Понятие системы и ее свойства. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА»

(ФГБОУ ВПО «РГУТиС»)

Факультет Сервиса

 

Кафедра информационных систем и технологий

УТВЕРЖДАЮ

Зам. председателя

Научно-методического совета,

проректор, д.с.н., профессор

_________________________Ананьева Т.Н.

КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ

Дисциплина __ ОПД.Ф.05 Теория информационных процессов и систем ________

для специальности _____ 230201 Информационные системы и технологии _______

 

Разработчик:

Ст. преподаватель Корнеева Е.В.

Конспекты лекций рассмотрены и одобрены на заседании кафедры информационных систем и технологий

 

протокол №___ от «__»_______ 2011 г.

Зав. кафедрой к.т.н. доцент Роганов А.А.

Конспекты лекций рассмотрены и одобрены на заседании научно-методической секции факультета Сервис

протокол №___ от «__»_______ 2011 г.

Декан к.т.н., доцент Сумзина Л.В.

 

Конспекты лекций рассмотрены и одобрены на заседании Научно-методического совета

протокол №___ от «__»_______ 2011 г.

Отдел мониторинга методического обеспечения образовательного процесса:

к.с.н. Маковская И.В.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Лекция 1. Определение дисциплины и основные понятия теории систем................................. 5

1.1. Цели и задачи дисциплины «Теория информационных процессов и систем»................ 5

1.2. Понятие системы и ее свойства............................................................................................. 5

1.3. Основные категории систем................................................................................................... 9

1.4. Типы шкал, фиксирующих процессы преобразования в системах.................................. 12

1.5. Жизненный цикл систем....................................................................................................... 14

Лекция 2. Свойства и возможности системы................................................................................ 18

2.1. Свойства системы.................................................................................................................. 18

2.2. Возможности системы........................................................................................................... 19

2.3. Обобщенный показатель качества системы........................................................................ 31

Лекция 3. Законы функционирования и методы управления системами.................................. 33

3.1. Законы теории систем........................................................................................................... 33

3.1.1. Общие законы теории систем........................................................................................ 33

3.1.2. Частные законы теории систем..................................................................................... 34

3.1.3. Закономерности функционирования систем............................................................... 36

3.2. Процессы в системе и управление системой...................................................................... 37

3.2.1. Переходные процессы в системах................................................................................ 37

3.2.2. Принцип обратной связи и устойчивость систем....................................................... 44

3.2.3. Управляемость системы................................................................................................. 46

3.2.4. Достижимость системы.................................................................................................. 46

3.3. Методы и принципы управления в системах..................................................................... 47

Лекция 4. Понятие информационной системы. Этапы развития информационных систем... 51

4.1. Понятие информационной системы.................................................................................... 51

4.2. Классификация информационных систем.......................................................................... 53

4.3. Этапы развития информационных систем......................................................................... 59

Лекция 5. Основы системного анализа.......................................................................................... 69

5.1. Системный анализ — подход к изучению систем............................................................. 69

5.2. Общие правила и алгоритмы анализа систем..................................................................... 70

5.3. Общие правила и алгоритмы синтеза систем..................................................................... 72

5.4. Обобщенный алгоритм анализа и синтеза систем............................................................. 75

5.5. Методы анализа и синтеза систем........................................................................................ 76

5.5.1. Классификация методов анализа и синтеза систем.................................................... 76

5.5.2. Информационный метод................................................................................................ 78

5.5.3. Математические методы................................................................................................ 78

5.5.4. Кибернетические методы............................................................................................... 79

5.5.5. Исследование систем по аналогии............................................................................... 80

5.5.6. Интуитивный метод....................................................................................................... 80

5.5.7. Проблемный метод......................................................................................................... 80

5.5.8. Комбинированный метод.............................................................................................. 82

5.6. Сущность, содержание и технология исследования в ходе системного анализа........... 82

Лекция 6. Уровни представления информационных систем....................................................... 84

6.1. Методы и модели описания систем..................................................................................... 84

6.2. Качественные методы описания систем............................................................................. 84

6.3. Количественные методы описания систем......................................................................... 89

Лекция 7. Базовые информационные процессы, их характеристика и модели......................... 94

7.1. Извлечение информации...................................................................................................... 94

7.2. Транспортирование информации...................................................................................... 103

7.3. Обработка информации...................................................................................................... 117

7.4. Хранение информации........................................................................................................ 126

7.5. Представление и использование информации................................................................. 144

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................. 148

Лекция 1. Определение дисциплины и основные понятия теории систем

 

1.1. Цели и задачи дисциплины «Теория информационных процессов и систем»

 

Цели и задачи дисциплины

 

Изучение принципов описания информационных систем, основных задач теории систем, основных приемов системного анализа с применением кибернетического подхода, количественных и качественных методов описания информационных систем, моделей информационных систем, методов канонического представления, синтеза и декомпозиции информационных систем, типов классификации информационных процессов и систем, приемов планирования эксперимента на основании необходимого состава априорных знаний о предметной области.

Изучение теоретических основ математической статистики средствами отечественных и зарубежных статистических пакетов для принятия решений в различных модулях информационных систем с целью статистического сопровождения интерпретированных данных.

Изучение основных принципов представления информации с использованием различных моделей информационных систем.

Формирование навыков применения теоретических положений дисциплины для решения практических инженерных задач.

 

Требования к уровню освоения содержания дисциплины

 

1) знать концептуальные основы информационных технологий представления данных, знаний; общие принципы построения информационных систем; основные подходы описания информационных процессов; основные принципы построения современных банков данных, экспертных систем, баз измерительных знаний, интеллектуальных измерительных средств и систем; знать методы описания и способы представления данных и знаний в информационных системах; особенности использования программных систем, программных продуктов; знать общие принципы построения различных метрических пространств, необходимых для принятия решений по интерпретации обработанной информации, решения задач оптимизации структур, типы информационных моделей знаний, основы логико-лингвистического и функционального описания семантических сетей;

2) уметь проектировать и использовать различные модели информационных систем с применением различных информационных технологий;

3) иметь представление об основных приемах анализа и синтеза информационных систем; иметь представление о тенденциях развития и применения современных информационных систем.

Понятие системы и ее свойства

 

Система — совокупность элементов и отношений между ними.

Система есть нечто целое:

S=Н(1,0),

где S — условное обозначение системы;

Н (1,0) — условное обозначение состояний системы;

1 — система обладает свойством целостности;

0 — система не обладает этим свойством.

 

Система есть организованное множество:

S=(ОРГ, М),

где ОРГ — оператор организации;

М — оператор множества.

 

Система есть множество вещей, свойств и отношений:

S=(m, n, r),

где m — вещи;

n — свойства;

r — отношения.

 

Система есть множество входов, выходов и состояний:

S=(е, ST, ВЕ, Е),

где е — элементы;

ST — структуры;

ВЕ — поведение;

Е — среда.

S=(Х, G, S, d, l),

где X — входы;

G — выходы;

S — состояния;

d — функции переходов;

l — функции выходов.

Система имеет генетическое (родовое) начало, условия су­ществования, обменные явления, развитие, функционирование и репродукцию:

S=(GN, KD, МВ, EV, FC, RP),

где GN — генетическое начало;

KD — условия существования;

МВ — обменные явления;

ЕV — развитие;

FC — функционирование;

RP — репродукция.

Система имеет свойства моделирования, связей, пересчиты­вания элементов, обучения, самоорганизации, возбуждения:

S=(F, SC, R, FL, FO, CO),

где F — моделирование;

SC — наличие связи;

R — пересчитывание;

FL — обучение;

FO — самоорганизация;

CO — возбуждение.

Система функционирует во времени, имеет входы и выходы, состояния, классы функций на входах и выходах, связи между выходами и входами:

S= (Т, X, G, S, W, V, l, m),

где Т — время;

X — входы;

G — выходы;

S — состояния;

W — классы функций на входе;

V — классы функций на выходе;

l, m — функциональные связи между выходом и входом.

Система учитывает цели, планы, ресурсы, исполнителей, процесс, помехи, контроль, управление, мотивацию, результат, эффективность:

S=(РL, SV, RQ, RI, ЕХ, РR, DТ, RG, М, R, ЕF),

где PL — цели;

SV — планы;

RQ — ресурсы;

RI — исполнители;

ЕХ — процесс;

РR — помехи;

DT — контроль;

RG — управление;

М — мотивация;

R — результат;

ЕF — эффективность.

Классифицируют системы в соответствии со следующими основными признаками:

· по виду отображаемого объекта — технические, биологические, социальные, экономические, комбинированные и др. Например, автомобиль — техническая система; человек — система биологическая; производственный коллектив — социаль­наясистема; производственное предприятие — экономическая система, включающая в качестве подсистем технические, социальные подсистемы и т. д.;

· по виду научного направления — математические, физи­ческие. Математическая модель предприятия — это математи­ческая система. Натурная модель предприятия — это система физическая;

· по виду формализованного аппарата — детерминирован­ные, статистические. Если в системе преобладают неслучайные процессы, явления, факторы, то говорят, что система детерминированная. Если процессы, протекающие в системе, зависят от факторов случайных и точно нельзя предсказать результат функционирования системы, то говорят, что система статистическая;

· по степени сложности — простые, сложные. Автомобиль — это сложная система. Он состоит из целого ряда подсистем, связанных между собой. В свою очередь, каждая подсистема состоит из элементов. Человек очень сложная система. Сложной системой является также и вселенная. Простые системы, как правило, состоят из одного или нескольких элементов, связанных простыми отношениями;

· по степени открытости —открытые, закрытые. Открытые системы, как правило, связаны с внешними системами верхнего, нижнего и смежного уровней. Эти системы организуются и функционируют с учетом внешних условий Экономическая система России — это открытая система. Экономическая система государства, имеющего эмбарго, является закрытой или же условно закрытой системой;

· по степени организованности — хорошо организованные, плохо организованные, самоорганизующиеся. Управляемая система, работающая без сбоев, — это система хорошо органи­зованная. Управление такой системой осуществляется внешним органом. Если внешнего органа управления нет и система сама определяет себе цели, задачи, реализует функции управления, то это система самоорганизующаяся.

· по виду деятельности — системы выработки и принятия решений; планирования деятельности и т. д.;

· по принадлежности к тем или иным системам управления — автоматические системы управления, автоматизированные системы управления. Например, техническая система регулирования подачи топлива в котлы ТЭЦ (при изменении температуры наружного воз­духа) является автоматической системой. Она функционирует без вмешательства человека. Автоматизированная система — система, в контур управления которой включен человек. Примером такой системы может быть транспортное средство;

· по структуре —системы последовательные, параллель­ные, линейные, кольцевые, звездные, шинные, иерархические, смешанные. Характерными примерами таких систем являются системы электроснабжения, автоматизированные информаци­онные системы, работающие в сетях и др.;

· по наличию обратной связи — разомкнутые, замкнутые. Разомкнутые системы не имеют обратной связи. Для таких систем действует принцип "что-то сделал и забыл". Например, экономиче­ская система, в которой не осуществляется анализ рынка. Эту си­стему можно классифицировать как разомкнутую, или же условно разомкнутую. Система, при выработке управляющих воздействий в которой учитывается состояние рынка, будет замкнутой;

· по расположению системы в иерархической структу­ре — системы верхнего уровня; нижнего уровня; смежные систе­мами. Если рассматривать в качестве экономической системы, например, отрасль, то можно выделить смежные предприятия, предприятия, выпускающие аналогичную продукцию, — смежные системы. Предприятия-поставщики в отрасли — системы нижнего уровня. Системы верхнего уровня — это министерства или управляющие компании;

· по важности выполняемых задач — основные; вспомо­гательные; обеспечивающие и резервные системы. Если пред­приятие рассматривать как совокупность систем (подсистем), _то основное производство — основная система, вспомогательное производство — вспомогательная система. Резервное производ­ство (такое может быть в ряде случаев) — резервная система;

· по наличию антагонистических противоречий целей — противоборствующие; конкурирующие; взаимодействующие с единой целью (действующие совместно); взаимодействующие с различными целями. Например, системы, участвующие в воору­женной борьбе или же в каких-либо экономических операциях, являются противоборствующими. Предприятия, принадле­жащие различным собственникам и выпускающие один и тот же вид продукции, являются, как правило, конкурирующими. Предприятия — поставщики материалов и комплектующих изделий на предприятие своей отрасли являются системами, взаимодействующими с единой целью. Если поставки осущест­вляются предприятиями различных отраслей, то цели могут быть различны;

· по уровню реализации функций управления системы могут быть управляющими и управляемыми. Управляющая компания в холдинге — это управляющая система. Все остальные предприятия, входящие в холдинг, — управляемые системы.

Основные категории систем

 

Понятие "система" содержит следующие категории:

Элемент — простейшая неделимая часть системы.

Подсистема — делимая часть системы. Эта часть может самостоятельно выполнять определенные функции.

Структура — расположение элементов или групп элементов системы и связи (взаимосвязи) между элементами, т. е. сово­купность функциональных элементов системы, объединенных связями.

Структуры системы бывают: случайными; произвольными; иерархическими; последовательными; параллельными; сме­шанными; с сильными связями; слабыми связями; линейными; кольцевыми; радиальными; шинными. Примеры некоторых структур приведены на рис. 1 (а-е). Структуры изображаются в виде теоретико-множественных описаний, матриц, графов и др.

 

Рис. 1.Возможные структуры систем:

а — последовательная структура; б — параллельная структура;в — шинная структура;

г — радиальная структура; д — иерархическая структура; е — кольцевая структура

 

Связь. Понятие "связь" входит в любое определение систе­мы наряду с понятием элемент. Связь обеспечивает возникновение и сохранение структуры и свойств системы. Связи между элементами системы могут быть физическими, информационными, мысленными, фиктивными. Связь может быть прямой и обратной.

Прямая связь предназначена для заданной функциональной передачи ресурсов.

Обратная связь выполняет в основном функции управления процессами.

Обратные связи могут быть положительными (усиливают результат первоначального воздействия) и отрицательными (ослабляют результат первоначального воздействия).

Среда — то, в чем функционирует система. Среда бывает двух видов: физическая и абстрактная.

Физическая среда включает пространство и время, в котором располагается система. Например, географическое расположение, температура, влажность, давление, партнеры, конкуренты и др.

Абстрактная среда включает правовую и законодательную среду существования системы, нравственную, моральную среду, традиции и нормы поведения в системе, рынок и нормы поведения в рыночных условиях. Например, в экономике средой предприятия являются партнеры, конкуренты, рынок, время года и др.

Параметры управления — совокупность условий, характеризующих режим работы системы. Для технической системы, гример автомобиля, параметрами управления являются угол поворота руля, положение педали газа и др. Для экономической темы одним из многих параметров управления является величина средств, выделяемых на каждую из статей бюджета.

Ограничения —условия и связи, сужающие область функционирования системы. Практически любая система функционирует в системе ограничений. Этими ограничениями могут быть:

— указания и распоряжение вышестоящего органа управления;

— предельные возможности объекта управления;

— возможности органа управления и т. д.

Преобразующий элемент системы — элемент, осущест­вляющий преобразование входа системы (с учетом обратной связи) с целью формирования выхода системы.

Изображение простейшей системы (вход, выход, обратная связь, преобразующий элемент, сравнивающие устройство, сре­да, параметры управления) приведено на рис. 2.

 

Рис. 2.Схема простейшей системы

 

Важнейшими понятиями теории систем является резуль­тат функционирования системы (показатель выхода системы), затраты. Под результатом понимается состояние, которое до­стигнуто в ходе функционирования системы.

Основными признаками классификации результата могут быть: вид объекта (реальный объект, информационный объект, объект сознания); физический смысл ощущения результата (тем­пература в холодильной системе, угол поворота в следящей системе, объем продаж в экономической системе и т. д.); время фиксации результата (текущий результат, результат конечный); фактор случайности проявления результата (детерминированный, слу­чайный, чисто случайный); степень и знак влияния результата на функционирование систем более высокого, низкого или смежного уровней (сильное и слабое влияние, положительное и отрицательное влияние); степень влияния на потенциал системы—отрицательный и положительный результат (прибыль и убытки в экономике).

Основным признаком классификации затрат может быть вид затрат (реальные, информационные, интеллектуальные). Реальные затраты — это затраты сил, средств и времени. Информационные затраты — объем и качество информации, не­обходимый для функционирования системы. Интеллектуальные затраты — величина интеллектуального потенциала, реализуемого при разработке и функционировании системы. Элементами системы могут быть:

— реальные объекты (вещество, энергия и др.), т. е. все то, что воспринимается или регистрируется с помощью специальной аппаратуры или органов чувств;

— информация — совокупность сведений о состоянии эле­ментов системы и системы в целом;

— объекты сознания (психика) — представления в сознании о поведении чего-либо.

Состояние элементов (статическое, динамическое, пере­ходное):

— вектор фактического состояния системы,

— вектор желаемого состояния системы;

— вектор условий;

— вектор управления системой;

Ограничения системы также характеризуются некоторой совокупностью параметров:

— вектор ограничений.

Система находится в статическом состоянии, если вектор фактического состояния системы равен вектору желаемого со­стояния, значения параметров, характеризующих вектор управ­ления, равны нулю, и значения производных от параметров, характеризующих вектор условий, также равны нулю.

Система находится в динамическом состоянии, если не­прерывно изменяются вектор фактического состояния, или вектор желаемого состояния, или вектор условий (или все вместе) и непрерывно вырабатывается вектор управления системой.

Система находится в переходном состоянии, если вектор желаемого состояния системы не равен вектору фактического состояния, изменился вектор условий и задано значение вектора управления системой.

Теория систем оперирует следующими основными поня­тиями:

1. Цель — желаемый результат, который может иметь место при функционировании системы.

Функция — совокупность задач, работ и мероприятий, вы­полняемых системой.

Задача — то, что необходимо сделать для достижения цели функционирования системы.

Работа — действие, связанное с затратами ресурсов: людских, материально-технических, финансовых средств и времени.

Мероприятие — совокупность действий, связанных с за­тратами ресурсов.

Событие — факт достижения пели или выполнения какой-либо задачи или какой-либо работы (мероприятия, функции, процесса).

Процесс — совокупность взаимосвязанных и взаимодей­ствующих видов деятельности, преобразующая входы в вы­ходы.

Проблема — различие между полученным результатом и тем, что хочется получить.

Несоответствие — различие между полученным резуль­татом и тем, что должно быть в соответствии с требованиями к процессу или системе.

Вариант функционирования — совокупность условий, па­раметров управления (работ, мероприятий), ограничений, при которых осуществляется функционирование системы.

2. Состояние — "срез" системы. Состояние системы харак­теризуется совокупностью параметров.

Поведение - — реакция системы на внешние воздействия и управления. Поведение системы характеризуется изменениями параметров системы во времени и пространстве.

Равновесие — равенство (условное) условий, возмущающих и стабилизирующих систему.

Устойчивость — сохранение параметров функционирования системы при не незапланированных воздействиях.

Развитие — улучшение показателей, характеризующих состояние системы (совершенствование системы).

Управляемость — способность системы изменять свое состояние.

3. Объект управления — элемент системы, воздействие на который приводит к изменению показателей ее функционирования, что в конечном итоге оказывает влияние на степень достижения системой в целом.

Орган управления — элемент системы, оказывающий воздействие на объект управления.

Переходный процесс — процесс перехода из начального в конечное состояние в результате управляющего воздействия, которое происходит в течение определенного времени, называемого лагом, или временем релаксации.

Лаг — задержка между моментами времени управляющего действия и перехода системы в конечное состояние. Известны вида лагов: сосредоточенный и распределенный. Сосредоточенный лаг равен времени между началом управляющего воздействия и временем получения конечного результата.

Распределенный лаг характеризует динамику переходного процесса из начального в конечное состояние системы.