Теория информационных систем и процессов

Задача реализации заключается в переходе от внешнего описания системы к ее внутреннему описанию. Задача реализации представляет собой одну из важнейших задач в исследовании систем и, по существу, отражает абстрактную формулировку научного подхода к построению математической модели. В такой постановке задача моделирования заключается в построении множества состояний и вход-выходного отображения исследуемой системы на основе экспериментальных данных. В настоящее время задача реализации решена для линейных систем. Для нелинейных систем общего решения задачи реализации пока не найдено.

Обобщенный алгоритм построения математической модели.

Основные этапы:

1) Выделение системы из внешней среды. Выделение связей с внешней средой, разбиение множества связей на входные и выходные параметры. Наблюдение за системой, накопление информации, достаточной для выдвижения гипотез о структуре системы и ее функционирования.

2) Выбор аппарата формализации осуществляется исследователем и зависит от многих факторов: целей моделирования, имеющейся информации, полученных экспериментальных данных.

3) Построение внешнего описания системы, сводится к поиску области определения ( в пространстве входных воздействий) и области значений (в пространстве выхода) размерность, которых была определена на первом этапе, и определении соответствия между входными и выходными параметрами.

4,6)Если проверка адекватности показывает, что построенная модель не удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям и причиной этого является более сложный характер поведения системы, то производится выбор нового метода математического описания.

5)В случае удачного построения внешнего описания производится переход к внутреннему описанию. При этом размерность пространства состояний системы должна быть минимальной.

7) определение (идентификация) качественных и количественных характеристик параметров, определяющих функционирование системы.

В системном подходе выделяют раздел «теории эффективности» связанный с определением количества систем и процессов их реализующих.

«Теория эффективности»- научное направление, предметом изучения которого являются вопросы количественной оценки качества характеристик и эффективности функционирования сложных систем. «Т.Э.» существует для следующих целей:

1) для оптимизации - выбора наилучшего алгоритма из нескольких, реализующих один закон функционирования системы.

2) Для идентификации-определения системы, качество которой наиболее соответствует реальному объекту в заданных условиях.

3) Для принятия решений по управлению системой.

Выделяют 4 этапа оценки сложных систем:

1.Этап: Определение цели оценивания.

В системном анализе выделяют 2 типа целей:

Качественной называют цель, достижение которой выражается в номинальной шкале или в шкале порядка.

Количественной называется цель достижения, которой выражается в количественных шкалах.

2 этап: Измерение свойств системы, признанных существенными для целей оценивания. Выбираются соответствующие шкалы для измерения свойств и всем исследуемым свойствам систем присваивается определенное значение на этих шкалах.

3 этап обоснование предпочтений критериев качества и критериев эффективности функционирования систем на основе измеренных на выбранных шкалах свойств.

4 этап собственно оценивание. Все исследуемые системы рассматриваются, как альтернативы, сравниваются по сформулированным критериям и в зависимости от целей оценивания ранжируются, оптимизируются, выбираются.

Понятие шкалы и виды шкал

Шкала- последовательность чисел, служащая для измерения или количественной оценки каких-либо величин. Формально шкалой называют кортеж из трех элементов, < Х, ц, Y>, где Х - реальный объект; ц- гомоморфное отображение Х на Y.

Отличительная черта: Отношение порядка, не определяемого расстояниями между значениями шкалы.

Измерение применяется в следующих случаях:

-необходимо упорядочить элементы во времени и пространстве;

- нужно упорядочить объекты в соответствии с каким-либо качеством, но при этом не требуется производить его точное измерение;

-какое-либо качество в принципе измеримо, но в настоящий момент не может быть измерено по причинам практического или теоретического характера. Применительно силы ветра, землетрясения, служебное положение и пр.

Шкалы номинального типа

Самой слабой качественной шкалой является номинальная (шкала наименований, классификационная шкала), по которой объектам х_i , или их неразличимым группам дается некоторый признак. Эти значения для разных объектов либо различаются, либо совпадают.

Шкалы номинального типа допускают только различие объектов на основе проверки выполнения отношения равенства на множестве этих элементов.

Номинальный тип шкал соответствует простейшему виду измерений, при котором шкальные значения используются лишь как имена объектов.

Примерами номинальных типов шкал являются номера машин, телефон, коды городов и т.д.

Единственная цель таких измерений выявление различий между объектами разных классов.

Шкалы интервалов

Одним из наиболее важных типов. Содержит шкалы, единственные с точностью до множества положительных линейных допустимых преобразований вида

ц (х) = ах + b

где х У шкальные значения из области определения У; а > 0; b - любое значение

Аксиома:

Либо a~b, либо b~a, если b~a, то a~b, если a~b и b~c, то a~c.

Аксиома упорядоченности

если a>b, то b<a; если a>b и b>c, то a>c;

Дополнительно можно ввести между двумя любыми значениями метрическое расстояние, т.е. какую-либо функцию, удовлетворяющую аксиомам:

f (a,b) ? 0; f (a,b) = 0, если a=b; f (a,b)= f (b,a);

f (a,b) ? f (a,с) + f (с,b)

Основным свойством этих шкал является сохранение неизменными отношений интервалов в эквивалентных шкалах:

(Х₁-Х₂)/(Х₃-Х₄)= (ц( х1) - ц (х2))/ (ц( х3)- ц (х4)) =const;

Примером шкал интервалов могут служить шкалы температур. Переход от одной шкалы к эквивалентной, например, от шкалы Цельсия к шкале Фаренгейта, задается линейным преобразованием шкальных значений: t °F = 1,8 t°C + 32.

Таким образом, при переходе к эквивалентным шкалам с помощью линейных преобразований в шкалах интервалов происходит изменение, как начала отчета (b), так и масштаба измерений (a).

Шкалы интервалов так же, как номинальная и порядковая, сохраняют различие и упорядочение измеряемых объектов.

(Х₁-Х₂)/(Х₃-Х₄)=К

означает, что расстояние между Х₁ и Х₂, в К раз больше , расстояния между Х₃ и Х₄ и в любой эквивалентной шкале это значение сохранится.

Шкалы отношений

Шкалой отношения (подобия) называется шкала, если Ф состоит из преобразований подобия

ц (х)=ax, a>0,

где х ? У, шкальные значения из области определения У; a>0; а- действительные числа.

Остаются неизменными отношения численных оценок объекта; отражают отношения свойств объектов, т.е. во сколько раз свойство одного объекта превосходит это же свойство другого объекта.

Примерами измерений в шкалах отношений являются измерения массы и длины объектов. Известно, что при установлении массы используется большое разнообразие численных оценок. Так, производя измерение в килограммах, получаем одно численное значение, при измерении в фунтах - другое и т.д. Однако можно заметить, что в какой бы системе единиц ни производилось измерение массы, отношение масс любых объектов одинаково и при переходе от одной числовой системы к другой, эквивалентной, не меняется.

Шкалы разностей

Шкалы разностей определяются как шкалы, единственные с точностью до преобразований сдвига

ц(х) - х +b,

где х ? У - шкальные значения из области определения Y; b-действительные числа. Это означает, что при переходе от одной числовой системы к другой меняется лишь начало отсчета.

Применяются в тех случаях, когда необходимо измерить, насколько один объект превосходит по определенному свойству другой объект.

В шкалах разностей неизменными остаются разности численных оценок свойств.

Примерами измерений в шкалах разностей могут служить измерения прироста продукции предприятий (в абсолютных единицах) в текущем году по сравнению с прошлым, увеличение численности учреждений, количество приобретенной техники за год и т. д.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ и РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Системный анализ тесно связан с синергетикой. Синергетика - междисциплинарная наука, исследующая общие идеи, методы и закономерности организации (изменения структуры, ее пространственно-временного усложнения) различных объектов и процессов, инварианты (неизменные сущности) этих процессов.

"Синергический" в переводе означает "совместный, согласованно действующий". Это теория возникновения новых качественных свойств, структур на макроскопическом уровне.

Можно дать и философское определение системного анализа: системный анализ - это прикладная диалектика.

Системный анализ предоставляет к использованию в различных науках, системах следующие системные методы и процедуры:

1. абстрагирование и конкретизация;

2. анализ и синтез;

3. индукция и дедукция;

4. формализация;

5. конкретизация;

6. структурирование;

7. макетирование;

8. основной метод- моделирование;

9. программное управление;

10. распознавание, классификация и идентификация образов;

11. экспертное оценивание и тестирование;

Суть системного анализа заключается в следующем:

1) системный анализ связан с принятием оптимального решения из многих возможных альтернатив;

2) Каждая альтернатива оценивается с позиции длительной перспективы.

3) Системный анализ рассматривается, как методология углубленного понимания , упорядочивания (структуризации) проблемы. Эффективность решения проблем определяется структурой проблем.

4) В системном анализе делается упор на разработку новых принципов научного мышления учитывающих взаимосвязь целого и противоречивые тенденции.

5) Системный анализ применяется для решения стратегических проблем. Все проблемы делятся на 3 класса:

- хорошоструктурные (количественно сформулированные проблемы);

-неструктурные ( качественно выраженные проблемы)

- слабоструктурные (смешанные включают и количественные и качественные элементы).

В состав задач системного анализа входят:

1) Декомпозиции (представление системы в виде подсистем, состоящих из более мелких элементов).

2) Задача анализа (нахождение свойств системы или среды окружающей систему).

3) Композиция.

4) Задача синтеза ( противоположна задаче анализа , при этом должен быть определен класс элементов из которых состоит система).

Аксиомы (принципы С.А.):

1. Требование рассматривать совокупность элементов системы, как одно целое или запрет на рассмотрение системы как простого объединения элементов.

2. заключается в признании того, что свойства системы не просто сумма свойств ее элементов.

3. Максимум эффективности системы.

4. запрещает систему рассматривать данную систему в отрыве от окружающей среды.

Основные этапы и последовательности системного анализа

1) Содержательная постановка задачи;

2) Построение модели изучаемой системы;

3) Отыскание решения задачи с помощью модели;

4) Проверка решения с помощью модели;

5) Подстройка решения под внешние условия;

6) Осуществление решения.

Системный анализ не может быть полностью формализован, но можно выбрать некоторый алгоритм его проведения.

Алгоритм системного анализа:

1) Постановка проблемы (решение сложных проблем предшествующих работе по структуризации данной проблемы).

2) Расширение проблемы до проблематики.(систематизация проблем, связанных с исследуемой проблемой, без учета которой она не может быть решена).

3) Выявление целей (цели указывают направление, в которой надо двигаться, чтобы решить задачу).

4) Формирование критериев.(количественное отражение степени достижения системой поставленных целей).

5) Объединение критериев (объединение в группы критерии, либо замена обобщающим критерием).

6) Генерирование альтернатив и выбор наилучших из них.

7) Исследование ресурсных возможностей.

8) Выбор формализации (моделей) для решения проблемы.

9) Построение системы.

10) Использование результатов проведенного системного исследования.

Системные ресурсы общества:

1) Вещество наиболее изучен (представлен таблицей Менделеева).

2) Энергия (не полностью изученный тип ресурсов, выступает как отражение изменчивости материи, переходов из одного вида в другой, как мера необратимости материй).

3) Информационный аспект. (мало изученный тип ресурсов выступает как отражение порядка структурирования материй, самоорганизации.)

4) человеческий аспект (человек выступает как носитель элемента высшего уровня, и является в экономическом, гуманитарном, социальном смысле важнейшим и уникальным ресурсом).

5) Пространство (мера протяженности материи).

6) Время (мера обратимости/ не обратимости материи).

7) Организация (организованность) форма ресурсов в социуме может иметь различные формы - экономическую, экологическую, социальную определяемую разными факторами).

Задача:

Студент едет в ВУЗ.

1. Материальный и физический ресурс:

- перемещение массы тала;

2. Энергетический аспект:

- трата энергии на перемещение;

3. Информационный:

- информация о маршруте;

4. Человеческий:

- например, водитель транспорта;

5. Пространственный:

- перемещение в пространстве;

6. Временной:

- время в пути;

7. Организационный:

- остановки.

Задача - это некоторое множество исходных посылок, описание цели, определенной над множеством этих данных и, может быть, описание возможных стратегий достижения этой цели или возможных промежуточных состояний исследуемого объекта.

Пример: глобальная экономическая задача - корректное разрешение конфликта между неограниченным человеческим потреблением товаров и услуг и ограниченными ресурсами (материальными, энергетическими, информационными), которые могут быть актуализированы для удовлетворения этих потребностей. При этом рассматривают следующие основные экономические задачи общества:

что производить (какие товары, услуги);

как производить (каким образом и где);

для кого производить (для какого покупателя, рынка).

Решить задачу это определить ресурсы, пути достижения указанной цели при исходных посылках, при наименьших рисках.

При решении задачи следует дать четкую спецификацию системы, т.е. описание всех элементов (подсистем), взаимных связей, цели, функции.

Если плохо описаны условия, цель задачи плохоформализуемые. Поэтому при решении таких задач нужно рассматривать комплекс по анализу данных задач.

Пример плохо формулированных задач является:

- составление формулы интеллекта

- восстановление размытых изображений

- описание функции мозга

- перевод текста с одного языка на другой с помощью ЭВМ

Для этого необходимо структурировать задачу.

Структуры бывают разного типа:

1) линейные структуры

2) иерархические (древовидные)

3) сетевая структура

4) матричная структура

Структура является связанной, если возможен обмен ресурсами между любыми подсистемами ( предполагается , что если есть обмен и -той подсистемы с n-ной, то есть и обмен n-ой, с i-ой). В общем случае можно образовывать сложные m-мерные структуры. Такого типа структуры называют комплексами.

Примером геометрического комплекса может быть плоскостной график, который состоит из вершины и дуг. Если структура плохо описана она называется плохоструктурной. Способность к нахождению решений в плохоструктурных средах - наибольшая.

Важная отличительная черта наличие интеллекта.

По отношению к людям - это способность к абстракции, к машинам - способность к адекватной имитации человеческого интеллекта.

Понятие интеллектуальной задачи- это проблема человеческого интеллекта, целепологания( выбора цели), планирования ресурсов, возможность устранения рисков и построение стратегий его достижения.

Формула интеллекта:

Интеллект= цель+факты+ способы их применения.

Интеллектуальная система - это человеко-машинные системы, которые способны имитировать интеллектуальные процедуры.

В информатике актуальна задача повышения интеллектуальности информационных систем.

Морфологическое описание системы - это описание строения или структуры системы.

Пример

У Джека машина красная, У Питера не черная, не синяя, не голубая, У Майки черная и синяя, У Берри белая и синяя, у Алекса машины всех перечисленных цветов

Когнитология (когнито-познание)- междисциплинарное (философия, нейропсихология, психология, лингвистика, информатика, математика, физика и др.) научное направление, изучающее методы и модели формирования знания, познания универсальных структур схем мышления.

При системном анализе систем удобным инструментом их изображения является инструментарий когнитивной структуризации.

Цель когнитивной структуризации - формирование и уточнение гипотезы о функционировании исследуемой системы, т.е. структурных схем причинно-следственных связей, их количественной оценки.

Причинно следственные связь между системами (подсистемами, элементами) А и В положительна (отрицательна), если увеличение или усиление А ведет к увеличению или усилению (уменьшению или ослаблению) В.

Кроме когнитивных схем могут использоваться когнитивные решетки, (шкалы, матрицы), которые позволяют определить стратегии поведения (например, производителя на рынке).

Решетка образуется с помощью системы факторных координат, где каждая координата соответствует одному фактору или некоторому интервалу изменения этого фактора. Каждая область решетки соответствует тому или иному поведению. Показатели могут быть относительными (например от 0 до 1); абсолютными (от минимального до максимального), биполярными (высокий-низкий); четкими и нечеткими; детерминированными и недетерминированными;. Обычно такие решетки полезны для оптимизации федерального и регионального бюджета и др.

Когнитивный инструментарий позволяет снижать сложность исследования, формализации, структурирования, моделирования системы.

В мире системно все: практика и практические действия, знания и процесс познания, окружающая среды и связи с ней.

Большие и сложные системы.

1) по отношению системы к окружающей среде:

- открытые

- закрытые

2) по происхождению системы:

- искусственные (механизмы, орудия, машины)

- естественные (социальные, экологические, живые, неживые)

- виртуальные (реально не существующие, но функционирующие)

- смешанные (экономические, биотехнические, организационные)

3) по описанию переменных системы:

- с качественными переменными

- с количественными переменными

- смешанные.

4) по типу описания законов функционирования системы:

- типа «черный ящик»

- не параметризованные (закон не описан, известны лишь априорные свойства)

- параметризованные (закон известен)

5) по способу управления системой:

- управляемые из вне системы ( без обратной связи, регулируемые)

- управляемые изнутри системы (самоуправляемые, саморегулируемые).

- с комбинированным управлением.

Под регулированием системы понимается коррекция управляющих параметров по наблюдению за траекторией поведения системы - с целью возврата системы в нужное состояние (гомеостаз).

Система называется большой, если ее исследование или моделирование затруднено из-за большой размерности.

Сложность системы может быть внутренней или внешней.

Внутренняя сложность определяется сложностью множества внутренних состояний.

Внешняя сложность определяется сложностью взаимоотношений с окружающей средой.

Сложные системы также бывают:

1) сложности структурой (статической)- не хватает ресурсов для построения описания управления структурой.

2) динамической (временной) системе не хватает ресурсов для описания динамики поведения системы и управления ее траекторией.

3) информационной или информационно-логической, инфологической не хватает ресурсов для информационного описания системы.

4) Вычислительной - не хватает ресурсов для расчета параметров системы.

5) Алгоритмической или конструктивной не хватает ресурсов для описания алгоритмов функционирования и управления системой.

6) Системного развития (эволюции) или самоорганизации - не хватает ресурсов для устойчивого развития и самоорганизации.

Структурная сложность системы оказывает влияние на динамическую и вычислительную сложность. Изменение динамической сложности может привести к изменению структурной сложности (но не всегда). Сложной системой может быть и система не являющаяся большой.

Пример: Рассмотрим процедуру деления единичного отрезка с последующим выкидыванием среднего из трех и достраиванием на выкинутом отрезке равностороннего треугольника; эту процедуру можно повторять каждый раз вновь и вновь (итерация)- этот процесс является структурно простым, но динамически является сложным, т.е. система становится все больше и больше, все сложнее и сложнее.

Система называется связной, если любые 2 подсистемы обмениваются ресурсами.

Мера сложности системы

При определении меры сложности системы важно выделить инвариантные свойства систем или информационные инварианты и вводить меру сложности системы на основе их описания.

Пусть м(S)- мера сложности или функция (критерий, шкала) заданная на некотором множестве элементов подсистемы S.

Возможны различные способы определения сложности структуры системы.

Сложность структуры можно определить топологической энтропией - сложностью конфигурации структуры.

S = k * ln(W)

где k = 1.38 * 10^?16 (эрг/град) -- постоянная Больцмана, W -- вероятность состояния системы.

Понятие сложности детализируется и конкретизируется в различных предметных областях по-разному. Для конкретизации этого понятия необходимо учитывать предысторию, внутреннюю структуру (сложность) системы и управления, приводящие систему к устойчивому состоянию. На практике все внутренние связи достаточно трудно не только описать, но и обнаружить.

В эколого-экономических системах сложность системы может часто пониматься как эволюционируемость. В математических, формальных системах сложность системы может пониматься как алгоритмизируемость, вычислимость оператора системы S.

При исследовании сложности систем (явлений) полезно представлять (описывать) системы описанными выше симплициальными комплексами.

Управление в системе и управление системой

Управление в системе - это внутренняя функция системы, выполняемая в системе независимо от того какими элементами она должна выполнятся.

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

Управление в системе осуществляется для следующих целей:

1) для увеличения скорости передачи сообщений;

2) Увеличение объема передаваемых сообщений;

3) Уменьшения времени обработки сообщения;

4) Увеличения (модификации) связей системы;

5) Увеличения информированности.

Функции и задачи управления системой:

1) организация системы - полное, качественное выделение подсистем, описание их взаимодействий, структуры системы.

2) Прогнозирование поведения системы, т.е. исследование будущего системы.

3) Планирование (координация во времени, в пространстве, по информации) ресурсов и элементов, необходимых и достаточных для достижения цели системы.

4) Учет и контроль ресурсов.

5) Адаптация и приспособление системы к изменениям внешней среды.

6) Реализация спланированных состояний, решений.

Для управления системой необходимо выполнить принцип «Эшби» (принцип необходимого разнообразия): Управляющая подсистема какой-либо системы должна иметь более высокий уровень организации (или большее разнообразие, больший выбор), чем управляемая подсистема, т.е. многообразие, может быть управляемо (разрушено) лишь многообразием.

Эволюция и устойчивость системы

Эволюция систем - целенаправленное (на основе выбора) движение, изменение этих систем (как неравновесных систем) по некоторой траектории развития.

Устойчивость систем - это способность системы сохранять свое движение по траектории и свое функционирование. Асимптотическая устойчивость системы состоит в возвращаемости системы к равновесному состоянию при времени стремящемся к бесконечности из любого не равновесного состояния.

Эффективностью системы называют способность оптимизации некоторых критериев эффективности. Это способность системы производить ресурсоориентированный эффект и не ухудшать движение по пути к достижению поставленной цели.

Критерием эффективности могут быть любые параметры.

Развиваемость, управляемость, эффективность систем определяющим образом влияет на стратегическое планирование и выработку организационных стратегий.

Стратегическое планирование в системах ресурсообеспеченные и целенаправленные действия руководства, ведущие к разработке наилучших в смысле стратегии динамического поведения всей системы, которые связаны с постановкой или осуществлением задач:

- распределение ресурсов;

- адаптация к изменениям внешних факторов;

- внутренняя координация и мобилизация;

-осознание организационных стратегий и целей.

Конъюнкция - это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым высказываниям составное высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба исходные высказывания истинны.

Дизъюнкция - это логическая операция, которая каждым двум простым высказываниям ставить в соответствие составное высказывание, являющееся ложным, и истинным, когда хотя бы одно из двух образующих его высказываний истинно.

Инверсия - логическая операция, которая каждому простому высказыванию ставит в соответствие составное высказывание, заключающееся в том, что исходное высказывание отрицается.

Информация и информационные системы

Информация - фундаментальное свойство материй, некоторая последовательность сведений и знаний, которые актуализированные ( получаем, преобразовываем регистрируем) с помощью некоторых знаков. (звук, символы, образы и др.)

Информация по отношению к окружающей среде бывает трех типов

-входная информация (информация которую система воспринимает и отражает от окружающей среды)

- выходная информация (выдает информацию в окружающую среду)

- внутренняя (внутрисистемная информация)

Важным понятием информации по отношению к конечному результату решаемой проблемы бывает:

-исходная (на стадии начала испытания при решении задачи);

-промежуточная (от начала до завершения актуализации информации);

-результирующая (после исп. Информации завершении ее актуализации);

Информация по изменчивости по ее актуализации:

-постоянная (опред. сигналы)

-переменная

-смешанная (условно постоянная)

Информация в системе может актуализироваться в режимах

- последовательно (по порядку)

- параллельно (все сообщения обрабатываются одновременно)

- последовательно-параллельный (смешанный)

Методы получения используемой информации и системного анализа

Условно можно разделить на три группы:

1) эмпирические методы

2) теоретические методы (построения теорий)

3) эмпирико-теоретические методы (смешанные, полуэмпирические).

Эмпирические методы:

1) Наблюдение-сбор первичной информации или эмпирических утверждений о системе;

2) Сравнение- установление общего и различного в исследуемой системе;

3) Измерение- нахождение и формулирование эмпирических законов, фактов, условий, закономерностей в системе;

4) Эксперимент - целенаправленное преобразование исследуемой системы для выявления ее свойств.

Так же используется опрос, интервью, тестирование и др.

Эмпирико-теоретические методы:

1) абстрагирование- установление общих свойств и сторон объекта замещение объекта или системы ее моделью.

абстрагирование понимается в двух смыслах:

а) метод исследования некоторых явлений, объектов, в результате которых можно выделить основные наиболее важные для исследования свойства и игнорировать несущественные, второстепенные.

б) описание или представление объекта, получаемое с помощью метода абстрагирования.

2) абстракция - потенциальная осуществляемость, т.е. свойства системы, могли бы быть осуществимы в случае, если нет никаких ограничений по ресурсам (например, время, вещество, пространство)

3) анализ-разъединение системы на подсистемы с целью выявления их взаимосвязей.

4) синтез- соединение подсистем в систему с целью выделения их взаимосвязей.

5) Индукция- получение знаний о системе по знаниям, о подсистемах; индуктивное мышление - распознаванию эффективных решений, затем решение этих проблем.

Индукция от частного к общему.

5)дедукция-получение знания о подсистемах по знаниям, о системе.

6) эвристика, использование эвристических процедур - получение знания о системе по знаниям о подсистемах, наблюдениям, опыту.

7) Моделирование - получение знаний о системе с помощью модели и/или приборов.

8) Исторический метод- нахождение знаний о системе путем использования ее предыстории, причем реальной или виртуальной.

9) Логический метод- метод нахождения знаний о системе путем воспроизведения его некоторых подсистем, связей или элементов в мышлении, сознании.

10) Макетирование - получении информации по макету объекта или системы.

11) актуализация -- получение информации с помощью активизации, инициализации ее, т.е. переводом из статического (неактуального) состояния в динамическое (актуальное) состояние.

Применяя все необходимые связи и отношения с внешней средой должны быть, учтены (именно они актуализируют систему).

12) визуализация- метод получения информации с помощью наглядного представления состояния актуализируемой системы.

Кроме этого - мониторинг (системы наблюдения), деловые игры, имитация, экспертные оценки и др.

Теоретические методы:

1) восхождение от абстрактного к конкретному- получение знаний о системе на основе знаний о ее абстрактных проявлениях в сознании, в мышлении.

2) Идеализация- получение знаний о системе или ее подсистемах путем мысленного конструирования, т.е. представления в мышлении систем/подсистем не существующей в действительности.

3) Формализация- получение знаний о системе с помощью знаков или формул, т.е. знаков искусственного происхождения.

4) аксиоматизация- получение знаний о системе или процессе с помощью некоторых, специально для этого сформулированных аксиом и правил вывода, т.е. правил получения выводов, знаний из аксиом.

5) Виртуализация- получение знаний о системе созданием особой среды, обстановки, ситуации (в которую помещается исследуемый объект), которую реально без этой среды невозможно реализовать и получить соответствующие знания.

Для получения информации все эти методы применяются системно.

Пример:

Для построения модели планирования и управления производством в рамках страны, регионе, области необходимо решить ряд проблем:

1) Определить структурные свойства системы. (как вертикальные, так и горизонтальные), уровни управления и принятия решений, ресурсы,

При этом чаще используются методы: наблюдения, сравнения, измерения, эксперимента, анализа и синтеза, дедукции и индукции, эвристический, исторический и логический, макетирование.

2) Определение гипотезы, цели, возможные проблемы планирования.

Методы: наблюдение, сравнение, эксперименты, абстрагирование, анализ, синтез, дедукция и индукция, эвристический, исторический, логический и др.

3) Конструирование эмпирических моделей системы.

Методы: абстрагируемый анализ, синтез, индукция и дедукция, формализация, идеализация.

4) Поиск решения проблем планирования и просчет различных вариантов, директив планирования, поиск оптимального решения.

Дерево целей

Дерево целей представляет собой упорядоченную иерархию целей, которая характеризует их соподчиненность и внутренние взаимосвязи. Процесс конкретизации целей от высших уровней к низшим представляет дерево, растущее вверх ногами: структура целей представляется виде ветвей, строение которых исходит из следующих положений:

1) Все Д.Ц.- это единое, но при этом детализирующее цель системы.

2) Цель каждого уровня иерархии определяется целями вышестоящего уровня.

3) По мере перехода от цели к подцели они приобретают более конкретный характер; требуемые для реализации цели ресурсы можно рассматривать лишь на нижних уровнях дерева целей.

4) Подцели являются средствами к достижению непосредственно связанной с ними вышестоящей цели, сами же они при этом выступают как цели по отношению к более низкой ступени.

5) Цель высшего уровня иерархии достигается лишь в результате реализации подцелей, на которые она распадается в дереве целей.

Дерево целей детализир. по различным принципам:

1) предметный принцип предполагает разбиение целей на подцели той же природы, только более дробные.

2) Функциональный принцип состоит в выявлении отдельных функций, совокупность которых определяется содержания детализир. Цели.

3) По этапам производственного цикла (производство, распределение, обмен, потребление).

4) По этапам принятия решения.

5) По составным элементам процесса производства.

При построении цели должны быть обеспечены: непрерывность, последовательность, полнота декомпозиции цели, исключение возможности ввода промежуточных понятий между целью и подцелью, а так же изъятие любой подцели без изменения понятия цели.

Принцип построения дерева цели. заключается в следующем:

1) формулируется и фиксируется общая цель нулевого (верхнего) уровня, для этого эксперты составляют « сценарий» предназначенный для выявления происходящих в системе наиболее важных изменений, построение прогноза развития, влияние процесса науки и техники и др.

2) На основе составленного сценария строят вариант дерева целей. (примерно от 5 до 9 уровней). При этом цели каждого очередного уровня формулируются так, чтобы они полностью обеспечивали достижение соответствующих целей вышестоящего уровня.

Таким образом вариант Д.Ц.- это графика с логикой и/или т. е. включает альтернативы. В таком случае взамен целей одного уровня может быть и 4-х типов:

1) взаимоотношения целей А достигается, если достигается В (и наоборот).

2) Взаимоисключение целей или А или В.

3) Безразличие целей. Цель А независимо от В.

4) Конкуренция целей, т.е ограничение количества ресурсов может быть отправлено либо на достижения А, либо на достижения В.

Эксперты производят оценку варианта структуры Д.Ц., которое сводится к уточнению и количественному описанию его элементов. При этом заполняют Д.Ц. упущенными элементами и изымают лишние. Это работа выполняется с помощью метода Делфи. Производится несколько Д.Ц. построенных с использованием анкетного метода. Производится «корректировка» предлагаются все количественные оценки. Обычно применяют оценки в десятичных долях или трикачественные (неважно, важно, очень важно) с помощью специальных процедур и специальных программ усредняется мнение экспертов и устанавливается уточненный вариант Д.Ц.

Контроль формирования дерева целей

Формирование Д.Ц. является творческой коллективной работой, при этом, возникают ошибки. Поэтому соблюдение некоторых формальных правил могут свести эти ошибки к минимуму:

Правила:

1) Когда вы выстраиваете Д.Ц. необходимо контролировать правильно ли определен предмет деятельности, атак же требования к тем задачам и ветвям на которые помещена данная цель. Правильность группировки целей по характеру деятельности.

2) Необходим контроль схемы какого-либо процесса.

3) Д.Ц. представляет собой модель кибернетической системы с обратными связями (в теории аспектов), поэтому контроль можно осуществлять по обратным связям и др.

Возможность реализации Д.Ц.

От наличия необходимых ресурсов зависит возможность реализации дерева целей. Но практике сталкивание с такой ситуацией, когда объем необходимых ресурсов превышает объем наличных резервов. В этом случае возможна реализация Д.Ц. в некотором объеме. С этой целью необходимо осуществить оценку всех целей по их коэффициенту относительно важности и распределение имеющихся ресурсов согласно этим оценкам. Процедура определения и распределения ресурсов (в усовершенствовании их ограниченности) начиная с послед, выглядит следующим образом:

При недостатке ресурсов рассматривается возможность изъятия Д.Ц. малозначимымых целей, после чего происходит перераспределение ресурсов. Ресурсы будут снова и снова распределятся, пока необходимые ресурсы не будут соответствовать ресурсам, которые в наличии.

Методы экспертных оценок

Задачи, которые решают специалисты:

1) Постановка проблемы. (цели, задачи, границы и основные этапы);

2) Разработка процедуры экспертизы

3) Отбор экспертов (оценка компетентности) составление группы экспертов.

4) Проведение опросов и согласование оценок;

5) Формализация полученной информации, проверка, интерпретация.

Работа по отбору экспертов начинается со списка компетентных лиц в выбранной области. Такой список служит основой для выбора экспертов. С помощью специальных методов оценки определяющих их качество.

Различают 4 группы таких методов:

1) Методы самооценки

2) Методы оценки группой каждого специалиста

3) Оценка на основе результатов прошлой деятельности эксперта.

4) Методы оценки компетентности кандидатов в эксперты.

В зависимости от важности и сложности в состав включают 5-7 человек специалистов в данной области знаний. Обязательно включают социологов, математиков, специалисты по экспертным методам. С постановки проблемы начинают подготовку экспертизы. Прежде всего, знакомятся с предысторией и настоящим временем, проводят предварительный анализ проблемы. Уточняют все внутренние и внешние связи, определяют границы, включающие в рассмотрение материала.

Основные понятия, используемые при экспертизе

Перевод цели и задачи экспертизы на язык вопросов. Требует от организаторов экспертизы сложности работы, для чего необходимо сформулировать вопросы в виде конкретной анкеты.

Анкета представляет собой структурно-организационный перечень вопросов, каждый из которых связан с главной задачей экспертизы.

Все вопросы разделяют на 3 группы:

1) Данные о самой экспертизе (возраст, должность, стаж, образование, научные степени и т. д).

2) Вопросы по существу исследуемой проблемы.

3) Вопросы позволяющие оценить мотивы, которых придерживался эксперт в своем анализе.

Вопросы различаются на :

- открытые и закрытые;

- косвенные и прямые;

- полузакрытые.

Вопрос считается открытым, если ответ может быть дан в любой форме и ничем не регламентирован. Закрытым, если в его формулировке содержатся варианты возможных ответов, а эксперт должен выбрать один или несколько. Полузакрытым, если перечнем предусмотрена возможность любых дополнительных замечаний.

Кроме этого различают три вида вопросов, по которым дается экспертная оценка:

1) Вопросы, ответы на которые содержат полную оценку.

2) Вопросы, требующие содержательного ответа в сжатой форме.

3) Вопросы, требующие содержательного ответа в развернутой форме.

Опрос и согласование полученных оценок

Для этого проводят опрос в несколько туров, на каждом из которых эксперт информирован о результатах предыдущих этапов и просят обосновать свое мнение, что позволяет уменьшить разброс индивидуальных оценок.

В общем случае статистический анализ ответов, полученных от группы экспертов, включает оценку степени согласованности экспертов и выявления причин разброса мнений (учитывается «вес» того или иного эксперта). В таких случаях рассчитывается средневзвешенная оценка

R₁O₁+R₂O₂+…..+R_nO_n

Pw= R₁+R₂+……+R_n

Где R - вес приписываемый каждому эксперту, а О оценка получаемая от каждого эксперта.

Если необходимо выявить согласованность экспертов по нескольким признакам, объектам и факторам, влияющим на конечный результат, рассчитывают коэффициент координации или согласия.

Обработка информации, полученной от экспертов:

Формализация экспертной информации зависит от особенностей объекта, надежности и полноты данных.

Форма представления данных зависит от принятого критерия.

Данные полученные в результате формализации должны помочь выбрать из множества действий одно или несколько наиболее предпочтительных.

Рациональное использование информации возможно при условии преобразования в форму удобную для дальнейшего анализа.

Для этого информацию нужно измерить и придать числовые значения для этого применяются различные правила, которые создаются шкалами, налагающими определенные ограничения на способ их преобразования.

Простейшей шкалой является номинальная (шкала классификаций наименований).

Задача такой шкалы - классификация различных объектов, а основное правило - не приписывать одного числа различным объектам, если или различных чисел одному объекту.

Номер присваивается, как ярлык, не имея количественного значения, эта номинальная шкала имеет ограниченное применение. В таких случаях используется шкала порядка (ранжирование).

Ранжирование -- это расположение объектов исследуемой системы в порядке их относительной значимости.

Расположение объектов по порядку предполагает их соизмеримость, с каким - либо свойством или качеством. Наиболее распространенными способами упорядочивания являются ранжирование и метод непосредственной оценки.

Ранг- это показатель, характеризующий порядковое место оцениваемого объекта в группе других.

При ранжировании эксперт должен расположить объект, факторы и альтернативы в порядке, который представлен ему наиболее рациональным приписать каждому из них числа натурального ряда, так называемые ранги (1,2,3…).

Ранг1- наиболее предпочтительная альтернатива, а Ранг n- наименьшая.

Поэтому порядковая шкала, полученная в результате ранжирования должна удовлетворять условию равенства рангов числа N (число ранжированных альтернатив). Ранжирование используется для оценки значимости объекта в сочетании с методом непосредственной оценки.

Метод непосредственной оценки - состоит в том, что диапазон измерения какой-либо качественной переменной разбивается на несколько интегралов, каждому из которых присваивается определенная оценка.

Задача эксперта поместить данный объект в определенный оценочный интеграл.

Недостаток - относительно низкое качество одного из факторов можно компенсировать за счет более высокого качества другого фактора.

Для повышения надежности нужно выявить и установить количественных связи между всеми важными для выбора решения факторами.

Для этого используют интервальные или порядковые шкалы. А также методы:

1) последовательных предпочтений;

2) парных сравнений;

3) последовательных интервалов.

Коллективная экспертная оценка может проводиться с учетом и без учета компетентности экспертов. В случае, когда учитывается - оценка умножается на коэффициент компетентности. При наличии нескольких начально-различных целей рассчитывается комплексная оценка, которая определяется как среднеарифметическая с учетом веса каждого фактора по формуле:

S=W₁O₁+W₂O₂+…+ W_nO_n,

где W- веса отдельных факторов и О- оценки факторов.

Метод анализа иерархий (МАИ)

Применяется для исследования транспортной системы, проведения анализа эффективности распределения ресурсов программирования.

Основная цель - исследовать все факторы, влияющие на достижение цели распределений по уровням в зависимости от степени и характера влияния.

На первом уровне всегда находится одна вершина (цель проводимого исследования). Второй уровень иерархии составляют факторы, непосредственно влияющие на достижение цели. При этом каждый фактор в строящейся иерархии представлен вершиной, соединенной с вершиной первого уровня. Третий уровень составляют факторы, от которых зависят вершина второго уровня и так далее пока не получим всю структуру.

По окончании построения иерархии для каждой вершины проводится оценка весовых коэффициентов, определяющих степень ее зависимости от влияющих на нее вершин более низкого уровня. При этом используется метод попарных сравнений.

Метод попарных сравнений

Рассматриваемая модификация предназначена для определения структуры изучаемого объекта. В данном методе факторы сравниваются попарно по отношению их воздействию на общую для них характеристику.

Пусть в конкретной задаче необходимо определить состав некоторого объекта, причем предположим А₁, А2 …А_n -основные факторы, определяющие состав объекта. Тогда для определения структуры составляется матрица парных сравнений

Если обозначить фактор Ai через Wi, то элементы матрицы:

aij=wi/wj,

Если w₁, w₂,…w_n. не известны заранее, то попарное сравнение элементов производится с использованием субъективных структурных оценок по шкале, а затем решается проблема нахождения w.

Матрица попарного сравнения являющаяся положительной, определяет обратно симметричный имеющий ранг1.

Существует несколько методов вычисления искомого вектора, каждый из методов позволяет кроме непосредственного нахождения вектора отвечать на другие вопросы.

В МАИ производится опосредованное сравнение факторов Аi и aj через соответствующее сравнение этих факторов с фактором Аn

Методики системного анализа. Сущность методик системного анализа.

Методики, реализующие принципы системного анализа направлены на то, чтобы формализовать процесс решения задачи, процесс исследования системы.

Методика системного анализа разрабатывается и применяется обычно, в тех случаях, когда у исследователя нет необходимых (полных) сведений о системе. В основе всех методик лежат 2 общих этапа, определяющих процесс формирования модели от процедуры ее оценки и анализа, т.к эти этапы выполняются с помощью разных методов:

1. Формирование варианта принятия решения проблемы;

2. Оценка, анализ первого варианта принятия решений и выбора наилучшего из них.

Эти этапы могут постоянно повторятся пока не будет найдено решение..

Возможные названия этапов применительно к конкретным задачам. (по Шистерову).

Решаемая проблема (задача)	1-ый этап	2-ой этап
-Анализ целей; - Формулирование основных направлений развития предприятия или организации; -Выбор структуры плана.	Формирование начального варианта структуры целей (направлений, план)	Оценка и анализ первоначального варианта структуры целей и выбора наилучшего варианта или корректировка структуры
Разработка (совершенствование) организованной структуры управлением предприятием (регионом и т.д.)	Разработка первоначального варианта оргструктуры	Оценка первоначального варианта оргструктуры, и выбор наилучшего из вариантов
Организация процесса принятия решения (для управленческой или проектной задачи)	Формирование первоначальной модели принятия решений	Анализ модели принятия решения и выбор наилучшего варианта решения задачи.
Организация процесса реализации решения (для управленческих решений)	Формирование вариантов прохождения решения в оргструктуре системы управления	Анализ вариантов прохождения решения в оргструктуре и выбор наилучшего варианта, подготовки и реализации управленческого решения

Таким образом, все методики системного анализа разрабатываются для того, чтобы должным образом организовать процесс принятия решений в сложных проблемных ситуациях. При этом желательно, чтобы в методике предусматривалась возможность выбора метода моделирования.

Примеры выделения этапов в методиках системного анализа по Э. Квейду, по С. Янгу, С. Оптнер, Е.П. Голубков, Ю.И. Черняк.

Наряду с указанными методами, могут применятся методы формализованного представления систем, что предполагает математическое описание функционирования системы, т.е. ее математической модели.

Однако сложность реальных систем не всегда позволяет строить абсолютно адекватные модели.

Математическая модель описывает систему в упрощенном абстрактном виде, когда речь идет только о главных факторах, действующих на систему.

Наиболее пригодными являются уровни абстрактного описания систем:

1. Символический (лингвистический);

2. теоретико-множественный;

3. абстрактно-алгебраический;

4. топологический;

5. логико-математический;

6. теоретико-информационный;

7. динамический;

8. эвристический.

Условно первые четыре уровня относятся к высшим уровням описания систем, а последние четыре - к низшим.

Для организации сложных экспертиз могут применять метод решающих матриц Г.С. Поспелова и подход, основанный на использовании различного рода оценок степени соответствия.

Выбор метода функционирования и оценки моделей зависит от степени неопределенности у при разработке методики сначала нужно обосновать каким классом определяется проблема, на этой основе решить вопрос о выборе метода моделирования.

Методика PATTERN

Помощь планированию посредством относительных показателей технической оценки

- одна из первых методик системного анализа, в которой были определены порядок, методы формирования и оценки приоритетов элементов структур целей.

Инициатор Ч. Дэвис вице-президент корпорации, не приносящей прибыли занимающейся разработкой военных доктрин, рекомендаций для выбора проектов новых систем вооружения и т.д.

Методика примечательна тем, что обобщены методы анализа.

Написание сценария - первый этап PATTERNа, и сочетает в себе синусоидальный анализ и нормативный прогноз.

Сценарий предполагает подробное описание проблемной ситуации. После чего устанавливается последовательность событий с целью показать: как, исходя, из существующего положения вещей будет постепенно развертываться объекта исследования.

Принципиальная структура метода PATTERN

В качестве основы для формирования и оценки дерева целей разрабатывается нормативный прогноз и прогноз ИИТ.

Одним из главных руководителей разработки был С. Зигфорд, в группу входили 15 квалифицированных специалистов.

Практика использования систем PATTERN продемонстрировала возможность проводить анализ сложных проблемных ситуаций, распределять по важности огромное количество данных в любой области деятельности.

Основные идеи методики, применяемые в различных областях:

1. Расширение решения;

2. проектирование

3. создание систем различной сложности.

Глубина прогнозирования в системе PATTERN составляет 10-15 лет, что соответствует жизненному циклу становления и старения техники.

Главное достоинство методики PATTERN состоит в том, что в ней предложена идея структуризации целей и определены классы критериев: оценки относительной важности, взаимной полезности, состояния и сроков разработки.

Работы Черняка с 1973г. стали первыми работами, в которых он применил не только функции дерева целей, но и разработал концепции о соответствии двух шкал развития сложных систем пространственной и временной.

Методика системного анализа. Ванеева А.Н, Денисова А.А. (МАИ)

Методика, основанная на двойственном определении понятия система.

В одном случае система определена как вещь, т. е. определенные объекты и элементы, а в другом систему характеризуют какие-либо отношения.

То есть в первом случае системообразующие отношения устанавливаются по свойствам объектов, а во втором через свойство структуры системы.

Представления:

Процедурное представление (расчленение) как количественное множество объектов, на котором реализуется заранее определенное отношение с фиксированными свойствами. (Г.Д. Кошарский)

Факторное представление: как множество объектов, обладающих заранее определенными свойствами (и с фиксированными между ними отношениями).

Для создания метода нужно совместно использовать оба представления и факторное т процедурное.

Методика основана на концепции системы учитывающей среду и целепологание. ( автор Сагатовский В.Н.)

Принципиальная особенность системы:

1) Система взаимодействует со средой.

...