Основные положения системного подхода

Сложность и особенность БСУ вызвали необходимость разработки новых подходов к изучению новых систем, которые объединены под общим названием - системный подход (СП). Методология СП вытекает из "теории больших (сложных) систем". Вопросы проектирования сложных систем в технике охватывает научно-техническая дисциплина "системотехника".

К теории управления применимы те положения этих направлений, которые включают вопросы организации управления и создания сложных СУ.

Суть СП заключается в наличии определенного идеологического и организационного плана, пронизывающего насквозь все этапы решения проблемы анализа или создания БСУ. При этом каждый элемент БСУ рассматривается не сам по себе, а во взаимодействии с другими. Решение задач нацеливается не на самое лучшее, а наиболее эффективное по показателям решение (самое лучшее не всегда возможно реализовать - по срокам, средствам).

Системные задачи могут быть двух типов: системного анализа и системного синтеза. Системный анализ предполагает определение свойств системы при известной структуре, а системный синтез – построение структуры системы по заданным свойствам [3].

Необходимость СП связана с ростом темпов развития науки и техники сложных систем, увеличением стоимости и сроков их разработки, возможности морального старения систем до момента их ввода в строй. Отсюда основное целевое назначение СП - сокращение периода проектирования и создания при необходимом уровне качества.

В основе СП лежат принципы: физичности, моделируемости, целенаправленности [3].

Принцип физичности гласит: всякой системе (независимо от ее природы) присущи физические законы (закономерности), возможно уникальные, определяющие внутренние причинно-следственные связи, существование и функционирование. Система обладает интегративными качествами, т.е. качествами, присущими системе в целом, но не свойственными ни одному из ее элементов в отдельности. Отсюда следует важный вывод, что система не сводится к простой совокупности элементов, т.к. изучая их в отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.

Принцип моделируемости гласит: сложная система представляется конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань ее сущности.

Модель системы - это описание, отображающее определенную группу её свойств.

Различают функциональную, морфологическую (структурную) и информационную модели (описания) системы.

Функциональная модель системы (ФМС) - это модель, описывающая изменение состояния (поведения) системы во времени. Здесь состояние - это множество существенных свойств, которыми обладает система в данный момент времени.

Морфологическая (структурная) модель системы - это модель, описывающая структуру системы, т.е. совокупность элементов, входящих в систему, и связей между ними. Морфологические свойства системы существенно зависят от характера связей. При этом выделяют информационные, энергетические и вещественные связи (см.п. 6 свойств БСУ в разделе 2.1.).

Информационное описание (модель) системы должно характеризовать информационные процессы, протекающие в системе управления, должно давать представление о зависимости функциональных и морфологических свойств системы от количества и качества внутренней и внешней информации, о потоках информации, циркулирующих в системе, и их параметрах.

Методология системного подхода ориентирует на рассмотрение всех описаний (моделей) системы, на раскрытие её целостности, на выявление многообразных типов связей сложного объекта и сведения их в единую теоретическую картину.

Принцип целенаправленности гласит: что сложной системы управления присуща функциональная тенденция, направленная на достижение системой некоторого состояния, либо на усиление (сохранение) некоторого процесса.

Основные задачи, которые решаются при системном подходе:

1. Определение общей структуры системы.

2. Организация взаимодействия между подсистемами и элементами.

3. Учет влияния внешней среды.

4. Определение оптимальных алгоритмов функционирования системы и управления ею.

Процесс разработки БСУ существенно зависит от вида системы, ее назначения и целей, которые ставит проектировщик. Однако для любых БСУ в рамках СП в ее создании могут присутствовать следующие этапы:

1. Формулировка проблемы (постановка задачи) - ПЗ.

2. Выбор критериев или системы показателей эффективности системы - ВК.

3. Определение вариантов построения системы - ОВ.

4. Формальное описание вариантов системы - составление математических моделей - М.

5. Анализ эффективности вариантов системы - АВ.

6. Исследование и выбор оптимального варианта системы - ВВ.

Этап 1 включает определение цели создания системы или дерева целей (взаимосвязанный комплекс целей). Отсутствие четко сформулированной главной цели, которая преследуется при разработке новой системы, дезориентирует проектировщиков ее отдельных элементов.

Цели системы и круг решаемых ею задач обычно определяется исходя из потребностей практики, тенденций развития техники и экономической целесообразности. Формальных правил решения этого вопроса нет. Здесь используется лишь опыт применения аналогичных систем и инженерная интуиция.

Для СУ формулируют цель управления в соответствии с особенностями объекта управления и внешней среды.

Важными моментами постановки задачи являются предпроектное исследование УО и анализ внешних факторов, действующих на систему, выделение наиболее существенных. Данный анализ должен конкретизировать задачи, функции, решаемые системой, необходимые ресурсы (финансы, энергообеспечение, материалы, кадры и т.п.) и ограничения.

Этап 2. Для количественной оценки эффективности СУ выбирают один или несколько показателей (критериев). Критерий эффективности должен определять основные направления в поиске свойств системы, определяющих оптимальное выполнение функций системы. Например, для АСК критерием будет максимальная достоверность.

Выбор критериев представляет ответственную задачу, особенно при множестве целей. В этом случае определяется обобщенный критерий.

Принятый критерий является основой для принятия решений о выборе структуры, алгоритмов функционирования БСУ из некоторого множества альтернатив.

Этап 3. При определении вариантов построения системы решаются вопросы анализа и синтеза структурного, функционального и информационного описания систем. Основными вопросами этого этапа для каждого варианта являются:

- определение задач (функций) системы;

- выбор алгоритмов их реализации;

- формирование общей структуры системы и распределение задач по элементам и уровням системы;

- определение связей элементов и способы их реализации.

На этой основе формируются альтернативные варианты представления системы.

Этап 4. После определения вариантов построения системы выполняется формализация процессов и задач на математическом уровне, т.е. для каждого варианта строится соответствующая математическая модель, позволяющая дать адекватное описание процессов функционирования системы и выявлять зависимость критериев эффективности от параметров системы и внешней среды, структуры и алгоритмов взаимодействия элементов системы.

Этап 5. Здесь выполняются необходимые расчеты в соответствии с математической моделью по каждому варианту. При необходимости проводятся экспериментальные исследования или имитационное моделирование. Основная задача данного этапа - определение значения критерия эффективности для каждого из рассматриваемых вариантов.

Этап 6 является самым ответственным. Включает сравнение показателей эффективности рассматриваемых вариантов и выбор оптимального. Здесь основная роль принадлежит руководителю или экспертной группе, особенно в том случае, когда величины критериев, близких к оптимальному, отличаются незначительно.

Следует обратить внимание, что последовательное выполнение названных этапов исследования или разработки системы (индуктивный подход) не всегда позволяет достигнуть поставленных целей. Отличие системного подхода состоит в совместном и взаимосвязанном выполнении всех этапов разработки, что характеризуется возвратами от последующих этапов к предыдущим, появлением внутренних циклов, вызванных необходимостью внесения оперативных корректив в ход процесса (Рис. 2.2).

При использовании СП, несмотря на его эффективность, необходимо также учитывать, что СП - это познание сложных систем через модели, которые более просты, чем их реальные прообразы. Поэтому обычно выбранный оптимальный вариант БСУ (или 2-3) требует дополнительных исследований на действующих макетах, имитационных установках и т.п., чтобы убедиться в том, что выбранный вариант действительно соответствует цели разработки и обладает требуемой эффективностью.

ЛЕКЦИЯ 16

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ОСУ