Аналитические методы оптимизации

Аналитическими методами можно назвать методы, которые отображают реальные объекты и процессы в виде точек, совершающих какие-либо перемещения в пространстве или взаимодействующих между собой.

Волкова В. Н., Денисов А. А. Теория систем и системный анализ : учебник для вузов : /.— М. : Юрайт, 2010 .— 678 с

Класс «Специальные методы постепенной формализации задачи» включает такие методы, как:

- имитационное динамическое моделирование;

- ситуационное моделирование;

- структурно-лингвистическое моделирование;

- когнитивный подход;

- формализация моделей принятия решений;

- информационный подход к анализу систем.

Андрейчиков А. В., Андрейчикова О. Н. Системный анализ и синтез стратегических решений в инноватике. Математические, эвристические и интеллектуальные методы системного анализа и синтеза инноваций /.— Изд. 2-е .— М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2013 .— 304 с.

Одна из наиболее полных классификаций, базирующаяся на формализованном представлении систем, т.е. на математической основе, включает следующие методы:

- аналитические (методы как классической математики, так и математического программирования);

- статистические (математическая статистика, теория вероятностей, теория массового обслуживания);

- теоретико-множественные, логические, лингвистические, семиотические (рассматриваемые как разделы дискретной математики);

- графические (теория графов и пр.).

Классу плохо организованных систем соответствует в представленной классификации статистические представления. Для класса самоорганизующихся систем наиболее подходящими являются модели дискретной математики и графические модели, а также их комбинации.

Прикладные классификации ориентированы на экономико-математические методы и модели и в основном определяются функциональным набором задач, решаемых системой.

3.2 Этапы системного анализа

Основные этапы системного анализа по В.С. Симанкову [35] представлены в Приложение А рисунок А1 и А2. Представлены эти этапы в технологии IDEF0, которая будет изложена в разделе 4.

Схема системного анализа, ориентированного на интеграцию с когнитивными технологиями [35] представлена в Приложении А рисунок А3.

Этапы когнитивного анализа по В.И. Максимову и Е.К. Корноушенко [35] приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Этапы когнитивного анализа

Пример методики системного анализа системы

за основу взята методика, описанная в книге Качала В. В. Основы теории систем и системного анализа : /.— [2-е изд., испр.] .— М. : Горячая линия – Телеком, 2012 .— 210 с.

Предлагается следующий перечень процедур системного анализа, который может быть рекомендован специалистам по информационным системам.

1. Определить границы исследуемой системы. Выделить исследуемую систему из окружающей среды.

1.1 Определить объект исследования.

1.2 Цель, для реализации которой формируется система.

1.3 Субъект наблюдения («наблюдатель»), формирующий систему.

1.4 Входные и выходные переменные, отражающие взаимосвязь системы с окружающей средой.

2. Определить все надсистемы, в которые входит исследуемая система в качестве части.

2.1 Иерархичность. Любую систему можно представить в виде иерархического образования. Более высокий иерархический уровень объединяет элементы нижестоящего и оказывает на них направляющее воздействие.

2.2 Полисистемность. Любой объект окружающего мира принадлежит в качестве элемента одновременно многим системам и его следует изучать в качестве составной части многих систем.

2.3 Определить перечень заинтересованных лиц:

- заказчика, который ставит проблему, заказывает и оплачивает системный анализ,

- лица, принимающие решения, от полномочий которых непосредственно зависит решение проблемы,

- участников, как активных, т. е., тех, чьи действия потребуются при решении проблемы, так и пассивных — тех, на ком скажутся последствия решения проблемы (положительным или отрицательным образом),

- самого системного аналитика и его сотрудников, главным образом для того, чтобы предусмотреть возможность минимизации его влияния на остальных заинтересованных лиц – своеобразная мера безопасности.

Можно для наглядности построить таблицу

№п.п	Заинтересо-ванное лицо	В чем заинтересовано?	Какие изменения хотят внести?	Почему хотят внести?	Степень влияния

3. Определить основные черты и направления развития всех надсистем, которым принадлежит данная система, а в частности, сформулировать их цели и противоречия между ними.

Можно для наглядности построить таблицу.

4. Определить роль исследуемой системы в каждой надсистеме, рассматривая эту роль как средство достижения целей надсистемы.

Следует рассмотреть идеализированную, ожидаемую роль системы с точки зрения надсистемы, т.е. функции, которые следовало бы выполнять, чтобы реализовать цели надсистемы, и реальную роль системы в достижении целей надсистемы.

5. Выявить состав системы, т.е. определить части, из которых она состоит.

Изобразить схематично.

6. Определить структуру системы, представляющую собой совокупность связей между ее компонентами.

Изобразить схематично.

7. Определить функции активных элементов системы, их «вклад» в реализацию роли системы.

Принципиально важным является гармоническое, непротиворечивое сочетание функций разных элементов системы. Эта проблема особенно актуальна для подразделений, недостаточно подчиненных общему замыслу.

8. Выявить причины, объединяющие отдельные части в систему, в целостность.

Интегрирующие факторы. Исходным первичным интегрирующим фактором является цель. Цель в любой сфере деятельности представляет собой сложное сочетание различных противоречивых интересов. В пересечении подобных интересов, в своеобразной их комбинации заключается истинная цель. Всестороннее познание ее позволяет судить о степени устойчивости системы, о ее непротиворечивости, целостности, предвидеть характер ее дальнейшего развития.

9. Определить все возможные связи, коммуникации системы с внешней средой.

Необходимо познать такие системы во внешней среде, которым принадлежат компоненты исследуемой системы.

10. Рассмотреть исследуемую систему в динамике, в развитии.

Для глубокого понимания любой системы нельзя ограничиваться рассмотрением коротких промежутков времени ее существования и развития. Целесообразно по возможности исследовать всю ее историю, выявить причины, побудившие создать эту систему, определить иные системы, из которых она выросла и строилась. Также важно изучать не только историю системы или динамику ее нынешнего состояния, но и попытаться, используя специальные приемы, увидеть развитие системы в будущем, т.е. спрогнозировать ее будущее состояние, проблемы, возможности.

Целесообразно многократно возвращаться в ходе исследования к каждой из описанных процедур. Рассматривать ее влияние на остальные параметры.

?

Задание по третьему разделу

1. Определить методику системного анализа для исследования «своей» системы.

2. Провести системный анализ по заданным преподавателем параметрам, используя приведенную в разделе методику.

3. Составить сравнительную таблицу методов, использующихся в системном анализе, по следующим критериям, как показано в таблице 3.1

Таблица 3.1 – Характеристика методов, применяемых для системного анализа

Название метода	Описание метода	Плюсы метода	Минусы метода	Когда следует использовать этот метод? В сочетание с какими методами, группами методов?

ИФ

«Целое объясняется свойствами его составляющих»

Галилео Галилей.

4 МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ

Материалы раздела написаны на основе работы Черемных С.В., Семенов И.О., Ручкин В.С. Моделирование и анализ систем. IDEF-технологии: практикум. — М.: Финансы и статистика, 2006. — 188 с.

http://victor-safronov.narod.ru/systems-analysis/papers.html

В методологии системного анализа, как было рассмотрено выше, заложены два основных принципа:

– принцип детализации;

– принцип иерархического упорядочивания.

Понимание этих принципов, знание предметной области и общей логики научного анализа вполне достаточно для решения прикладных задач системного анализа.

Эти принципы воплощаются в разбиении исследуемого процесса на функциональные блоки – подпроцессы, а также декомпозиции требующих детализации подпроцессов. Эта детализация реализовывается в иерархических структурах. Это разбиение выполняется в графической форме по определенным правилам, которые известны для всех.

Рассмотрим графические формы представления процессов известными методологиями, которые также позволяют анализировать эти процессы:

- IDEF0–технология структурного анализа и проектирования. Согласно этой технологии анализируемый процесс представляется в виде совокупности множества взаимосвязанных действий, работ (Activities), которые взаимодействуют между собой на основе определенных правил (Control), с учетом потребляемых информационных, человеческих и производственных ресурсов (Mechanism), имеющих четко определенный вход (Input) и не менее четко определенный выход (Output);

- IDEF3–технология сбора данных, необходимых для проведения структурного анализа системы, дополняющая технологию IDEF0. С помощью этой технологии уточняется процесс, анализируется очередность выполнения функций и бизнес-процессов в целом, что не делается с помощью IDEF0. Логика технологии IDEF3 позволяет строить и анализировать альтернативные сценарии развития изучаемых бизнес-процессов (модели типа "Что – если"?);

- DFD (Data Flow Diagram) – структурный анализ потоков данных. Диаграммы DFD позволяют описать процесс обмена информацией между элементами изучаемой системы, что нельзя проанализировать с помощью технологий IDEF0 и IDEF3. DFD отображает источники и адресаты данных, идентифицирует процессы и группы данных, связывающие в потоки одну функцию с другой, а также, что важно, определяет накопители (хранилища) данных, которые используются в исследуемом процессе;

- IDEF5–технология онтологического описания данных. Методология IDEF5 обеспечивает наглядное представление данных, полученных в результате обработки онтологических запросов в простой естественной графической форме.

4.1 Методология функционального моделирования IDEF0

Методология функционального моделирования IDEF0 – это технология описания системы в целом как множества взаимозависимых действий или функций. Для исследования системы или процесса применяем функциональную направленность IDEF0 – функции системы исследуются независимо от объектов, которые обеспечивают их выполнение. Пример типовой диаграммы IDEF0 приведен в Приложении А, рисунок А4.

Технология IDEF0 применяется как технология исследования и проектирования систем на логическом уровне. Используется на ранних этапах разработки проекта, до IDEF3 моделирования для сбора данных и моделирования процесса "как есть". Результаты IDEF0 анализа могут применяться при проведении проектирования с использованием моделей IDEF3 и диаграмм потоков данных.

4.1.1 Синтаксис и семантика моделей IDEF0

Модели IDEF0.Графическая нотация IDEF0 лаконична, она содержит только два обозначения: блоки и стрелки со строгими и четко определенными рекомендациями, что служит для построения качественной и понятной модели системы, показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 – Два обозначения: блоки и стрелки

Первый шаг при построении модели IDEF0 заключается в определении назначения модели – набора вопросов, на которые должна отвечать модель. Например, для приведенной на рисунке А4 Приложения А модели: Какие действия надо совершить, чтобы провести индивидуальную работу со студентами?

Границы моделирования предназначены для обозначения ширины охвата предметной области и глубины детализации и являются логическим продолжением уже определенного назначения модели. Как читающий модель, так и непосредственно ее автор должны понимать степень детальности ответов на поставленные в назначении модели вопросы. Например, для осуществления индивидуальной работы со студентами куратора необходимо проводить кураторские часы, организовывать внеучебный досуг, определять проблемы студентов и помогать в их решении, тестировать и анкетировать студентов.

Следующим шагом указывается предполагаемая целевая аудитория, для нужд которой создается модель. Зачастую от выбора целевой аудитории зависит уровень детализации, с которым должна создаваться модель. В нашем случае целевая аудитория – кураторы студенческих групп.

Прежде чем строить модель надо собрать весь исходный материал о предмете моделирования, определить, какие дополнительные материалы и (или) техническая документация для понимания модели могут быть необходимы целевой аудитории, какие язык и стиль изложения являются наиболее подходящими.

Под точкой зрения понимается перспектива, с которой наблюдалась система при построении модели. Точка зрения выбирается таким образом, чтобы учесть уже обозначенные границы моделирования и назначение модели. Однажды выбранная точка зрения остается неизменной для всех элементов модели. При необходимости могут быть созданы другие модели, отображающие систему с других точек зрения. Вот несколько примеров точек зрения при построении моделей: студент, куратор, администрация, преподаватель.

Действия.Как было сказано выше, в графической нотации IDEF0 существуют два обозначения: блок и стрелки. В блоках описывается действие, которое называется функцией. Действие направлено на обработку или перевод входных параметров (сырье, информацию и т.п.) в выходные. Поскольку модели IDEF0 представляют систему как множество иерархических (вложенных) функций, в первую очередь должна быть определена функция, описывающая систему в целом – контекстная функция.

Функции изображаются на диаграммах как поименованные прямоугольники, или функциональные блоки. Имена функций в IDEF0 подбираются с использованием глаголов или отглагольных существительных. Именовать функции нужно кратко, точно, отражать процесс (или систему) с точки зрения выбранного персонажа.

Пример функционального блока приведен на рисунке А5 в Приложении А.

IDEF0 модель есть иерархическое множество вложенных блоков. Основной контекстный блок (рисунок А5 Приложение А) декомпозирован на составляющие его блоки на рисунке А4 Приложение А. «Декомпозицию часто ассоциируют с моделированием "сверху вниз", однако это не совсем верно. Функциональную декомпозицию корректнее определять как моделирование "снаружи вовнутрь", в котором мы рассматриваем систему наподобие луковицы, с которой последовательно снимаются слои» [29].

Границы и связи.Второе обозначение – стрелки имеют также конкретные назначения. Блоки помимо названия имеют описание, которое должно включать в себя описание того, что на входе и выходе, т.е. объектов, которые блок потребляет или преобразует ("вход") и создает в результате своей работы ("выход").

В IDEF0 также моделируются управление и механизмы исполнения. Под управлением понимаются объекты, воздействующие на способ, которым блок преобразует вход в выход. Механизм исполнения – объекты, которые непосредственно выполняют преобразование входа в выход, но не потребляются при этом сами по себе.

Для отображения категорий информации, присутствующих на диаграммах IDEF0, существует аббревиатура ICOM, отображающая четыре возможных типа стрелок:

- I (Input) – вход – нечто, что потребляется в ходе выполнения процесса;

- С (Control) – управление – ограничения и инструкции, влияющие на ход выполнения процесса;

- О (Output) – выход – нечто, являющееся результатом выполнения процесса;

- М (Mechanism) – исполняющий механизм – нечто, что используется для выполнения процесса, но не потребляется само по себе.

Рисунок 6 показывает четыре возможных типа стрелок в IDEF0, каждый из типов соединяется со своей стороной функционального блока.

Рисунок 6 – Типы стрелок и направления их соединения
со своей стороной функционального блока

Для названия стрелок, как правило, употребляются имена существительные. Описание стрелки может представлять собой профессии, законы, места, вещи, информацию или события. Как и в случае с функциональными блоками, присвоение имен всем стрелкам на диаграмме является только необходимым условием для понимания читателем сути изображенного. Отдельное описание каждой стрелки в текстовом виде может оказаться критическим фактором для построения точной и полезной модели.

Стрелки входа. Вход представляет собой сырье, или информацию, потребляемую или преобразуемую функциональным блоком для производства выхода. Стрелки входа всегда направлены в левую сторону прямоугольника, обозначающего в IDEF0 функциональный блок. Входные стрелки на диаграмме могут отсутствовать, так как возможно, что некоторые блоки ничего не преобразуют и не изменяют. Примером блока, не имеющего входа, может служить "принятие решения руководством", где для принятия решения анализируется несколько факторов, но ни один из них непосредственно не преобразуется и не потребляется в результате принятия какого-либо решения.

Стрелки управления. Стрелки управления отвечают за регулирование того, как и когда выполняется функциональный блок, и, если он выполняется, какой выход получается в результате его выполнения. Так как управление контролирует поведение функционального блока для обеспечения создания желаемого выхода, каждый функциональный блок должен иметь, как минимум, одну стрелку управления. Стрелки управления всегда входят в функциональный блок сверху.

Управление часто существует в виде правил, инструкций, законов, политики организации, набора необходимых процедур или стандартов. Влияя на работу блока, оно непосредственно не потребляется и не трансформируется в результате. Однако, может оказаться, что целью функционального блока является как раз изменение того или иного правила, инструкции, стандарта и т.п. В этом случае стрелка, содержащая соответствующую информацию, должна рассматриваться не как управление, а как вход функционального блока.

Управление можно рассматривать как специфический вид входа. В случаях, когда неясно, относить ли стрелку к входу или к управлению, предпочтительно относить ее к управлению до момента, пока неясность не будет разрешена.

Стрелки выхода. Выход – это продукция или информация, получаемая в результате работы функционального блока. Каждый блок должен иметь, как минимум, один выход. Действие, которое не производит никакого четко определяемого выхода, не должно моделироваться вообще (по меньшей мере, должно рассматриваться в качестве одного из первых кандидатов на исключение из модели).

При моделировании непроизводственных предметных областей выходами, как правило, являются данные, в каком-либо виде обрабатываемые функциональным блоком. В этом случае важно, чтобы названия стрелок входа и выхода были достаточно различимы по своему смыслу. Например, блок "Выявление проблем студентов" может иметь стрелку "Информация об успеваемости" как на входе, так и на выходе. В такой ситуации входящую стрелку можно назвать "Предварительная информация об успеваемости", а исходящую – "Корректированная информация об успеваемости".

Стрелки механизма исполнения. Механизмы являются ресурсом, который непосредственно исполняет моделируемое действие. С помощью механизмов исполнения могут моделироваться ключевой персонал, техника и (или) оборудование. Стрелки механизма исполнения могут отсутствовать в случае, если оказывается, что они не являются необходимыми для достижения поставленной цели моделирования.

Не смотря на то, что было отмечена возможность отсутствия стрелок входа и механизмов, желательно наличие всех четырех стрелок.

4.2 Диаграммы

На рисунке А4 Приложение А была представлена типовая диаграмма IDEF0 вместе с находящейся на ее полях служебной информацией. Служебная информация состоит из хорошо выделенных верхнего и нижнего колонтитулов (заголовка и "подвала"). Элементы заголовка используются для отслеживания процесса создания модели. Элементы "подвала" отображают наименование модели, к которой относится диаграмма, и показывают ее расположение относительно других диаграмм модели.

Все элементы заголовка диаграммы перечислены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Элементы заголовка диаграммы IDEF0

Поле	Назначение
USED AT	Используется для отражения внешних ссылок на данную диаграмму (заполняется на печатном документе вручную)
Author, date, project	Содержит ФИО автора диаграммы, дату создания, дату последнего внесения изменений, наименование проекта, в рамках которого она создавалась
Notes 1 ... 10	При ручном редактировании диаграмм пользователи могут зачеркивать цифру каждый раз, когда они вносят очередное исправление
Status	Статус отражает состояние разработки или утверждения данной диаграммы. Это поле используется для реализации формального процесса публикации с шагами пересмотра и утверждения
Working	Новая диаграмма, глобальные изменения или новый автор для существующей диаграммы
	Продолжение Таблицы 4.1
Поле	Назначение
Draft	Диаграмма достигла некоторого приемлемого для читателей уровня и готова для представления на утверждение
Recommended	Диаграмма одобрена и утверждена. Какие-либо изменения не предвидятся
Publication	Диаграмма готова для окончательной печати и публикации
Reader	ФИО читателя
Date	Дата знакомства читателя с диаграммой
Context	Набросок расположения функциональных блоков на родительской диаграмме, на котором подсвечен декомпозируемый данной диаграммой блок. Для диаграммы самого верхнего уровня (контекстной диаграммы) в поле помещается контекст ТОР

Все элементы «подвала» диаграммы перечислены в табл. 4.2

Таблица 4.2. Элементы «подвала» диаграммы IDEF0

Поле	Назначение
Node	Номер диаграммы, совпадающий с номером родительского функционального блока
Title	Имя родительского функционального блока
Number (еще называют С-Number)	Уникальный идентификатор данной версии данной диаграммы. Таким образом, каждая новая версия данной диаграммы будет иметь новое значение в этом поле. Как правило, C-Number состоит из инициалов автора (которые предполагаются уникальными среди всех аналитиков проекта) и последовательного уникального идентификатора, например SDO005. При публикации эти номера могут быть заменены стандартными номерами страниц. Если диаграмма замещает другую диаграмму, номер заменяемой диаграммы может быгь заключен в скобки – SDO005 (SDO004). Это обеспечивает хранение истории изменений всех диаграмм модели

4.3 Построение моделей

Прежде чем приступить к созданию модели необходимо определить целесообразность этого построения.

!	Выбранное определение цели моделирования должно отвечать на следующие вопросы: - Почему моделируется именно этот процесс? - Что позволит выявить модель? - Какая реакция может последовать при анализе этой модели? - Как могут быть применимы результаты моделирования?

Следует отметить, что технология IDEF0 позволяет провести анализ процесса на основе диаграмм, которые наглядно показывают функциональные блоки. Однако, как и в случае с определением цели моделирования, четкое определение точки зрения необходимо для обеспечения внутренней целостности модели и предотвращения постоянного изменения ее структуры. Может оказаться необходимым построение моделей с разных точек зрения для детального отражения всех особенностей выделенных в системе функциональных блоков.

Границы моделирования имеют два компонента: ширину охвата и глубину детализации. Ширина охвата обозначает внешние границы моделируемой системы. Глубина детализации определяет степень подробности, с которой нужно проводить декомпозицию функциональных блоков.

Чтобы облегчить правильное определение границ моделирования при разработке моделей IDEF0, существенные усилия затрачиваются на разработку и рецензирование контекстной диаграммы IDEF0 (диаграммы «самого верхнего» уровня). Иногда даже прибегают к построению дополнительной диаграммы для отображения уровня, более высокого, чем контекстный, для данной модели, что позволяет обозначить систему, внутри которой располагается объект для моделирования.

Существенные затраты на разработку контекстной диаграммы вполне оправданы, поскольку она является своего рода «точкой отсчета» для остальных диаграмм модели и вносимые в нее изменения каскадом отражаются на все лежащие ниже уровни.

Когда границы моделирования понятны, становятся ясными и причины, по которым некоторые объекты системы не вошли в модель.