Системный анализ и моделирование процессов в техносфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Характеристика и классификация систем: элементы, связи, состав, структура, окружение, границы системы, переменные состояний системы. Понятие техносферной системы

Системой называется любой объект, который, с одной стороны, рассматривается как единое целое, а с другой - как множество связанных между собой или взаимодействующих составных частей. Или другими словами система это взаимосвязанные объекты или сущности, которые образуют некоторую упорядоченную целостность.

Классификации осуществляются по предметному или по категориальному принципу. Предметный принцип классификации состоит в выделении основных видов конкретных систем, существующих в природе и обществе, с учётом вида отображаемого объекта (технические, биологические, экономические и т. п.) или с учётом вида научного направления, используемого для моделирования (математические, физические, химические и др.). При категориальной классификации системы разделяются по общим характеристикам, присущим любым системам независимо от их материального воплощения. Наиболее часто рассматриваются следующие категориальные характеристики:

· Количественно все компоненты систем могут характеризоваться как монокомпоненты (один элемент, одно отношение) и поликомпоненты (много свойств, много элементов, много отношений).

· Для статической системы характерно то, что она находится в состоянии относительного покоя, её состояние с течением времени остается постоянным. Динамическая система изменяет свое состояние во времени.

· Открытые системы постоянно обмениваются веществом, энергией или информацией со средой. Система закрыта (замкнута), если в неё не поступают и из неё не выделяются вещество, энергия или информация.

· Поведение детерминированных систем полностью объяснимо и предсказуемо на основе информации об их состоянии. Поведение вероятностной системы определяется этой информацией не полностью, позволяя лишь говорить о вероятности перехода системы в то или иное состояние.

· По происхождению выделяют искусственные, естественные и смешанные системы.

· По степени организованности выделяют класс хорошо организованных, класс плохо организованных (диффузных) систем и класс развивающихся(самоорганизующихся) систем.

· При делении систем на простые и сложные наблюдается наибольшее расхождение точек зрения, однако чаще всего сложность системе придают такие характеристики как большое число элементов, многообразие возможных форм их связи, множественность целей, многообразие природы элементов, изменчивость состава и структуры и т. д.

Одна из известных эмпирических классификаций предложена Ст. Биром. В её основе лежит сочетание степени детерминированности системы и уровня её сложности:

Окружение При системном анализе важно отграничить систему от среды (окружения) с которой взаимодействует система. Например, частным случаем выделения системы из среды является определение её через «входы» и «выходы», посредством которых система общается со средой. В теории систем такое представление системы иногда называют «черным ящиком». Сложное взаимодействие системы с её окружением отражаются в определениях (Садовский, Юдин): «как правило, любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка, а элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, обычно выступают как системы более низкого порядка». С этим определением согласуется разделение окружения системы (сложной среды) на вышестоящие, нижестоящие или подведомственные системы и системы актуальной среды. Таким образом, «среда есть совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы».

Границы. Каждый объект существует благодаря свойственному ему взаимодействию с остальными объектами системы. Границы объекта можно условно определить по одинаковой степени взаимодействия. Граница между системой и средой может деформироваться.

Элемент - простейшая неделимая часть системы или предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения системы, решения конкретной задачи, поставленной цели. Связи - связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Связи характеризуются направлением, силой, характером, видом, связи подчинения, равноправные, управления, внутренние, внешние, прямые, обратные, положительные, отрицательные и т.д. Цель. Понятие цель и связанные с ним понятия целесообразности, целенаправленности лежат в основе развития системы. Под целью понимается «модель желаемого будущего».

Структура - множество элементов системы и взаимосвязей между ними. В связи с этим структуры разделяют на виды (классы). Сетевые, иерархические, матричные, структуры с произвольными связями и др. Например, математической моделью структуры является граф.

Понятие техносферной системы. Техносфера - район биосферы, в прошлом преобразованный людьми с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия своим материальным и социально-экономическим потребностям. В состав техносферы входят технические системы (ТС), совокупности ТС, не являющиеся ТС - технические конгломераты, или природно-технические системы (крупные производственные системы, сооружения энергетики, города, бытовая среда и т.п.), а также - отходы технической деятельности. Важной составляющей техносферы является производственная среда - пространство, в котором совершается трудовая деятельность человека.

2. Развитие и возникновение системных представлений. Понятие системы

Системой называется любой объект, который, с одной стороны, рассматривается как единое целое, а с другой - как множество связанных между собой или взаимодействующих составных частей. Или другими словами система это взаимосвязанные объекты или сущности, которые образуют некоторую упорядоченную целостность. В зависимости от происхождения системы делятся на естественные и искусственные (создаваемые, антропогенные). Естественные системы - это системы, объективно существующие в действительности. в живой и неживой природе и обществе. Эти системы возникли в природе без участия человека. Примеры: атом, молекула, клетка, организм, популяция, общество, вселенная и т.п. Искусственные системы -- это системы, созданные человеком. Например: холодильник, самолет, предприятие, фирма, город, государство, партия, общественная организация, система торговли и т. п. Кроме того, можно говорить о смешанных системах, куда относятся эргономические (машина-человек-оператор), автоматизированные, биотехнические, организационные и другие системы.

По объективности существования все системы можно разбить на две большие группы: реальные (материальные или физические) и абстрактные (символические) системы. Реальные системы состоят из изделий, оборудования, машин и вообще из естественных и искусственных объектов. Абстрактные системы, по сути, являются моделями реальных объектов - это языки, системы счисления, идеи, планы, гипотезы и понятия, алгоритмы и компьютерные программы, математические модели, системы наук.

Действующие системы способны совершать операции, работы, процедуры, обеспечивать заданное течение технологических процессов, действуя по программам, задаваемым человеком. В действующих системах можно выделить следующие системы: 1) технические, 2) эргатические, 3) технологические, 4) экономические, 5) социальные, б) организационные и 7) управления.

1. Технические системы представляют собой материальные системы, которые решают задачи по программам, составленным человеком; сам человек при этом не является элементом таких систем. Техническая система - это совокупность взаимосвязанных физических элементов. В качестве связей в таких системах выступают физические взаимодействия (механические, электромагнитные, гравитационные и др.).

Примеры: автомобиль, холодильник, компьютер.

2. Эргатические системы. - это система, составным элементом которой является человек-оператор.

Частным случаем эргатической системы будет человеко-машинная система - система, в которой человек-оператор или группа операторов взаимодействует с техническим устройством в процессе производства материальных ценностей, управления, обработки информации и т.д. Примеры: Шофер за рулем автомобиля.

Рабочий, вытачивающий деталь на токарном станке.

3.Технологические системы. Существуют два класса: формальная и материальная технологические системы. Технологическая система (формальная) - это совокупность операций (процессов) в достижении некоторых целей (решений некоторых задач). Структура такой системы определяется набором методов, методик, рецептов, регламентов, правил и норм. Элементами формальной технологической системы будут операции (действия) или процессы. Процесс - это последовательная смена операций (действий направленных на изменение состояния объекта). Связями в технологической системе поступают свойства обрабатываемых объектов или сигналы, передаваемые от операции к операции.

Материальная технологическая система - это совокупность реальных приборов, устройств, инструментов и материалов (техническое, обеспечение системы), реализующих операции (процессное обеспечение системы) и предопределяющих их качество и длительность.

Пример. Формальная технологическая система производства борща - рецепт. Материальная технологическая система производства борща - совокупность ножей, кастрюль, кухонных приборов, реализующих рецепт. Технологическая система более гибкая, чем техническая: минимальными преобразованиями ее можно переориентировать на производство других объектов, либо на получение других свойств последних.

Примеры. Технологические системы: производство бумаги, изготовление автомобиля, оформление командировки, получение денег в банкомате.

4. Экономическая система - это совокупность экономических отношений, возникающих в процессе производства, распределения, обмена и потребления экономических продуктов и регламентируемых совокупностью соответствующих принципов, правил и законодательных норм.

5. Социальная система - это совокупность мероприятий, направленных на социальное развитие жизни людей: улучшение социально-экономических и производственных условий труда, усиление его творческого характера, улучшение жизни работников, улучшение жилищных условий и т. п.

6. Организационная система - это совокупность элементов, обеспечивающих координацию действий, нормальное функционирование и развитие основных функциональных элементов объекта. Элементы такой системы представляют собой органы управления, обладающие правом принимать управленческие решения - это руководители, подразделения или даже отдельные организации (например, министерства).

Связи в организационной системе имеют информационную основу и определяются должностными инструкциями и другими нормативными документами, в которых прописаны права, обязанности ответственность органа управления.

7. Система управления. Управление рассматривается как действия или функция, обеспечивающие реализацию заданных целей. Система управления содержит два главных элемента: управляемую подсистему (объект управления) и управляющую подсистему (осуществляющую функцию управления). Применительно к техническим системам управляющую подсистему называют системой регулирования. Разновидностью системы управления является эргатическая система - человеко-машинная система управления.

3. Системы: состояние и функционирование

Состояние системы. Совокупность проявлений качественных и количественных взаимодействий, относящихся к конкретной системе, называется состоянием системы. Все виды состояний различаются по сочетанию следующих наиболее существенных признаков: a) природа состояния, которая определяется в зависимости от проявлений той или иной природы (электромагнитных, гравитационных, механических, тепловых и т.д.); b) положение в пространстве, которое определяется по координатам выбранной системы отсчета; c) зависимость от времени, определяется по степени изменения состояния на выбранном интервале времени; d) степень повторяемости одного и того же состояния на выбранном интервале времени; e) устойчивость в пространстве и времени;

Состояние описывается совокупностью его параметров. Для количественного и качественного описания параметров служат константы (постоянные величины) или переменные величины, которые изменяются по определенному закону, часто описываемому с помощью некоторой функции. Кроме того, параметры состояния системы могут быть как скалярными, так и векторными, различными в различных точках системы. Под точкой системы понимается совокупность элементов системы, размеры которого много меньше, чем любое расстояние от его границ до той точки наблюдения явлений, из которой регистрируется состояние внутри этой системы. Значение переменной состояния в каждой точке для каждого его признака берется усредненное. В зависимости от степени изменения состояния на данном интервале времени условно можно различить мгновенные, статические и динамические состояния. Кроме того, состояние системы может измеряться как мгновенное, так и усредненное на том или ином интервале времени. Данные параметры позволяют судить о наиболее преобладающем состоянии на соответствующем участке пространства и времени.

4. Системы: структура, виды, сравнительный анализ, классификация

Структура - множество элементов системы, взаимосвязей и взаиморасположение составных частей системы, её устройство (строение). Структурные связи относительно независимы от элементов и выступают как инвариант при переходе от одной системы к другой, которая может иметь другую физическую природу. В

этим структуры разделяют на виды (классы). Сетевые, иерархические, матричные, структуры с произвольными связями и др. Сетевая структура представляет собой декомпозицию системы во времени. Например, сетевая структура может отражать порядок действия технической системы (телефонная сеть, электрическая сеть и т. п.), этапы деятельности человека ( при производстве продукции - сетевой график, при проектировании - сетевая модель, и т.д.), математической моделью сетевой структуры является граф. Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве. Все вершины (узлы) и связи (дуги, ребра) существуют в этих структурах одновременно ( не разнесены по времени). Такие структуры могут иметь два и более число уровней декомпозиции (структуризации). Структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня подчинен одному узлу (вершине), называют иерархическими структурами с сильными связями т.е. структурами типа дерево. Структуры, где элемент нижележащего уровня (один или несколько) может быть подчинен двум и более узлам (вершинам) вышележащего, называют иерархическими структурами со слабыми связями. В принципе, в иерархических структурах важно лишь выделение уровней соподчиненности, а между ними и в пределах уровней между компонентами могут быть любые взаимоотношения. Матричные структуры соответствуют взаимоотношениям между двумя смежными уровнями иерархической структуре со слабыми связями, могут быть многомерными, а в сложных системах иметь одну или две оси образованных, как иерархические структуры.

Для сравнительного анализа структур используются информационные оценки степени целостности a и коэффициента использования компонентов системы в, которые могут интерпретироваться как оценки устойчивости оргструктуры при предоставлении свободы элементам или как оценки степени централизации-децентрализации управления в системе. Эти оценки получены из соотношения, определяющего взаимосвязь системной Сс, собственной Со и взаимной Св сложности системы:

Собственная сложность Со представляет собой суммарную сложность (содержание) элементов системы вне связи их между собой (в случае прагматической информации - суммарную сложность элементов, влияющих на достижение цели). Системная сложность Сс характеризует содержание системы как целого (например, сложность её использования). Взаимная сложность Св характеризует степень взаимосвязи элементов в системе (т.е. сложность её устройства, схемы,структуры).

5. Принципы организации и динамики систем, свойства эмерджентности, энтропии и гомеостазиса систем

Принципы организации систем:

1) единства - совместное рассмотрение системы как единого целого и как совокупности частей;

2) развития - учет изменяемости системы, ее способности к развитию, накапливанию информации с учетом динамики окружающей среды;

3) глобальной цели - ответственность за выбор глобальной цели. Оптимум подсистем не является оптимумом всей системы;

4) функциональности - совместное рассмотрение структуры системы и функций с приоритетом функций над структурой;

5) децентрализации - сочетание децентрализации и централизации;

6) иерархии - учет соподчинения и ранжирования частей;

7) неопределенности - учет вероятностного наступления события;

8) организованности - степень выполнения решений и выводов.

Динамика, или динамизм -- это состояние движения, развития, изменения системы и ее составляющих под воздействием внешних и внутренних факторов. Динамическая система представляет собой постоянно изменяющуюся систему(объект, процесс или явление). Динамическая система также может быть представлена как система, обладающая состоянием. При таком подходе, динамическая система описывает (в целом) динамику некоторого процесса, а именно: процесс перехода системы из одного состояния в другое. Фазовое пространство системы -- совокупность всех допустимых состояний динамической системы. Таким образом, динамическая система характеризуется своим начальным состоянием и законом, по которому система переходит из начального состояние в другое. Различают системы с дискретным временем и системы с непрерывным временем. В системах с дискретным временем, которые традиционно называются каскадами, поведение системы (или, что то же самое, траектория системы в фазовом пространстве) описывается последовательностью состояний. В системах с непрерывным временем, которые традиционно называются потоками, состояние системы определено для каждого момента времени на вещественной или комплексной оси. Каскады и потоки являются основным предметом рассмотрения динамики системы.

Эмерджентность - несводимость свойств системы к свойствам элементов. Эмерджентность - наличие у системы таких свойств, которых нет у ее отдельных элементов. Закон совокупных свойств системы, или закон эмерджентности - свойства системы не сводятся к свойствам ее элементов, а являются результатом их интеграции.

Энтропией называется степень неупорядоченности или степень неопределенности, возникающей при выборе из большого числа всевозможных вариантов разнообразия системы. Для уменьшения энтропии необходимо уменьшить существующую неопределенность, что обеспечивается путем получения информации. Понятия энтропии и количества информации можно использовать для того, чтобы дать характеристику живым и неживым системам. Неживые системы (рассматриваемые обычно как замкнутые) имеют тенденцию развиваться по направлению к состоянию максимальной неупорядоченности и энтропии. Отличительной чертой живых (а значит, открытых) систем является их сопротивляемость процессу разупорядочения и их развитие по направлению к состояниям более высокой организации. Общая теория систем объясняет эти тенденции, основываясь на следующих фактах:

а) обработка информации приводит к соответствующему уменьшению положительной энтропии;

б) получение энергии из внешней среды (увеличение отрицательной энтропии) противодействует ослабевающим тенденциям неотвратимого естественного процесса (увеличению положительной энтропии)

Гомеостазис Первичным качеством любой системы является ее устойчивость. Для простых систем устойчивость объединяет такие свойства, как прочность, стойкость к внешним воздействиям, сбалансированность, стабильность, гомеостазис (способность системы возвращаться в равновесное состояние при выводе из него внешними воздействиями). Для сложных систем, характерны различные формы структурной устойчивости, такие, как надежность, живучесть и т.д. Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия. Возврат в это состояние может сопровождаться колебательным процессом. Соответственно в сложных системах возможны неустойчивые состояния равновесия.

6. Модель и моделирование: основные понятия, назначение, виды моделей и уровни моделирования

Отображения объектов называются моделями, процесс их создания -- моделированием.

Различают физические и абстрактные модели. Физические модели образуются из совокупности материальных объектов. Для их построения используются различные физические свойства объектов, причём природа применяемых в модели материальных элементов не обязательно та же, что и в исследуемом объекте. Примером физической модели является макет. Информационная (абстрактная) модель - это описание объекта исследований на каком-либо языке. Абстрактность модели проявляется в том, что её компонентами являются понятия, а не физические элементы (например, словесные описания, чертежи, схемы, графики, таблицы, алгоритмы или программы, математические описания). Информационные модели описывают поведение объекта-оригинала, но не копируют его. Информационная модель - это целенаправленно отобранная информация об объекте, которая отражает наиболее существенные для исследователя свойства этого объекта. Среди информационных (абстрактных) моделей различают: - дескриптивные, наглядные и смешанные;

- гносеологические, инфологические, кибернетические, сенсуальные (чувственные), концептуальные, математические. Гносеологические модели направлены на изучение объективных законов природы (например, модели солнечной системы, биосферы, мирового океана, катастрофических явлений природы).

Инфологическая модель (узкое толкование) - параметрическое представление процесса циркуляции информации, подлежащее автоматизированной обработке. Сенсуальные модели - модели каких-то чувств, эмоций, либо модели, оказывающие воздействие на чувства человека (например, музыка, живопись, поэзия).

Концептуальная модель - это абстрактная модель, выявляющая причинно-следственные связи, присущие исследуемому объекту и существенные в рамках определённого исследования. Основное назначение концептуальной модели - выявление набора причинно-следственных связей, учёт которых необходим для получения требуемых результатов. Один и тот же объект может представляться различными концептуальными моделями, которые строятся в зависимости от цели исследования. Так, одна концептуальная модель может отображать временные аспекты функционирования системы, иная - влияние отказов на работоспособность системы. Математическая модель - абстрактная модель, представленная на языке математических отношений. Она имеет форму функциональных зависимостей между параметрами, учитываемыми соответствующей концептуальной моделью. Эти зависимости конкретизируют причинно-следственные связи, выявленные в концептуальной модели, и характеризуют их количественно. Таким образом, модель - это специальный объект, в некоторых отношениях замещающий оригинал.

В зависимости от степени детализации описания сложных систем и их элементов можно выделить три основных уровня моделирования.

1. Уровень структурного или имитационного моделирования сложных систем с использованием их алгоритмических моделей (моделирующих алгоритмов) и применением специализированных языков моделирования, теорий множеств, алгоритмов, формальных грамматик, графов, массового обслуживания, статистического моделирования.

2. Уровень логического моделирования функциональных схем элементов и узлов сложных систем, модели которых представляются в виде уравнений непосредственных связей (логических уравнений) и строятся с применением аппарата двухзначной или многозначной алгебры логики.

3. Уровень количественного моделирования (анализа) принципиальных схем элементов сложных систем, модели которых представляются в виде систем нелинейных алгебраических, или интегро-дифференциальных уравнений и исследуются с применением методов функционального анализа, теории дифференциальных уравнений, математической статистики.

7. Классификация методов моделирования систем, аналитические и статистические методы

В зависимости от характера изучаемых процессов в системе моделирование может быть разделено на детерминированное и стохастическое; статическое и динамическое; дискретное и непрерывное.

Детерминированное моделирование применяется для исследования систем, поведение которых можно абсолютно точно предвидеть. Например, путь, пройденный автомобилем, при равноускоренном движении в идеальных условиях; устройство, возводящее в квадрат число и т.п. Соответственно в этих системах протекает детерминированный процесс, который адекватно описывается детерминированной моделью. Стохастическое (теоретико-вероятностное) моделирование применяется для исследования системы, состояние которой зависит не только от контролируемых, но и от неконтролируемых воздействий или в ней самой есть источник случайности. К стохастическим системам относятся все системы, которые включают человека, например, заводы, аэропорты, вычислительные системы и сети, магазины, предприятия бытового обслуживания и т.п.