Раздел 4. Принципы системного подхода как базис моделирования открытых систем

В инженерии свойства и общие законы организации систем имеют следствием принципы и правила создания искусственных систем.

1. Принцип целеобусловленности. Цель системы первична! При построении искусственных систем начинать надо с формулировки цели. Под ее достижение формируется концепция системы, проектные решения, их реализация, ресурсы под создание системы.

Следствие 1. В системе должен существовать механизм достижения цели, количественно характеризующий в каждый момент времени степень соответствия поведения системы заданной цели.

Следствие 2. Параметры, определяющие цель должны быть количественно измеримыми.

2. Принцип относительности. Одна и та же система может рассматриваться с трех точек зрения: 1) как самостоятельная система; 2) как часть объемлющей системы; 3) как объемлющая система по отношению к своим частям.

Следствие 1. Для данной системы цель задает объемлющая ее система.

Следствие 2. Система должна представляться в иерархической форме.

3. Принцип управляемости. Создаваемая система должна быть управляемой, то есть способной изменять свое поведение и структуру для достижения цели.

Следствие 1. В управляемой системе должен присутствовать механизм управления в виде управляющей и управляемой частей, соединенных линиями прямой и обратной связи.

Следствие 2. Структура управляемой системы должна описываться в виде иерархии управляемых контуров.

4. Принцип связанности. Система, выделенная для самостоятельного рассмотрения, должна быть управляемой по отношению к старшим и управляющей по отношению к младшим в иерархическом отношении системам.

Следствие 1. В системе, выделенной для самостоятельного рассмотрения, должен присутствовать механизм связанности в виде совокупности трех частей – старшей системы, рассматриваемой системы и младшей системы, соединенных линиями прямой и обратной связи.

Следствие 2. Управляемая система должна иметь внешние критерии на входе и на выходе, характеризующие степень соответствия ее поведения задаче управления. Критерии на входе задает старшая в иерархическом отношении система, критерии на выходе задает сама система, определяя способ оптимального поведения.

Следствие 3. Рассматриваемая система свободна в выборе совокупности внутренних критериев для оптимизации распределения ее ресурсов при выполнении управляющего воздействия, удовлетворяющего внешним критериям.

5. Принцип моделируемости. Управляемая система должна содержать в своей структуре модель прогнозирования во времени состояний для выбора, наилучшего поведения, обеспечивающего достижение заданной цели при минимальных затратах ресурсов.

Следствие. В управляемой системе должен присутствовать механизм моделирования в виде математической модели, обеспечивающей выработку рекомендаций для оптимизации достижения поставленной цели.

6. Принцип симбиозности. Управляемая система должна строиться с применением таких концепций, которые позволяют рассматривать человека как звено системы управления.

Следствие 1. В управляемой системе должен присутствовать механизм корреляции в виде дополнительного третьего контура, обеспечивающего заданную корреляцию циркулирующих в основных контурах параметров под влиянием управляющих воздействий элементов естественного (человек) и искусственного интеллектов (машина).

Следствие 2. Главенствующую роль человека в управляемой системе обеспечивает механизм общения в виде специализированного диалогового языка.

7. Принцип оперативности. Изменения поведения управляемой системы должны проходить своевременно, в реальном масштабе времени.

Следствие 1. В управляемой системе должен присутствовать механизм регулирования работы в реальном масштабе времени.

Следствие 2. Информация в линии ЭВМ-человек должна выдаваться в двух видах, полиграфической и буквенно-цифровой, для обеспечения оперативности и точности восприятия человеком.

Раздел 5.Моделирование как главный метод системного обследования

Тема 5.1. Тема к разделу 5

При изучении систем различной природы, в том числе и программных систем, исследователь сталкивается с проблемой их отображения, а также использования в познавательной и практической деятельности. Объект фиксируется терминами языка, отображается на бумаге чертежами, графиками, фотографиями, уравнениями и формулами, а также макетами, механизмами и устройствами.

Отображения объектов называются моделями, процесс их создания – моделированием. Практически каждая наука имеет свой арсенал методов моделирования. Различаются геометрическое, физическое, химическое, биологическое, экономическое, социальное, политическое, культурологическое и математическое моделирование. Классы моделей представлены в таблице на с. 40–43.

Емкое и краткое определение модели дал А. И. Уемов: «Модель представляет собой систему, исследование которой служит средством получения информации о другой системе».
Необходимыми и достаточными признаками модели являются следующие:
• между моделью и оригиналом имеется отношение сходства, форма которого явно выражена и точно зафиксирована (условия отражения и уточненной аналогии);
• модель в процессе научного познания является заместителем изучаемого объекта (условие репрезентации);
• изучение модели позволяет получить информацию об оригинале (условие экстраполяции).

Модель всегда проще оригинала. Она абстрагируется от несущественных качеств объекта. Однако в процессе исследования никогда нет 100% уверенности в том, что то или иное качество объекта является несущественным с точки зрения исследовательской задачи.

Классификация моделей

Системное моделирование, напрямую связанное с проектированием и изучением программных систем, представляет собой совокупность многих видов моделирования, наиболее важные из них:

• атрибутивное, направленное на систематизацию информации о свойствах объектов. При этом используются различного рода классификации, матрицы, таблицы, которые позволяют систематизировать свойства объектов, выделить главные и второстепенные. Например, программист определяет иерархию классов в объектно-ориентированной программе;
• структурное, обеспечивающее представление структуры объекта или процесса;
• организационное, предполагающее изучение того, как система организована;
• функциональное, ориентированное на построение и исследование функций изучаемого явления;
• структурно-функциональное, изучающее взаимосвязи структуры и функций объекта или процесса;
• витальное, направленное на представление или изучение этапов жизненного пути системы.

Системное моделирование очень прагматично. Его важнейшим назначением выступает не просто получение знаний о системе, а ее оптимизация – с преобразованием тех или иных характеристик реальной системы по заданным критериям оптимизации.
Важно подчеркнуть, что модель всегда отражает точку зрения той или иной группы проектировщиков либо исследователей.

Завершая краткий экскурс в понятийный аппарат моделирования, обратимся к объекту труда программистов – классу человеко-машинных (эрготехнических) систем, элементами которых является вычислительная машина и человек, классу кибернетических систем. Особенности моделирования таких систем во многом определяются их свойствами и пониманием природы работы с информацией.

Основы кибернетики, как уже говорилось, заложил известный американский философ и математик Массачусетского технологического института Норберт Винер (1894–1964) в работе «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине» (1948). Большая заслуга Винера в том, что он установил общность принципов управленческой деятельности для принципиально разных объектов природы и общества. Управление сводится к передаче, хранению и переработке информации, то есть к различным сигналам, сообщениям, сведениям. Главная заслуга Винера в том, что он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Ныне кибернетика изучает системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования.

Кибернетика рассматривает систему как единство управляющих и управляемых элементов. Каждый элемент характеризуется некоторым количеством входов и выходов, определяющих связи элемента со средой. Между управляющим и управляемым элементом (элементами могут быть и подсистемы) существуют каналы связи. По каналу прямой связи передается управляющее воздействие. По каналу обратной связи передается реакция на управляющее воз-действие.

Информационный характер кибернетической системы обусловлен:

• необходимостью получения информации о воздействии среды на управляемую систему
• важностью информации о поведении системы
• потребностью в информации о строении системы

Любая кибернетическая система представляет собой элементы, связанные информационными потоками. К наиболее важным ее проблемам следует отнести:

1) недопущение искажения информации при передаче и приеме;

2) создание языка информации, который был бы понятен всем участникам управленческих отношений;

3) эффективного поиска, получения и использования информации в управлении.

Процесс управления по принципу обратной связи включает:

• постоянный мониторинг функционирования системы;
• сравнение текущего состояния системы с целями системы;
• выработку воздействия на систему для приведения ее в соответствие с целью;
• осуществление такого воздействия.

Обратные связи бывают положительными и отрицательными. Положительная обратная связь усиливает воздействие входного сигнала, выводя систему из равновесия и ухудшая устойчивость. Отрицательная обратная связь ослабляет входной сигнал, способствует восстановлению равновесия в системе.

Важную роль в моделировании кибернетических систем играют понятия черного, серого и белого ящиков. Черным ящиком может быть вся система или ее элемент. Суть в том, что его внутреннее строение и поведение не видно наблюдателю. Видны только входы и выходы черного ящика, определяющие его взаимодействие со средой. Наблюдатель изучает поведение черного ящика, воздействуя на вход и фиксируя выход. Анализ поведения позволяет «осветлить» черный ящик – получить часть сведений о его структуре и функциях. Такой ящик называется уже серым. Дальнейшее изучение поведения серого ящика позволяет полностью раскрыть структуру и закономерность преобразования сигнала вход в сигнал выход и получить в результате белый ящик.

Такой механизм структурной декомпозиции применяется, например, в методологии Харлана Миллза CleanRoom («Стерильный цех»), предназначенной для разработки сложных и сверхнадежных программных систем. Система описывается по уровням иерархии. На самом верхнем уровне система в целом представляется черным ящиком. На нисходящих уровнях иерархии происходит раскрытие черных ящиков (подсистем) до требуемого уровня детализации. Причем на каждом отдельно выделенном уровне иерархии работает только что описанный механизм трех ящиков. У Миллза это триплет Black Box → State Box → Clear Box.

Характеристики человеко-машинных (эрготехнических) систем, важные с точки зрения их моделирования, таковы.

1. Наряду с техникой, оборудованием, структурами управления и пр., элементами таких систем являются люди. Хотя для них предназначены четко определенные производственные роли, их реальная деятельность может носить характер непредсказуемости и внезапности. Поэтому задача описания поведения человека как части системы весьма непроста и плохо формализуема.

2. В эрготехнической системе всегда присутствуют факторы случайности/риска – неуправляемые факторы. Система для самосохранения должна менять свое поведение при наступлении случайных событий. Это могут быть поломки оборудования на производстве, резкий спад рыночного спроса на какой-то товар, ошибки людей.

3. Фактор управления, часто динамического управления – когда план действий изменяется, формируется в ходе функционирования системы. В таких системах всегда присутствует управляющая подсистема как суперпозиция контуров прямой и обратной связи. В динамике работы системы необходимо отслеживать ее состояние, принимать решения по планированию и реализации дальнейшего поведения. Например, операционная система ЭВМ (телефонная станции, атомная станция и т. п.) не может знать заранее, како-ва будет нагрузка на вычислительную мощность в определенный момент времени. Она постоянно регистрирует новые заказы/задачи и планирует ресурсы ЭВМ, управляет ими в зависимости от текущей нагрузки.

4. Наличие цели/целевой функции – то есть задачи, которую должна решать система. Для постоянно действующих систем массового обслуживания и динамического управления (работа телекоммуникационной системы) целью является обслуживание всех заказов к установленному сроку (может, в кратчайшие сроки) с минимизацией затрат/ресурсов.

5. Фактор эффективности – как организовать работу системы с минимизацией затрат/ресурсов.

6. Критерии успеха – определяются условия и приоритеты для оптимизационной задачи минимизации ресурсов. Например, приоритет для сроков – тогда следует минимизировать время выполнения заказа.

Очевидно, изучение большинства сложных систем путем прямых экспериментов над ними в целом невозможно, а над их частями вследствие эмергентности практически бесполезно. В таких условиях инструментом изучения системы является ее математическая модель. Как правило, она строится для описания функционирования системы и реализуется на ЭВМ (компьютерное моделирование).

Различают имитационные (портретные) и оптимизационные модели. К ним применимо требование осуществимости – с вероятностью не меньше заданной величины Р время достижения целей системой (в данном случае – время эксперимента с помощью имитационной модели или время выработки рекомендаций по оптимальной структуре, оптимальному поведению системы) не должно превосходить заданного значения Т.