Универсальная методика по проведению системного анализа отсутствует. Методика разрабатывается в тех случаях, когда у исследователя нет достаточной информации о системе, которые позволили бы формализовать процесс ее исследования, включающий постановку и решение рассматриваемой задачи. За основу при разработке методики можно взять этапы проведения любого научного исследования, однако специфической особенностью методики является необходимость основываться на понятии системы и использовать закономерности построения, функционирования и развития систем. При ее практическом применении, часто после выполнения того или иного этапа? возникает необходимость возвратиться к предыдущему, более раннему этапу, а иногда и повторить процедуру системного анализа полностью. Это проявление закономерности, которую можно учитывать введением правил, определяющих, в каких случаях необходим возврат к предыдущим этапам.
Общим для методик системного анализа является определение закона функционирования системы, формирование вариантов ее структуры (нескольких альтернативных алгоритмов, реализующих заданный закон функционирования) и выбор наилучшего варианта, осуществляемого решением задач декомпозиции, анализа и синтеза системы. Основой построения методики анализа и синтеза систем является соблюдение принципов системного анализа – некоторых положений общего характера, являющимися обобщением опыта работы исследователей со сложными системами.
Общий подход к решению задач в соответствии с теорией циклов может быть представлен в виде цикла, приведенного на рис. 1. При этом в процессе функционирования реальной системы выявляется задача практики – противоречие, как несоответствие существующего положения дел требуемому. Для решения задачи проводится системное исследование (декомпозиция, анализ и синтез) системы, разрешающее задачу. В ходе синтеза осуществляется оценка анализируемой и синтезируемой систем. Реализация синтезированной системы в виде предлагаемой физической системы позволяет провести оценку степени разрешения задачи практики и принять решение на функционирование модернизированной (новой) реальной системы.
Рис. 3. Общий подход к решению задач
При таком представлении становится очевидным еще один аспект определения системы – система есть средство решения задач.
Основные задачи системного анализа могут быть представлены в виде трехуровневого дерева функций (рис. 2).
Рис. 2. Дерево функций системного анализа
На этапе декомпозиции, обеспечивающем общее представление системы, осуществляются:
– определение и структуризация общей цели исследования и основной функции системы как ограничение траектории в пространстве ее состояний или в области допустимых ситуаций. Наиболее часто декомпозиция проводится построением дерева целей и дерева функций;
– выделение системы из среды (разделение на систему и внешнюю среду) по критерию участия каждого элемента в процессе, приводящем к результату на основе рассмотрения системы как составной части надсистемы;
– описание воздействующих на систему факторов;
– описание тенденций развития, неопределенностей разного рода;
– описание системы как «черного ящика»;
– функциональная (по функциям), компонентная (по виду элементов) и структурная (по виду отношений между элементами) декомпозиции системы.
Глубина декомпозиции системы является ограниченной, она прекращается при изменении уровня абстракции – представления элемента как подсистему. Если при декомпозиции выясняется, что модель описывает внутренний алгоритм функционирования элемента вместо закона его функционирования в виде «черного ящика», то в этом случае произошло изменение уровня абстракции. Это означает выход за пределы цели исследования системы, обусловливающее прекращение декомпозиции. В методиках типичной является декомпозиция модели на глубину 5-6 уровней, связанной с глубиной декомпозиции одной из подсистем. Функции, которые требуют такого уровня детализации, важны, так как их детальное описание обеспечивает нахождение решения для эффективной работы всей системы.
Задача проведения декомпозиции состоит в том, что в сложных системах отсутствует однозначное соответствие между законом функционирования подсистем и алгоритмом его реализации. Поэтому проводится формирование нескольких вариантов (или одного варианта, если система отображена в виде иерархической структуры) декомпозиции системы.
Выделяют некоторые наиболее часто применяемые стратегии декомпозиции:
– функциональная декомпозиция – базируется на анализе функций системы на основании постановки вопроса что делает система, независимо от того, как она работает. Основанием разбиения на функциональные подсистемы служит общность функций, выполняемых группами элементов;
– декомпозиция по жизненному циклу (признак выделения подсистем) – изменение закона функционирования подсистем на разных этапах цикла функционирования системы «от рождения до гибели». Стратегия применяется в предположении что целью системы является оптимизация процессов и когда можно определить последовательные стадии преобразования входов в выходы;
– декомпозиция по физическому процессу (признак выделения подсистем) – на основе выделения шагов реализации алгоритма функционирования подсистемы, стадий смены состояний. Стратегия применяется, когда если целью модели является описание физического процесса функционирования подсистемы;
– декомпозиция по подсистемам (структурная декомпозиция) – выделение подсистем на основе установления сильной связи между элементами по одному из типов отношений (связей), существующих в системе (информационных, логических, иерархических, энергетических и т.п.). Для описания всей системы строится составная модель, объединяющая все отдельные модели.
На этапе анализа, обеспечивающем формирование детального представления системы, осуществляются:
– функционально-структурный анализ существующей системы, позволяющий сформулировать требования к создаваемой системе. Он включает уточнение состава и законов функционирования элементов, алгоритмов функционирования и взаимовлияний подсистем, разделение управляемых и неуправляемых характеристик, задание пространства состояний Z, задание параметрического пространства Т, в котором задано поведение системы, анализ целостности системы, формулирование требований к создаваемой системе;
– морфологический анализ – анализ взаимосвязи компонентов;
– генетический анализ – анализ предыстории, причин развития ситуации, имеющихся тенденций, построение прогнозов;
– анализ аналогов;
– анализ эффективности (по результативности, ресурсоемкости, оперативности). Он включает выбор шкалы измерения, формирование показателей эффективности, обоснование и формирование критериев эффективности, непосредственно оценивание и анализ полученных оценок;
– формирование требований к создаваемой системе, включая выбор критериев оценки и ограничений.
Этап синтеза системы, решающей задачу, представлен в виде упрощенной функциональной диаграммы на рис. 3 и включает:
– разработка модели требуемой системы (выбор математического аппарата, моделирование, оценка модели по критериям адекватности, простоты, соответствия между точностью и сложностью, баланса погрешностей, многовариантности реализаций, функциональной блочности построения);
– синтез альтернативных структур системы, разрешающих задачу;
– синтез параметров системы, разрешающих задачу;
– оценивание вариантов синтезированной системы (обоснование схемы оценивания, реализация модели, проведение эксперимента по оценке, обработка результатов оценивания, анализ результатов, выбор наилучшего варианта).
Рис. 3. Упрощенная функциональная диаграмма этапа синтеза системы
Оценка степени разрешения задачи проводится по завершению системного анализа. Наиболее сложными в исполнении являются этапы декомпозиции и анализа, что связано с высокой степенью неопределенности, которую необходимо преодолеть в процессе исследований.
Основные стадии процесса формирования общего и детального представления системы.
Формирование общего представления системы
Стадия 1. Выявление главных функций (свойств, целей, предназначения) системы. Формирование (выбор) основных предметных понятий, используемых в системе. На этой стадии осуществляется выявление (уяснение) основных выходов в системе, так как с этого начинается ее исследование. На основе определения тип выхода (материальный, энергетический, информационный) осуществляется его соотнесение к каким-либо физическим или другим понятиям (выход производства – продукция (какая?), выход системы управления – командная информация (для чего, в каком виде), выход автоматизированной информационной системы – сведения (о чем) и т.д.).
Стадия 2. Выявление основных функций и частей (модулей) в системе и исследование (понимание) единства этих частей в ее рамках. На этой стадии происходит изучение внутреннего содержания системы, выявляется состав крупных частей и их роль в системе. Это стадия получения первичной информации о структуре и характере основных связей. Такую информацию необходимо представлять и изучать при помощи структурных или объектно-ориентированных методов анализа систем, где, например, выясняется наличие преимущественно последовательного или параллельного характера соединения частей, взаимной или преимущественно односторонней направленности воздействий между частями и т.п. На стадии следует обратить внимание на так называемые системообразующие факторы, т.е. на связи взаимообусловленности, которые и делают систему системой.
Стадия 3. Выявление основных процессов в системе, их роли, условий осуществления; выявление стадийности, скачков, смен состояний в функционировании; в системах с управлением – выделение основных управляющих факторов. Здесь исследуется динамика важнейших изменений в системе, ход событий, вводятся параметры состояния, рассматриваются факторы, влияющие на эти параметры, обеспечивающие течение процессов, а также условия начала и конца процессов. Определяется, 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.
Стадия 4. Выявление основных элементов внешней среды, с которыми связана исследуемая система, и характера этих связей. На стадии решается ряд отдельных задач: исследуются основные внешние воздействия на систему (входы); определяются их тип (вещественные, энергетические, информационные), степень влияния на систему, основные характеристики; фиксируются границы того, что считается системой, определяются элементы внешней среды, на которые направлены основные выходные воздействия; осуществляется анализ эволюции системы, путь ее формирования (иногда это ведет к пониманию структуры и особенностей функционирования системы). В целом стадия позволяет уяснить главные функции системы, ее зависимость и уязвимость или относительную независимость во внешней среде.
Стадия 5. Выявление неопределенностей и случайностей определяющего их влияния на систему.
Стадия 6. Выявление разветвленной структуры, иерархии, формирование представлений о системе как о совокупности модулей, связанных входами-выходами. Стадией заканчивается формирование общих представлений о системе. Как правило, этого является достаточным для анализа системы. При необходимости детального ее исследования в целях глубокого изучения, улучшения функционирования и управления необходимо дальше в соответствии с теорией циклов углубленно исследовать и сформировать детальное представление системы.
Стадия 7. Выявление всех элементов и связей, важных для целей исследования, их отнесение к структуре иерархии в системе и ранжирование элементов и связей по их значимости.
Стадии 6 и 7 тесно связаны друг с другом, поэтому их анализ необходимо проводить совместно. Стадия 6 – это предел внутреннего познания системы для исследователя, оперирующего ею целиком. Более детальной информацией о системе (стадия 7) будет владеть только исследователь, отвечающий за ее отдельные части. Для не слишком сложного объекта уровень стадии 7 (знание системы целиком) достижим и для одного исследователя. Таким образом, хотя суть стадий 6 и 7 одна и та же, но в первой из них ограничиваемся тем объемом информации, которая доступна одному исследователю.
При углубленной детализации важно выделять существенные для рассмотрения элементы (модули) и связи, осекая все то, что не представляет интереса для целей исследований. Познание системы предполагает не всегда только отделение главного (основного) от вспомогательного (обеспечивающего), но также выделение дополнительного внимания более главному. Детализация также предполагает рассмотрение и 4 стадии (связь системы с внешней средой). На стадии 7 совокупность внешних связей считается проясненной настолько, что позволяет оперировать с доскональной информацией о системе.
Стадии 6 и 7 обеспечивают получение общего результата, цельного исследования системы. Дальнейшие же стадии рассматривают только ее отдельные стороны. Поэтому здесь необходимо уточнить системообразующие факторы, роль каждого элемента и каждой связи, понимание, почему они должны быть такими в аспекте единства системы.
Стадия 8. Учет изменений и неопределенностей в системе: а) исследуются медленное, обычно нежелательное изменение свойств системы, которое называют «старением», а также возможность замены отдельных частей (модулей) на новые, позволяющие противостоять старению и повысить качество системы по сравнению с первоначальным состоянием (улучшение характеристик модулей, подключение новых модулей, накопление информации для лучшего ее использования, а иногда и перестройку структуры, иерархии связей); б) основные неопределенности в стохастической системе исследованы на стадии 5. Однако недетерминированность, которая всегда присутствует в системе в условиях случайного характера входов и связей, требует исследования чувствительности (степень влияния изменения входов на изменение выходов) важнейших свойств (выходов) системы.
Стадия 9. Исследование функций и процессов в системе для управления ими на основе введения управления и процедур принятия решения, рассматривая управляющие воздействия как системы управления. Основные управляющие факторы были выяснены при рассмотрении стадии 3, но там это носило характер общей информации о системе. Для эффективного введения управлений или исследования их воздействия на функции системы и процессы в ней необходимо более глубокое знание системы, к которому возвращаемся после всестороннего рассмотрения системы. Возможность единообразного рассмотрения всех целенаправленных вмешательств в поведение системы позволяет судить уже не об отдельных управленческих актах, а о системе управления, которая тесно переплетается с основной системой, но четко выделяется в функциональном отношении.
На данной стадии выясняется, где, когда и как (в каких точках системы, в какие моменты, в каких процессах, скачках, выборах из совокупности, логических переходах и т.д.) система управления воздействует на основную систему, насколько это эффективно, приемлемо и удобно реализуемо. При введении управлений в системе исследуются варианты перевода входов и постоянных параметров в управляемые, определены допустимые пределы управления и способы их реализации.
Стадии 6-9 направлены на углубленное исследование системы. Далее идет специфическая стадия моделирования, основанная на создании математической модели для полного изучения системы.
Вопросы для контроля
1. Определение системы на основе теоретико-множественного подхода.
2. Определение системы на основе семантической модели.
3. Анализ аксиом построения моделей системы.
4. Алгоритмическое представление структуры системного анализа объектов.
5. Задачи и стратегии декомпозиция системы.
6. Задачи системного анализа в процессе создания систем.
7. Задачи системного синтеза в процессе создания систем.
8. Стадии процесс формирования общего и детального представления системы.
