Шпорки - Теория информационных процессов и систем - файл 1-6.doc

приобрести
Шпорки - Теория информационных процессов и систем
скачать (424.5 kb.)
Доступные файлы (6):
1-6.doc175kb.28.01.2010 14:34скачать
18-24.doc125kb.27.01.2010 22:29скачать
25-29.doc444kb.28.01.2010 13:48скачать
6-12.doc138kb.28.01.2010 17:07скачать
n5.doc36kb.22.04.2011 17:58скачать
n6.docx137kb.28.01.2010 14:41скачать

1-6.doc

1. Предпосылки возникновения теории систем. Цели и задачи общей теории систем

В 50-е годы создаются и получают широкое применение в научных исследованиях, производстве, а затем и управлении электронные вычислительные машины, ставшие символом НТП. Их появление ознаменовало начало постепенного перехода к комплексной автоматизации производства и управления, изменяющей положение и роль человека в процессе производства – одно из главных научно-технических направлений НТП.

Автоматизация производства - это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Цель автоматизации производства заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства.

Одной из характерных тенденций развития общества является появление чрезвычайно сложных (больших) систем. Основными причинами этого являются:

Проектирование больших систем обычно делят на две стадии: макропроектирование (внешнее проектирование), в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом, и микропроектирование (внутреннее проектирование), связанное с разработкой элементов системы как физических единиц оборудования и с получением технических решений по основным элементам (их конструкции и параметры, режимы эксплуатации).

Макропроектирование включает в себя три основных раздела:

Все это привело к появлению нового - системного - подхода к анализу больших систем. Они часто не поддаются полному описанию и имеют многогранные связи между отдельными функциональными подсистемами, каждая из которых может представлять собой также большую систему. В основе системного подхода лежит специальная теория - общая теория систем.

Интерес к системным представлениям проявлялся не только как к удобному обобщающему понятию, но и как к средству постановки задач с большой неопределенностью.

По мере усложнения производственных процессов, развития науки появились задачи, которые не решались с помощью традиционных математических методов и в которых все большее место стал занимать собственно процесс постановки задачи, возросла роль эвристических методов, усложнился эксперимент, доказывающий адекватность формальной математической модели.

Потребности практики и науки стимулировали появление и развитие научного направления системных исследований, охватывающих самые различные объекты, которое получило название теория систем (ТС).

Теория систем рассматривается как общенаучная теория, которая выступает связующим звеном между философией и частными науками. Развитие теории систем как науки осуществляется в двух направлениях. Первое направление - феноменологическое (иногда его называют причинно-следственным или терминальным). Второе - разработка теории сложных целенаправленных систем. В этом направлении описание системы производится с позиции достижения ею некоторой цели или выполнения некоторой функции.

К числу задач, решаемых теорией систем, относятся:

Различают три ветви науки, изучающей системы:

1. системотехнику, системотехнологику (практику и технологию проектирования и исследования систем).

2. системный анализ (методологию, теорию и практику исследования систем), которая исследует методологические, а часто и практические аспекты и использует практические методы (математическая статистика, исследование операций, программирование и др.). Определяющим является представление о целостности исследуемых, проектируемых и синтезируемых объектов. Методологически системный анализ направлен на исследование причин сложности систем и их устранения.

3. системологию (теорию систем), которая изучает теоретические аспекты и использует теоретические методы (теория информации, теория вероятностей, теория игр и др.). Предметом ее исследования является классы систем, объединенных не только по традиционным признакам (биологические, технические, социальные и т.д. системы), но и по видам отношений элементов в системе. Для общей теории систем объектом исследования является не “физическая реальность”, а “система”, т.е. абстрактная формальная взаимосвязь между основными признаками и свойствами



Исследование объекта как системы предполагает использование ряда систем представлений (категорий), среди которых основными являются:

2. Терминология теории систем

Термин «система» используют в тех случаях, когда невозможно что-то продемонстрировать, изобразить, представить математическим выражением и нужно подчеркнуть, что это будет большим, сложным, не полностью сразу понятным (с неопределенностью) и целым, единым. Например, "солнечная система", "система управления станком", "система кровообращения" .

Понятие системы подчеркивает упорядоченность, целостность, наличие определенных закономерностей.

Познавательные возможности ТС реализуются путем отражения объектов и явлений (реальных и абстрактных) в ее основных понятиях, которые имеют весьма обобщенный смысл, что позволяет использовать их в различных науках.

Центральное понятие - система. Оно используется по отношению к самым различным предметам, явлениям и процессам

В самом общем случае понятие «система» характеризуется:

1) наличием множества элементов;

2) наличием связей между ними;

3) целостным характером данного устройства или процесса.

Рассмотрим основные понятия, характеризующие строение и функционирование систем.

Элемент – часть системы, обладающая некоторой самостоятельностью и имеющая связи с другими частями. Элемент системы - это простейшая неделимая часть системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели.

Подсистема - часть системы, представляющая собой совокупность некоторых ее элементов, и отличающаяся подчиненностью с точки зрения выполняемых функций.




Структура - совокупность элементов системы и связей между ними. Это понятие происходит от латинского слова structure, означающее строение, расположение, порядок.

Любая структура описывается следующими основными характеристиками:

Структуру часто представляют в виде иерархии. Иерархия - это упорядоченность компонентов по степени важности (многоступенчатость, служебная лестница).

Структуры линейного типа и иерархического (древовидного) типа





Структуры сетевого типа и матричного типа



Связь - обязательное свойство элементов системы. Она обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы.

Связи второго порядка - это такие связи, которые являются дополнительными. В том случае, если связи являются излишними или противоречивыми, то они определяются как связи третьего порядка. Избыточность описывает такое состояние системы, когда она содержит ненужные элементы. Противоречие существует тогда, когда система содержит два таких объекта, что, если один истинен, то другой ложен по определению.

Входы и выходы - материальные или информационные потоки, входящие и выходящие из системы.

Состояние системы характеризует мгновенный "срез" системы, остановку в ее развитии.

Поведение - последовательность состояний системы, принимаемые во времени.

Среда - множество объектов вне системы, которые оказывают влияние на систему, либо находятся под воздействием системы, либо то и другое.

Объект - то, что существует вне нас, не зависит от нашего сознания и выступает предметом познания и воздействия. Объекты воздействия - объекты среды, на которые воздействует система. Объекты возмущения - объекты среды, которые воздействуют на систему.

Состояние среды - существенные свойства среды в их конкретных проявлениях, которые проявляются через множество значений характеристик.


Внешняя среда. Под внешней средой понимается множество элементов, которые не входят в систему, но изменение их состояния вызывает изменение поведения системы.

Ситуация - совокупность состояния системы и среды.

Функционирование - осуществление различных процессов в системе при взаимодействии со средой.



Модель - описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Углубление описания - детализация модели. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.

Модель функционирования (поведения) системы - это модель, предсказывающая изменение состояния системы во времени.

Равновесие - это способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго.

Устойчивость - способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий.

Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, по аналогии с техническими устройствами называют устойчивым состоянием равновесия.

Развитие. Под развитием обычно понимают увеличение сложности какой-либо системы, улучшение приспособленности к внешним условиям. В результате возникает новое качество или состояние объекта.

Цель – область состояний среды и системы, которую необходимо достичь при функционировании системы.

Управление - совокупность информационных воздействий для достижения поставленных целей.

Управление в системе - внутренняя функция системы, осуществляемая в системе независимо от того, каким образом, какими элементами системы она должна выполняться.

Управление системой - выполнение внешних функций управления, обеспечивающих необходимые условия функционирования системы.

Свойство – сторона системы (элементов), обусловливающая различие и сходство с другими системами (элементами) и проявляющаяся при взаимодействии с ними. Свойства делятся на точечные (не обладающие интенсивностью, например, деревянный стол), и обладающие интенсивностью (например, вес, быстродействие ЭВМ). Всякое свойство относительно.

Параметр - характеристика, представленная величиной (прибыль).

Характеристика – то, что отражает некоторые свойства объекта, но не выражается числом (степень профессиональной подготовленности сотрудников фирмы, уровень эмоционального напряжения, состояние здоровья).

3. Классификация систем

В общем случае классификация - это разбиение множества объектов на классы (подклассы) по их свойствам или признакам для облегчения их изучения в дальнейшем.

Под классом понимается совокупность объектов, обладающая некоторыми признаками общности. Признак (или совокупность признаков) является основанием (критерием) классификации.

Система может быть охарактеризована одним или несколькими признаками и соответственно ей может быть найдено место в различных классификациях, каждая из которых может быть полезной при выборе методологии исследования. Обычно цель классификации состоит в ограничении выбора подходов к отображению систем, в выработке языка описания, подходящего для соответствующего класса.

Предметная классификация строится на основе выделения всех видов конкретных систем.


Категориальные классификации выделяют системы по некоторым признакам, общим для всех систем.

Классификация систем

По содержанию (природе элементов) различают абстрактные (концептуальные, идеальные) и материальные (реальные) системы.

Физические системы состоят из изделий, оборудования и машин и вообще из естественных или искусственных объектов.

Материальные системы

Реальные системы - это системы, которые существуют реально, например, механические, биологические, эргатические (человеко-машинные). Искусственные системы являются продуктом человеческого труда и ума.

Материальные системы являются объектами реального времени. Среди всего многообразия материальных систем существуют естественные и искусственные системы.

Естественные системы представляют собой совокупность объектов природы, а искусственные системы — совокупность социально-экономических или технических объектов.

Техническая система спроектирована и изготовлена человеком в определенных целях. Отличительными признаками технических систем по сравнению с произвольной совокупностью объектов или по сравнению с отдельными элементами является конструктивность (практическая осуществляемость отношений между элементами), ориентированность и взаимосвязанность составных элементов и целенаправленность.

Выделение систем, состоящих из одних только технических устройств, почти всегда условно, поскольку они не способны вырабатывать свое состояние. Эти системы выступают как части более крупных, включающих людей – организационно-технических систем. В основе функционирования технических систем лежат процессы, совершаемые машинами, а в основе функционирования организационно-технических систем — процессы, совершаемые человеко-машинными комплексами.

К социальным системам относятся различные системы человеческого общества.

Абстрактные системы

Абстрактные системы — это умозрительное представление образов или моделей материальных систем. Их построение - необходимая ступень эффективного взаимодействия человека с окружающим миром. Эти системы объективны по источнику происхождения, поскольку их первоисточником является объективно существующая действительность.

Логические системы есть результат дедуктивного или индуктивного представления материальных систем. Их можно рассматривать как системы понятий и определений (совокупность представлений) о структуре, об основных закономерностях состояний и о динамике материальных систем.

Символические системы представляют собой формализацию логических систем, они подразделяются на три класса:

Другие классификации

средств моделирования), называется большой.




4. Закономерности систем

К числу основных закономерностей систем обычно относят:

Системообразующий фактор - фактор, который формирует систему.

Зависимость представления о цели и формулировки цели от стадии познания объекта (процесса)

В процессе формулирования цели необходимо стремиться отразить в ее формулировке или в способе представления цели ее активную роль в познании и, в тоже время, сделать цель реалистичной, направить с ее помощью деятельность на получение определенного результата

Зависимость цели от внутренних и внешних факторов

При формулировании цели необходимо учитывать как внешние по отношению к выделенной системе факторы (внешние потребности, программы), потребности, мотивы и программы.

Возможность сведения задачи формирования глобальной цели к задаче структуризации цели

Цель возникает в сознании руководителя или коллектива не как единичное понятие, а как некоторая, достаточно “размытая” область. На любом уровне цель возникает вначале в виде “образа” цели.


5. Системный подход и системный анализ

Системный подход - это совокупность некоторых общих принципов, предопределяющих научную и практическую деятельность при анализе и синтезе сложных систем, которые вытекают из особенностей представления сложных объектов.

Системный подход базируется на двух постулатах.

Постулат 1. Любая система может быть описана в терминах системных объектов, свойств и связей.

Постулат 2. Структура функции системы и решения проблемы является стандартной для любых систем и любых проблем.

К числу принципов системного подхода относятся:

С прикладной точки зрения системный подход состоит в определенной направленности и последовательности исследования объектов, которое обычно реализуется в шесть этапов.

1 этап. Четкое определение цели исследования объекта, т.е. с какой целью проводится исследование.

2 этап. Точное и полное определение цели функционирования объекта с позиций системы более высокого уровня.

3 этап. Выделение и изучение структуры системы и среды. Процесс выделения элементов и связей называется структуризацией.

4 этап. Последовательное раскрытие механизма функционирования системы.

5 этап. Система рассматривается на всех этапах жизненного цикла: происхождение, развитие, разрушение (гибель).

6 этап. Осуществляется сравнение системы с другими, в какой то степени близкими ей системами для обнаружения сходства.

Таким образом, системный подход к исследованию сложных объектов предполагает проведение исследования в трех взаимосвязанных аспектах:

Методологическим основанием подготовки и обоснования решений по сложным проблемам научного, экономического и технического характера является системный анализ.

Все проблемы в зависимости от глубины их познания подразделяются на три класса:

а) хорошо структурированные;

б) неструктурированные;

в) слабо структурированные.

Для решения хорошо структурированных проблем используется методология исследования операций (ИО). Она состоит в применении математических моделей и методов для отыскания оптимальной стратегии управления целенаправленными действиями.

В неструктурированных проблемах традиционным является эвристический метод, который состоит в том, что опытный специалист собирает максимум различных сведений о решаемой проблеме, вживается в нее и на основе интуиции и суждений вносит предложения о целесообразных мероприятиях.

К слабо структурированным проблемам, для решения которых предназначен системный анализ, относится большинство наиболее важных экономических, технических, политических и военно-стратегических задач крупного масштаба.

Типичными проблемами такого рода являются те, которые:

а) намечены для решения в будущем;

б) сталкиваются с широким набором альтернатив;

в) зависят от текущей неполноты технологических достижений;

г) требуют больших вложений капитала и содержат элементы риска;

д) внутренне сложны вследствие комбинирования ресурсов, необходимых для их решения;

е) для которых не полностью определены требования стоимости или времени.

В системном анализе решение проблемы определяется как деятельность, которая сохраняет или улучшает характеристики системы. Приемы и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределенности по каждому варианту и сопоставление вариантов по их эффективности.

Системный анализ - это методология решения крупных проблем, основанная на концепции систем. При этом системный анализ имеет свою специфическую цель, содержание и предназначение.

Целью системного анализа является упорядочение последовательности действий при решении крупных проблем, основываясь на системном подходе. Системный анализ предназначен для решения того класса проблем, который находится вне короткого диапазона ежедневной деятельности.

Основное содержание системного анализа заключено не в формальном математическом аппарате, описывающем "системы" и "решение проблем", и не в специальных математических методах, например, оценки неопределенности, а в его концептуальном, т. е. понятийном, аппарате, в его идеях, подходе и установках.

В чем заключается основное значение системного анализа?

В качестве основного и наиболее ценного результата системного анализа признается не количественное определенное решение проблемы, а увеличение степени ее понимания и возможных путей решения у специалистов и экспертов, участвующих в исследовании проблемы, и, что особенно важно, у ответственных лиц, которым предоставляется набор хорошо проработанных и оцененных альтернатив.

Полезность новых методов анализа и управления и в первую очередь системного анализа состоит в следующем:

1) в большем понимании и проникновении в суть проблемы: практические усилия выявить взаимосвязи и количественные ценности помогут обнаружить скрытые точки зрения за теми или иными решениями;

2) в большей точности: более четкое формулирование целей, задач снизит, хотя и не устранит, неизбежно неясные стороны многоплановых целей;

3) в большей сравнимости: анализ (политика) может быть осуществлен таким образом, что планы для одной страны или района могут быть с пользой увязаны и сравнены с планами и политикой в отношении других районов; при этом можно выявить общие элементы;

4) в большей полезности, эффективности: разработка новых методов должна привести к распределению денежных ресурсов более упорядоченным образом и должна оказать помощь в проверке ценности интуитивных суждений.


6. Оценки сложности систем

1. Понятие сложности системы

Объектом СА выступают реальные объекты природы и общества, рассматриваемые как системы. В его предмет входят многообразные характеристики системности, наиболее важными среди них являются:

Качества, которыми в общей теории систем обладают сложные системы.

Система называется сложной, если в ней не хватает ресурсов для эффективного описания и управления системой - определения, описания управляющих параметров или для принятия решений в таких системах.

Сложность системы может быть внешней и внутренней.

2. Подходы к оценке сложности систем

Первый подход

С точки зрения различных проявлений сложности принято выделять следующие ее 3 типа:

А) Структурная сложность систем

Здесь нужно принимать во внимание различные аспекты сложности структуры:

Иерархия

Требования, предъявляемые к высокой скорости обработки данных и обеспечению надежного контроля за выполнением решений в современных системах, предполагают необходимость использования в них иерархической структуры.

Схема связности

Важным аспектом сложности является способ, которым подсистемы объединяются в единое целое. Структура связности СУ определяет потоки передачи информации в структуре и ограничивает воздействия, которые может оказать одна часть системы на другую.

Многообразие

Принцип необходимого многообразия Эшби, согласно которому многообразие выходных сигналов системы может быть достигнуто только с помощью достаточного многообразия входных воздействий, также имеет непосредственное отношение к сложности СУ.

Б) Динамическая сложность
Рассмотрим некоторые аспекты сложности, которые проявляются в динамическом поведении системы.

Случайность в сравнении с детерминизмом и сложностью

Можно сказать, что одним из основных интуитивных показателей сложности СУ является ее динамическое поведение, а именно, степень трудности наглядного объяснения и предсказания траекторий движущейся системы.

Странный аттрактор Лоренца

Аттрактор (англ. attract — привлекать, притягивать) — множество точек в фазовом пространстве динамической системы, к которым стремятся траектории системы. Если траектория прошла достаточно близко к аттрактору, то со временем она уже не покинет окрестность аттрактора и даже будет подходить к нему всё ближе и ближе, то есть будет наблюдаться эффект притяжения к аттрактору.

Простейшим случаем аттрактора является точка. Аттракторами могут быть кривые, гладкие подмногообразия, а также произвольные сложные подмножества точек фазового пространства, в том числе фрактальные множества. В последнем случае аттракторы называются странными аттракторами, они активно изучаются в теории динамических систем.

Среди странных аттракторов часто встречаются хаотические аттракторы, в которых прогнозирование траектории, попавшей в аттрактор, затруднено, поскольку малая неточность в начальных данных через некоторое время может привести к сильному расхождению прогноза с реальной траекторией. Непредсказуемость траектории в детерминированных динамических системах называют динамическим хаосом, отличая его от стохастического хаоса, возникающего в стохастических динамических системах. Это явление также называют эффектом бабочки, подразумевая возможность преобразования слабых турбулентных потоков воздуха, вызванных взмахом крыльев бабочки в одной точке планеты, в мощное торнадо на другой её стороне вследствие многократного их усиления в атмосфере за некоторое время.

Шкалы времени

Часто возникают такие ситуации, когда скорости изменения компонент одного и того же процесса различны: одни компоненты изменяются быстрее, другие – медленнее.

Типичным примером такого процесса является регулирование уровня воды в системе водохранилищ. Для управления на уровне индивидуального распределения воды требуется принимать решения ежедневно (или даже ежечасно), хотя решение об общем потоке воды через вход-выход принимается раз в месяц или раз в квартал.

В) Вычислительная сложность
Вычислительную сложность системы можно оценить с точки зрения объема информации, который нужно обработать для решения той или иной задачи.

Говоря о вычислительной сложности решаемой задач с практической точки зрения, разработчика интересует оценка ресурсов, включающая время вычислений и память, которые необходимы для ее разрешения. В основе исследования вычислительных характеристик лежит теория алгоритмов.

Второй подход

Сложность системы должна зависеть от ее структуры, однако количество элементов и связей прямо не влияют на сложность системы. Возможен случай, когда сложность системы, состоящей из двух элементов, выше сложности системы, состоящей из 10 элементов. Такая ситуация возможна, если структура и поведение второй системы точно известны, а первая система обладает некоторой неопределенностью.

Будем различать следующие виды сложности:



1. Предпосылки возникновения теории систем. Цели и задачи общей теории систем
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации