких составных частей. И так далее. Нарастающая степень детализации рассмотрения системы фиксируется в иерархических уровнях её описания. Этим уровням ставятся в соответствие уровни анализа системы (см. рис. 4). Самый верхний уровень является уровнем внешнесистемного анализа. Остальные – уровни внутрисистемного анализа. На уровне внешнесистемного анализа система рассматривается как целостная система без раскрытия её строения. На уровнях внутрисистемного анализа система рассматривается как совокупность взаимодействующих составных частей. Количество уровней внутрисистемного анализа определяется необходимой глубиной раскрытия строения объекта. Нижняя граница глубины анализа определяется тем уровнем, на котором условие известности и неизменности свойств элементов заканчивается, то есть они представляют законченные элементы с известными параметрами (характеристиками, свойствами и выполняемыми функциями (внутрь элементов описание не проникает)). Уровень внешнесистемного анализа обеспечивает обоснование свойств, характеристик и функционирования системы в целом, а также согласование свойств, характеристик и функционирования её составных частей, обоснование которых проводится на уровнях внутрисистемного анализа. С уровня внешнесистемного анализа начинается разработка облика системы, на этом уровне и завершается. В ходе синтеза системы в результате многократного перехода от уровня к уровню анализа, в соответствии с принципом смены оснований, постепенно достигается необходимое соответствие между свойствами системы, её строением и функционированием, между характеристиками составных частей и системы в целом.
Рис. 4. Метод системного анализа объекта (фрагмент)
Аспекты и уровни анализа “вкладываются“ друг в друга, поочередно выполняя роль главного процесса синтеза системы.
В ходе синтеза представление об облике системы изменяются. Охватывая эти подвижные представления, категории как формы синтеза упорядочивают содержание синтеза. Между категориями синтеза происходят взаимопереходы, проникновение друг в друга. Смена категорий синтеза вызывается исчерпанием возможностей количественного обоснования свойств, характеристик и функционирования системы в рамках данной формы синтеза и необходимостью их качественных изменений.
Определение характеристик системы, соответствующих выявленным в ходе функционального и структурного анализа ее свойствам, осуществляется в рамках параметрического аспекта анализа системы.
На практике хорошо прослеживается взаимосвязь между структурным и функциональным анализом системы. На рис. 5 приведена общая схема построения функциональной модели анализа системы на базе структурного описания. Работа по осуществлению функционального анализа системы обычно начинается с использованием семантического (смыслового) и логического описания порядка ее действий, назначения, цели и решаемых задач (шаги 1, 2) применительно к заданным критериям эффективности и условиям применения. При этом при разработке функциональной модели анализа, ее формализации и математизации используют частично известные формулы и зависимости (шаг 3), что отражено на рис. 5 стрелкой 3-4.
Рис. 5. Общая схема функционального анализа систем
На основе шагов 1-3 и исходного структурного представления системы формируется начальное функциональное описание (возможно, что тоже только словесное). Следующий шаг состоит в определении ограничений (шаг 5) на элементы и процессы в модели. Ограничения могут быть внешними (время, условия) и внутренними (ресурсы, возможности, стоимость). Ограничения определяются целью детализации и конкретизации исходного описания (обратная связь 6-4). Также обстоит дело с определением внешних характеристик (обратная связь 7-5). Определение показателей эффективности и достижения целей анализа (шаг 6) состоит не только в определении их наименования, но и методов их количественного или качественного получения с учетом внешних и внутренних ограничений. Формирование функционала эффективности (шаг 8), объединяющего все частные показатели по отдельным параметрам, тесно связано с формализацией функционального описания анализа (шаг 3). Оно сопровождается уточнением показателей (связь 8-6), а также детализацией и конкретизацией исходного описания (связь 8-4).
На основе обоснования функционала эффективности устанавливается функциональная зависимость между степенью достижения цели системой и факторами, которые на это влияют.
Информационный аспект анализа направлен на исследование внутреннего и внешнего информационного обмена между элементами системы, отражая неопределенность его состояний в конкретных условиях применения. Необходимость информационного аспекта обусловлена необходимостью уменьшения неопределенности в процессе исследования обмена информацией между элементами системы для достижения требуемого значения критерия эффективности.
При проведении информационного анализа решаются задачи:
оценка степени неопределенности представления системы при структурном и функциональном анализе;
отражение неполноты и несогласованности структурного и функционального описания системы;
описание и оценка уровня организации системы.
Задачи сравнительно просто решаются при использовании информационного описания в виде модели ошибок или допусков применительно к нормативным свойствам объекта исследования.
При проведении информационного анализа системы необходимо учитывать не только количество и особенности использования информации, но и ее качество. Располагая результатами структурного, функционального и параметрического анализа, можно приступить к формированию системного представления объекта, обобщенный алгоритм работы над которым приведен на рис. 6.
Рис. 6. Обобщенный алгоритм системного анализа объекта
В рамках каждого этапа синтеза системы декомпозиции по стадиям, аспектам и уровням анализа “вкладываются” друг в друга, попеременно выполняя иерархически главную роль. В то же время внутри каждого вида декомпозиции также может происходить смена иерархически главного аспекта (уровня, стадии, цикла, этапа). В результате такого сложного поступательно-возвратного движения по видам и внутри каждого вида декомпозиции образуется циклический итерационный процесс с нестационарной иерархической структурой, обеспечивающий постепенное обоснование свойств, характеристик и порядка функционирования системы и достижение в итоге представлений о её целесообразном облике.
Система как “идеальная” целостная система
Функциональный
Структурный
Параметрический
, протекающих в подсистемах. Функция f (ПП) является целевой (глобальной) реакцией системы на входные воздействия.
