Systemkoncept

Vi lever i en verden, der består af mange forskellige objekter, der har en række forskellige forskellige egenskaber og interagere med hinanden. For eksempel er objekterne i den omgivende verden planeter solsystem, som har forskellige egenskaber (masse, geometriske dimensioner osv.) og interagerer med Solen og hinanden i henhold til loven om universel gravitation.

Hver planet er en del af et større objekt - Solsystemet, som igen er en del af galaksen. Samtidig består hver planet af forskellige atomer kemiske elementer, som består af elementarpartikler. Således kan hver genstand faktisk bestå af en samling af andre objekter, dvs. danner et system.

Et vigtigt træk ved systemet er dets holistiske funktion. Et system er ikke et sæt af individuelle elementer, men en samling af indbyrdes forbundne elementer. For eksempel, Personlig computer er et system, der består af forskellige enheder, som er sammenkoblet både hardware (fysisk forbundet med hinanden) og funktionelt (udveksle information).

Definition 1

Et system er en samling af indbyrdes forbundne objekter, som kaldes systemelementer.

Note 1

Hvert system har sin egen struktur, som er karakteriseret ved elementernes sammensætning og egenskaber, deres relationer og forbindelser med hinanden. Systemet er i stand til at bevare sin integritet under indflydelse af forskellige eksterne faktorer og interne ændringer, så længe dens struktur forbliver uændret. Hvis systemets struktur ændres (for eksempel når et af dets elementer fjernes), kan det ophøre med at fungere som en enkelt helhed. Hvis du f.eks. fjerner en af ​​computerenhederne (for eksempel bundkortet), holder computeren op med at fungere, det vil sige, at den holder op med at fungere som et system.

Systemteoriens vigtigste bestemmelser dukkede op under undersøgelsen dynamiske systemer og deres funktionelle elementer. Et system er en gruppe af indbyrdes forbundne elementer, der virker sammen for at udføre en forudbestemt opgave. Ved hjælp af systemanalyse kan du bestemme det meste rigtige måder opfyldelse af den pålagte opgave, som sikrer maksimal tilfredsstillelse af de angivne krav.

De elementer, der danner grundlag for systemteori, skabes ikke gennem hypoteser, men opnås eksperimentelt. For at begynde at bygge et system skal du have generelle karakteristika teknologiske processer, som også er nødvendige ved oprettelse af matematisk formulerede kriterier, som en proces eller dens teoretiske beskrivelse skal opfylde. Modelleringsmetoden er en af ​​de vigtigste metoder til videnskabelig forskning og eksperimentering.

Systemtilgang

For at bygge modeller af objekter anvendes en systemtilgang, som er en metode til løsning af komplekse problemer. Denne metode er baseret på at betragte et objekt som et system, der fungerer i et bestemt miljø. Systemtilgang giver dig mulighed for at afsløre et objekts integritet, identificere og studere dets interne struktur samt forbindelser med det ydre miljø. I dette tilfælde er objektet en del af den virkelige verden, som isoleres og studeres i forbindelse med, at problemet løses ved at konstruere en model. Ved anvendelse af systemtilgang forudsættes derudover en konsistent overgang fra det generelle til det specifikke, som er baseret på hensyntagen til designmålet, og objektet overvejes ifm. miljø.

Et komplekst objekt kan opdeles i delsystemer, som er dele af objektet og opfylder følgende krav:

1. delsystem er en funktionelt uafhængig del af et objekt, der er forbundet med andre delsystemer og udveksler information og energi med dem;
2. hvert delsystem kan have funktioner eller egenskaber, der ikke falder sammen med egenskaberne for hele systemet;
3. hvert af undersystemerne kan opdeles ned til elementniveau.

Her forstås et element som et subsystem på lavere niveau, hvilken yderligere opdeling ikke synes hensigtsmæssig set i forhold til problemet, der løses.

Note 2

Systemet er således repræsenteret som et objekt bestående af et sæt af undersystemer, elementer og forbindelser til dets skabelse, forskning eller forbedring. I dette tilfælde kaldes den forstørrede repræsentation af systemet, som omfatter de vigtigste undersystemer og forbindelser mellem dem, makrostruktur, og detaljeret overvejelse indre struktur systemer ned til niveauet af elementer - mikrostruktur.

Begrebet et system forbindes normalt med begrebet et supersystem – et system af mere højt niveau, som omfatter det pågældende objekt, og funktionen af ​​ethvert system kan kun bestemmes gennem supersystemet. Også vigtigt er begrebet miljø - et sæt af objekter i den ydre verden, der i væsentlig grad påvirker systemets effektivitet, men som ikke er en del af systemet og dets supersystem.

I en systemtilgang til at bygge modeller anvendes begrebet infrastruktur, som beskriver systemets forhold til dets miljø (miljø).

At isolere, beskrive og studere et objekts egenskaber, der er essentielle for en specifik opgave, kaldes objektstratificering.

Med en systemtilgang til modellering er det vigtigt at bestemme strukturen af ​​systemet, som er defineret som et sæt af forbindelser mellem systemelementer, der afspejler deres interaktion.

Der er strukturelle og funktionel tilgang til modellering.

På strukturel tilgang sammensætningen af ​​de udvalgte elementer i systemet og forbindelserne mellem dem bestemmes. Sættet af elementer og forbindelser udgør strukturen af ​​systemet. Typisk bruges en topologisk beskrivelse til at beskrive strukturen, hvilket gør det muligt at identificere systemets komponenter og bestemme deres sammenhænge ved hjælp af grafer.

Mindre almindeligt anvendt er en funktionsbeskrivelse, som tager højde for individuelle funktioner - algoritmer for systemadfærd. I dette tilfælde implementeres en funktionel tilgang, som definerer de funktioner, som systemet udfører.

Med en systemtilgang er forskellige sekvenser af modeludvikling mulige baseret på to hoveddesignstadier: makrodesign og mikrodesign. På makrodesignstadiet opbygges en model af det ydre miljø, ressourcer og begrænsninger identificeres, en systemmodel og kriterier for vurdering af tilstrækkelighed udvælges.

Mikrodesignstadiet afhænger af den valgte modeltype. Denne fase involverer skabelsen af ​​informations-, matematiske, tekniske eller softwaremodelleringssystemer. Ved mikrodesign er det grundlæggende specifikationer oprettet model, estimere den tid det tager at arbejde med den og omkostningerne ved ressourcer for at opnå den nødvendige kvalitet af modellen.

Når man bygger en model, uanset dens type, er det nødvendigt at overholde principperne for en systematisk tilgang:

1. bevæger sig konsekvent gennem stadierne for at skabe en model;
2. koordinere information, ressource, pålidelighed og andre egenskaber;
3. korrekt korrelere forskellige niveauer af modelkonstruktion;
4. overholde integriteten af ​​de enkelte faser af modeldesign.

Statiske informationsmodeller

Ethvert system fortsætter med at eksistere i rum og tid. På forskellige tidspunkter er systemet bestemt af dets tilstand, som beskriver sammensætningen af ​​elementerne, værdierne af deres egenskaber, størrelsen og arten af ​​samspillet mellem elementerne osv.

For eksempel beskrives solsystemets tilstand på bestemte tidspunkter af sammensætningen af ​​de objekter, der er inkluderet i det (Solen, planeter osv.), deres egenskaber (størrelse, position i rummet osv.), størrelsen og arten af ​​deres interaktion (tyngdekraft, elektromagnetiske bølger osv.).

Modeller, der beskriver et systems tilstand på et bestemt tidspunkt, kaldes statiske informationsmodeller.

For eksempel i fysik er statiske informationsmodeller modeller, der beskriver simple mekanismer, i biologi - modeller af strukturen af ​​planter og dyr, i kemi - modeller af strukturen af ​​molekyler og krystalgitre etc.

Dynamiske informationsmodeller

Systemet kan ændre sig over tid, dvs. der er en forandringsproces og udvikling af systemet. For eksempel, når planeterne bevæger sig, ændres deres position i forhold til Solen og indbyrdes; ændringer kemisk sammensætning Sol, stråling mv.

Modeller, der beskriver forandrings- og udviklingsprocesser af systemer, kaldes dynamiske informationsmodeller.

For eksempel i fysik beskriver dynamiske informationsmodeller kroppes bevægelse; i kemi, passageprocesserne kemiske reaktioner, i biologi - udvikling af organismer eller dyrearter mv.

Klassisk tilgang til modelbygning- tilgangen til at studere relationerne mellem individuelle dele af modellen involverer at betragte dem som en afspejling af forbindelserne mellem individuelle delsystemer af objektet. Denne (klassiske) tilgang kan bruges til at skabe helt simple modeller.

At udvikle en model M baseret på den klassiske tilgang betyder således at opsummere individuelle komponenter til en enkelt model, hvor hver komponent løser sine egne problemer og isoleret fra andre dele af modellen. Derfor kan den klassiske tilgang bruges til at implementere relativt simple modeller, hvor det er muligt at adskille og gensidigt uafhængige overveje individuelle aspekter af et virkeligt objekts funktion.

To karakteristiske aspekter af den klassiske tilgang kan bemærkes:

Der er en bevægelse fra det særlige til det almene,

Den skabte model er dannet ved at opsummere dens individuelle komponenter og tager ikke højde for fremkomsten af ​​en ny systemisk effekt.

Systemtilgang- dette er et element i læren om de generelle naturudviklingslove og et af udtryk for den dialektiske lære.

Med en systematisk tilgang til modelleringssystemer er det nødvendigt først og fremmest klart at definere formålet med modelleringen. Da det er umuligt fuldstændigt at simulere et virkeligt fungerende system, oprettes en model (modelsystem eller andet system) til det aktuelle problem. I forhold til modelleringsproblematikker udspringer målet således af de påkrævede modelleringsopgaver, som gør, at man kan nærme sig udvælgelsen af ​​et kriterium og vurdere, hvilke elementer der vil indgå i den oprettede model M. Derfor er det nødvendigt at have et kriterium mhp. udvælgelse af individuelle elementer i den oprettede model.

Det er vigtigt for systemtilgangen at bestemme strukturen af ​​systemet - sættet af forbindelser mellem elementerne i systemet, hvilket afspejler deres interaktion.

Systemtilgangen giver os mulighed for at løse problemet med at bygge et komplekst system under hensyntagen til alle faktorer og muligheder, proportionalt med deres betydning, på alle stadier af at studere systemet S og opbygge modellen M.

Systemtilgangen betyder, at hvert system S er en integreret helhed, selv når det består af separate adskilte undersystemer. Grundlaget for systemtilgangen er således betragtningen af ​​systemet som en integreret helhed, og denne overvejelse under udviklingen begynder med det vigtigste - formuleringen af ​​formålet med driften.

Med en strukturel tilgang sammensætningen af ​​de udvalgte elementer i systemet S og forbindelserne mellem dem afsløres. Sættet af elementer og forbindelser mellem dem giver os mulighed for at bedømme systemets struktur. Sidstnævnte kan, afhængig af formålet med undersøgelsen, beskrives på forskellige hensynsniveauer. Mest generel beskrivelse struktur er en topologisk beskrivelse, der giver dig mulighed for at bestemme i det meste generelle begreber komponenter i systemet og velformaliserede på baggrund af grafteori.

Med en funktionel tilgang individuelle funktioner overvejes, det vil sige algoritmer for systemets adfærd, og der implementeres en funktionel tilgang, der evaluerer de funktioner, som systemet udfører, og en funktion forstås som en egenskab, der fører til opnåelse af et mål. Da en funktion afspejler en egenskab, og en egenskab afspejler samspillet mellem et system S og det ydre miljø E, kan egenskaberne udtrykkes i form af enten nogle karakteristika ved elementerne Si(j) og delsystemerne Si, - systemet, eller systemet S som helhed.

De vigtigste stadier af vurdering af komplekse systemer.

Scene 1. Fastlæggelse af formålet med vurderingen. I systemanalyse Der er to typer mål. Et kvalitativt mål er et mål, hvis opnåelse er udtrykt på en nominel skala eller på en ordensskala. Kvantitativ er et mål, hvis opnåelse er udtrykt i kvantitative skalaer.

Etape 2. Måling af egenskaber for et system, der anses for væsentlige til evalueringsformål. For at gøre dette vælges passende skalaer til måling af egenskaber, og alle undersøgte egenskaber ved systemer tildeles en vis værdi på disse skalaer.

Etape 3. Begrundelse af præferencer for kvalitetskriterier og ydeevnekriterier for systemer baseret på egenskaber målt på udvalgte skalaer.

Etape 4. Selve vurderingen. Alle undersøgte systemer, betragtet som alternativer, sammenlignes efter formulerede kriterier og rangordnes, udvælges og optimeres afhængigt af evalueringsformålene.

Ved modellering af systemer bruges to tilgange: klassisk (induktiv), som udviklede sig historisk først, og systemisk, som er blevet udviklet for nylig.

Klassisk tilgang. Historisk set var den klassiske tilgang til at studere et objekt og modellere et system den første, der dukkede op. Den klassiske tilgang til at syntetisere en systemmodel (M) er præsenteret i fig. 3. Det virkelige objekt, der skal modelleres, er opdelt i undersystemer, indledende data (D) til modellering udvælges, og mål (T) sættes, som afspejler individuelle aspekter af modelleringsprocessen. Baseret på et separat sæt kildedata er målet med at modellere et særskilt aspekt af systemets funktion sat; på basis af dette mål dannes en bestemt komponent (K) fremtidens model. Et sæt komponenter kombineres til en model.

At. komponenterne opsummeres, hver komponent løser sine egne problemer og er isoleret fra andre dele af modellen. Vi anvender kun tilgangen til simple systemer, hvor relationerne mellem komponenter kan ignoreres. To karakteristiske aspekter af den klassiske tilgang kan bemærkes:

1. der sker en bevægelse fra det særlige til det generelle, når man skaber en model;

2. den skabte model (systemet) er dannet ved at opsummere dens individuelle komponenter og tager ikke højde for fremkomsten af ​​en ny systemisk effekt.

Ris. 3. Klassisk tilgang til at konstruere et objekt og studere modellen

Systemtilgang – et metodisk koncept baseret på ønsket om at bygge komplet billede objektet, der undersøges, under hensyntagen til de elementer i objektet, der er vigtige for det problem, der skal løses, forbindelserne mellem dem og eksterne relationer med andre genstande og miljøet. Med den stigende kompleksitet af modellering af objekter opstod behovet for at observere dem fra et højere niveau. I dette tilfælde overvejer bygherren dette system som et eller andet undersystem af højere rang. For eksempel, hvis opgaven er at designe et overvågningssystem til et separat objekt, så må vi set fra en systemtilgang ikke glemme, at dette system er integreret del noget komplekst. Grundlaget for systemtilgangen er betragtningen af ​​systemet som en integreret helhed, og denne overvejelse under udviklingen begynder med det vigtigste - formuleringen af ​​formålet med driften. I fig. 4. Processen med at syntetisere en systemmodel baseret på en systemtilgang er konventionelt præsenteret. Det er vigtigt for systemtilgangen at bestemme strukturen af ​​systemet - sættet af forbindelser mellem elementerne i systemet, hvilket afspejler deres interaktion.

Ris. 4. Systematisk tilgang til at konstruere et objekt og studere modellen

Der er strukturelle og funktionelle tilgange til at studere strukturen af ​​et system og dets egenskaber. Med en strukturel tilgang afsløres sammensætningen af ​​de udvalgte elementer i systemet og sammenhængene mellem dem. I den funktionelle tilgang overvejes algoritmer for systemets adfærd (funktioner er egenskaber, der fører til opnåelse af et mål).

Kontrolspørgsmål til afsnit 2

1. Hvad bestemmes under systemanalyseprocessen?

2. Hvad bestemmes i processen med systemsyntese?

3. Hvordan vurderes systemets effektivitet?

4. Hvad menes med optimalt system?

5. Egenskaber iboende i et komplekst system og deres korte beskrivelse.

6. Hvad er problemet med at vælge detaljeringsgrad på modeller?

7. Angiv de vigtigste stadier af systemmodellering.

I øjeblikket er der i analyse og syntese af komplekse (store) systemer udviklet en systemtilgang, som adskiller sig fra den klassiske (eller induktive) tilgang. Klassisk tilgang undersøger systemet ved at bevæge sig fra det særlige til det generelle og syntetiserer (konstruerer) systemet ved at fusionere dets komponenter, udviklet separat. I modsætning hertil systemtilgang indebærer en konsekvent overgang fra det generelle til det specifikke, når hensynsgrundlaget er målet, og det undersøgte objekt adskilles fra omgivelserne.

Simuleringsobjekt. Specialister i design og drift af komplekse systemer beskæftiger sig med kontrolsystemer på forskellige niveauer, der har fælleseje- ønsket om at nå et eller andet mål. Vi vil tage højde for denne funktion i de følgende definitioner af systemet.

System eller objekt S- et målrettet sæt af indbyrdes forbundne elementer af enhver art.

Eksternt miljø E- et sæt elementer af enhver art, der eksisterer uden for systemet, og som påvirker systemet eller er under dets indflydelse.

Afhængig af formålet med undersøgelsen kan der overvejes forskellige forhold mellem selve objektet S og det ydre miljø E. Alt efter hvilket niveau observatøren befinder sig på, kan undersøgelsesobjektet således skelnes på forskellige måder og forskellige interaktioner af dette objekt med det ydre miljø kan finde sted.

Med udviklingen af ​​videnskab og teknologi bliver selve objektet hele tiden mere komplekst, og nu taler de om forskningsobjektet som et eller andet komplekst system, der består af forskellige komponenter forbundet med hinanden. Derfor betragter man systemtilgangen som grundlaget for at bygge store systemer og som grundlag for at skabe en metode til deres analyse og syntese, er det først og fremmest nødvendigt at definere selve begrebet en systemtilgang.

Systemtilgang- dette er et element i læren om de generelle naturudviklingslove og et af udtryk for den dialektiske lære. Med en systematisk tilgang til modelleringssystemer er det nødvendigt først og fremmest klart at definere formålet med modelleringen. Da det er umuligt fuldstændigt at simulere et virkeligt fungerende system (det originale system eller det første system), skabes en model (modelsystemet eller det andet system) for det aktuelle problem.

I forhold til modelleringsproblematikker udspringer målet således af de påkrævede modelleringsopgaver, som gør, at man kan nærme sig udvælgelsen af ​​et kriterium og vurdere, hvilke elementer der vil indgå i den oprettede model M. Derfor er det nødvendigt at have et kriterium mhp. udvælgelse af individuelle elementer i den oprettede model.

Tilgange til systemforskning. Det er vigtigt for systemtilgangen at bestemme systemstruktur- et sæt forbindelser mellem elementer i systemet, der afspejler deres interaktion. Struktur systemer kan studeres

1. udefra ud fra et synspunkt om sammensætningen af ​​individuelle delsystemer og forholdet mellem dem,

2. og indefra, når individuelle egenskaber analyseres, der gør det muligt for systemet at opnå et givent mål, altså når systemets funktioner studeres.

I overensstemmelse hermed er der skitseret en række tilgange til undersøgelsen af ​​et systems opbygning med dets egenskaber, som først og fremmest bør omfatte strukturel tilgang Og funktionel tilgang.

På strukturel tilgang sammensætningen af ​​de udvalgte elementer i systemet S og forbindelserne mellem dem afsløres. Sættet af elementer og forbindelser mellem dem giver os mulighed for at bedømme systemets struktur. Sidstnævnte kan, afhængig af formålet med undersøgelsen, beskrives på forskellige hensynsniveauer. Den mest generelle beskrivelse af strukturen er en topologisk beskrivelse, som giver mulighed for at definere de bestanddele af systemet i de mest generelle vendinger og er velformaliseret på baggrund af grafteori.

Mindre almindeligt er funktionsbeskrivelse, når individuelle funktioner overvejes, dvs. systemadfærdsalgoritmer, og implementeres funktionel tilgang, som vurderer de funktioner, som systemet udfører, hvorved en funktion forstås som en egenskab, der fører til opnåelse af et mål. Da en funktion viser en egenskab, og en egenskab afspejler samspillet mellem systemet S og det ydre miljø E, kan egenskaberne udtrykkes i form af enten nogle karakteristika ved systemets elementer og delsystemer, eller systemet S som en hel. Hvis der er en eller anden sammenligningsstandard, kan du indtaste kvantitative og kvalitative karakteristika ved systemer. For en kvantitativ egenskab indtastes tal, der udtrykker forholdet mellem denne egenskab og standarden. Kvalitative egenskaber systemer findes for eksempel ved hjælp af metoden med ekspertvurderinger.

Manifestationen af ​​systemfunktioner i tiden S(t), dvs. systemets funktion, betyder overgangen af ​​systemet fra en tilstand til en anden, dvs. bevægelse i tilstandsrummet Z.

Systemtilgangen blev brugt i systemudvikling på grund af behovet for at studere store virkelige systemer, når utilstrækkeligheden og nogle gange fejlagtigheden i at træffe bestemte beslutninger påvirkede. Fremkomsten af ​​en systemtilgang var påvirket af den stigende mængde indledende data under udviklingen, behovet for at tage højde for komplekse stokastiske forhold i systemet og påvirkningerne fra det ydre miljø E. Alt dette tvang forskerne til at studere et komplekst objekt, der ikke var i isolation, men i samspil med det ydre miljø, såvel som i forbindelse med andre systemer af en slags metasystemer. Systemtilgangen giver os mulighed for at løse problemet med at bygge et komplekst system under hensyntagen til alle faktorer og muligheder, proportionalt med deres betydning, på alle stadier af at studere systemet S og opbygge modellen M.

Systemtilgangen betyder, at hvert system S er en integreret helhed, selv når det består af separate adskilte undersystemer. Grundlaget for systemtilgangen er således betragtningen af ​​systemet som en integreret helhed, og denne overvejelse under udviklingen begynder med det vigtigste - formuleringen af ​​formålet med driften.

Synteseprocessen af ​​M-modellen baseret på systemtilgangen præsenteres konventionelt i fig. b. Baseret på de indledende data D, som kendes fra analysen eksternt system, de begrænsninger, der pålægges systemet ovenfra eller baseret på mulighederne for dets implementering, og baseret på formålet med driften, formuleres de indledende krav T til systemmodellen S. Ud fra disse krav dannes cirka nogle delsystemer P, elementer E og den sværeste fase af syntesen udføres - valget I komponenter i systemet, for hvilke der anvendes særlige kriterier for valg af HF. Ved modellering er det nødvendigt at sikre maksimal effektivitet systemmodeller.

Effektivitet normalt defineret som en vis forskel mellem nogle indikatorer for værdien af ​​de opnåede resultater som et resultat af driften af ​​modellen og de omkostninger, der blev investeret i dens udvikling og skabelse.