Принципы системного анализа

 

Универсальной методики – инструкции по проведению системного анализа не существует. Специфической особенностью любой методики системного анализа, создаваемой системным аналитиком, для каждого конкретного случая является то, что она должна опираться на понятие системы и использовать закономерности построения, функционирования и развития систем. Общим, для всех методик системного анализа является определение закона функционирования системы, формирования вариантов структуры системы и выбор наилучшего путем решения задач декомпозиции, анализа исследуемой системы и синтеза системы, снимающего проблем. Основой построения методики анализа и синтеза в конкретных условиях является соблюдение принципов системного анализа.

Принципы системного анализа – это некоторые положения общего характера, являющиеся обобщением опыта работы человека со сложными системами. Наиболее часто выделяют следующие принципы: конечной цели, измерения, эквифинальности, единства, связанности, модульного построения, иерархии, функциональности, развития (историчности; открытости), децентрализации, неопределенности.

Принципы конечной цели. Это абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели. Принцип имеет несколько правил:

- для проведения системного анализа в первую очередь сформулировать цель исследования; расплывчатые, не полностью определенные цели влекут за собой неверные выводы;

- анализ следует вести на базе первоочередного уяснения основной цели (функции, основного назначения) исследуемой системы, что позволит определить ее основные существенные свойства, показатели качества и критерии оценки;

- при синтезе систем любая попытка изменения или совершенствования должна оцениваться относительно того, помогает или мешает она достижению конечной цели;

- цель функционирования искусственной системы задается, как правило, системой, в которой исследуемая система является составной частью.

Принцип измерения. Представление системы, как части более общей суперсистемы и проведение оценки внешних свойств исследуемой системы относительной целей и задач суперсистемы, т.е. о качестве функционирования какой-либо системы можно судить только применительно к системе более высокого порядка

Принцип эквифинальности. Это форма устойчивости по отношению к начальным и граничным условиям, т.е. система может достигнуть требуемого конечного состояния, не зависящего от времени неопределяемого исключительно собственными характеристиками системы при различных начальных условиях и различными путями.

Принцип единства. Рассмотрение системы как целого и как совокупности частей, (элементов), ориентировано на «взгляд внутрь» системы, на расчленение ее с сохранением целостных представлений о системе.

Принцип связанности. Выявление связей между элементами системы и выявление связей с внешней средой (учет внешней среды), позволяет рассматривать систему как часть (элемент, подсистему) другой системы, называемой суперсистемой или старшей системой.

Принцип модульного построения. Рассмотрение системы как совокупности модулей, что позволяет вместо части системы исследовать совокупность ее входных и выходных воздействий (абстрагирование от излишней детализации).

Принцип иерархии. Введение иерархии частей и их ранжирования, для упрощения разработки системы и установления порядка рассмотрения частей.

Принцип функциональности. Совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой. Принцип утверждает, что любая структура тесно связана с функцией системы и ее частей. В случае придания системе новых функций полезно пересматривать ее структуру, а не пытаться втиснуть новую функцию в старую структуру (схему), поскольку выполняемые функции составляют процессы, то целесообразно рассматривать отдельно процессы, функции, структуры. В свою очередь процессы сводятся к анализу потоков различных видов:

- материальный поток;

- поток энергии;

- поток информации;

- смена состояний.

С этой точки зрения структура есть множество ограничений на потоки в пространстве и во времени.

Принцип развития. Учет изменяемости системы, ее способности к развитию, адаптации, расширению, замене частей, накапливанию информации. В основу синтезируемой системы требуется закладывать возможность развития, наращивания, усовершенствования. Для вскрытия закономерностей функционирования системы принцип развития ориентирует на необходимость учета предыстории ее развития и тенденций, имеющихся в настоящее время. Одним из способов реализации этого принципа разработчиками является рассмотрение системы относительно ее жизненного цикла, условными фазами которого являются проектирование, изготовление, ввод в эксплуатацию, эксплуатация, наращивание возможностей (модернизация), вывод из эксплуатации (замена), уничтожение.

Принцип децентрализации. Сочетание в сложных системах централизованного и децентрализованного управления, причем степень централизации должна быть минимальной, обеспечивающей выполнение поставленной цели.

Недостаток децентрализованного управления – увеличение времени адаптации системы. Он существенно влияет на функционирование системы в быстро меняющихся средах. То, что в централизованных системах можно сделать за короткое время, в децентрализованной системе будет осуществляться, весьма медленно.

Недостатком централизованного управления является сложность управления из-за огромного потока информации, подлежащей переработке в старшей системе управления. Поэтому в сложной системе обычно присутствуют два уровня управления. В медленно меняющейся обстановке децентрализованная часть системы успешно справляется с адаптацией поведения системы к среде и с достижением глобальной цели системы за счет оперативного управления, а при резких изменениях среды осуществляется; централизованное управление по переводу системы в новое состояние.

Принцип неопределенности. Учет неопределенностей и случайностей в системе, в которой структура, функционирование или внешние воздействия не полностью определены.

Сложные открытые системы не всегда подчиняются вероятностным законом. В таких системах можно оценивать «наихудшие» ситуации и рассмотрение приводить для них. Этот метод обычно называют методом гарантированного результата. Он применим, когда неопределенность не описывается аппаратом теории вероятностей.

При синтезе таких систем часто закладывается возможность адаптации системы к случайностям и перестройки структуры системы для улучшения показателей эффективности ее функционирования.

Перечисленные принципы обладают очень высокой степенью общности. Для непосредственного применения исследователь должен наполнить их конкретным содержанием применительно к предмету исследования. Однако знания и учет принципов позволяют лучше увидеть существенные стороны решаемой проблемы, учесть весь комплекс взаимосвязей, обеспечить системную интеграцию.

 

Методы системного анализа

 

Общий подход к решению проблемы в рамках системного анализа заключается решении ряда типовых задач, обеспечивающих выполнение этапов представленных на рисунке 3.2. Первым этапом является фиксация некоторой проблемы, затем для решения этой проблемы проводят исследование, включающее декомпозицию, анализ и синтез системы.

Фиксация снятия проблемы

Синтез системы, решающей проблему

Анализ проблемы

Фиксация наличия проблемы

Оценка созданной системы

Определе-ние и декомпози-ция цели исследова-ния

Выделение системы из внешней среды

Функцио-нальное описание и декомпози-ция системы

Выбор подхода к моделиро-ванию системы

Реализация модели системы

Структур-ный синтез (формиро-вание альтерно-тивных вариантов структуры)

Проведение экспери-ментов и обработка результатов

Параметри-ческий синтез (обоснова-ние параметров вариантов структуры)

Выбор варианта и оценка его соответст-вия цели

Рисунок 3.2 – Основные этапы решения проблемы

В ходе синтеза осуществляется оценка анализируемой и синтезируемой системы, а реализация системы в виде предлагаемой физической системы позволяет провести оценку степени снятия проблемной ситуации.

Основные методы системного анализа в упрощенном виде могут быть представлены в виде блок-схемы (рисунке 3.3).

Основные методы системного анализа

Декомпозиция

Анализ

Синтез

Определение общей цели, основной функции

Декомпозиционная модель структуры

Выделение системы из среды

Описание тенденций развития, неопределенностей

Декомпозиционная модель состава

Структурный анализ

Формирование требований к создаваемой системе

Морфологический анализ

Сравнительный анализ

Анализ эффективности

Разработка модели системы

Методы оценивания альтернатив

Структурный синтез

Параметрический синтез

Методы проектирования систем

Рисунок 3.2 – Основные методы системного анализа

Рассмотрим подробнее методы, применяемые на этапе декомпозиции, анализа и синтеза.

Декомпозиция обеспечивает общее представление о системе и на этом этапе осуществляются:

- определение и декомпозиция общей цели исследования и основной функции системы как ограничение траектории в пространстве состояний системы или в области допустимых ситуаций;

- выделение системы из среды;

- определение ближнего и дальнего окружения системы;

- описание воздействующих факторов.

Наиболее часто декомпозиция проводится путем построения «дерева» целей и «дерева» функций. Этот процесс довольно сложен и требует привлечения квалифицированных экспертов. Основной проблемой при этом является соблюдение двух противоречивых принципов:

- полноты – проблема должна быть рассмотрена максимально, всесторонне и подробно;

- простоты – все «дерево» должно быть максимально компактным – «вширь» и «вглубь».

Компромисс достигается с помощью четырех основополагающих понятий:

- существенности – в модель включаются только компоненты, существенные по отношению к целям анализа;

- элементарности – доведение декомпозиции до простого, понятного, реализуемого результата;

- постепенной детализации модели;

- интерактивности – возможность введения новых элементов в основание и продолжение декомпозиции по ним на разных ветвях «дерева».

Глубина декомпозиции ограничивается. Декомпозиция должна прекращаться, если необходимо изменить уровень абстракции – представить элемент как подсистему. Если при декомпозиции выясняется, что модель начинает описывать внутренний алгоритм функционирования элемента вместо закона его функционирования в виде «черного ящика», то в данном случае произошло изменение уровня абстракции. Это означает выход за пределы цели исследования системы и, следовательно, вызывает прекращение декомпозиции.

В современных методиках типичной является декомпозиция модели на глубину 5 – 6 уровней. На такую глубину декомпозируется обычно одна из подсистем. Функции, которые требуют такого уровня детализации, часто очень важны, их детальное описание дает ключ к основам работы всей системы.

Большинство систем могут быть декомпозированы на базовые представления подсистем. К ним относят: последовательное (каскадное) соединение элементов, параллельное соединение элементов, соединение с помощью обратной связи.

Проблема проведения декомпозиции состоит в том, что в сложных системах отсутствует однозначное соответствие между законом функционирования подсистем и алгоритмом, его реализующем. Поэтому осуществляется формирование нескольких вариантов (или одного варианта, если система отображена в виде иерархической структуры) декомпозиции системы.

Рассмотрим некоторые наиболее часто применяемые стратегии декомпозиции.

Функциональная декомпозиция. Декомпозиция базируется на анализе функций системы. Основанием разбиения на функциональные подсистемы служит общность функций, выполняемых группами элементов.

Декомпозиция по жизненному циклу. Признак выделения подсистем – изменение законов функционирования подсистем на разных этапах цикла существования системы «от рождения до гибели». Так, в производственном жизненном цикле могут быть выделены: •

- маркетинг;

- проектирование;

- подготовка и разработка, производство;

- контроль и испытания;

- упаковка и хранение

- реализация и распределение;

- монтаж и эксплуатация;

- техническое сопровождение и обслуживание;

- утилизация.

Для жизненного цикла управления организационно-экономической системы выделяют этапы планирования, инициирования, координации, контроля, регулирования.

Для информационных систем разделяют этапы обработки информации: регистрацию, сбор, передачу, обработку, отображение, хранение, защиту, уничтожение.

Рекомендуется применять стратегию декомпозиции по жизненному циклу, когда целью системы является оптимизация процессов, в ней происходящих.

Декомпозиция по физическому процессу. Признак выделения подсистемы – шаги выполнения алгоритма функционирования подсистемы, стадии смены состояний. Применять эту стратегию следует, если целью является описание физического процесса как такового.

Декомпозиция по подсистемам (структурная декомпозиция). Признак выделения подсистем – сильная связь между элементами по одному из типов отношений (связей), существующих в системе (информационных, логических, иерархических, энергетических и т. д). Рекомендуется использовать разложение на подсистемы, только когда такое разделение на основные части системы не изменяется.

Декомпозиция по входам для организационно-экономических систем. Признак выделения подсистем – источник воздействия на систему. Это может быть вышестоящая или нижестоящая система, а также существенная среда.

Декомпозиция по типам ресурсов, потребляемых системой. Формальный перечень типов ресурсов состоит из энергии, материи, времени и информации (для социальных систем добавляются кадры и финансы).

Декомпозиция по конечным продуктам системы. Основанием могут служить различные виды продукта, производимые системой.

Декомпозиция деятельности человека – выделяется субъект деятельности; объект, на который направлена деятельность; средства, используемые в процессе деятельности; окружающая, среда, все возможные связи между ними.

Обычно декомпозиция осуществляется по нескольким стратегиям. Порядок их выбора зависит от квалификации и предпочтений системного аналитика.

Таким образом, основная решаемая задача при функциональном описании и структурно-функциональной декомпозиции системы – построение общего описания системы как«черного ящика» с описанием входных воздействий, включая воздействия негативного и дестабилизирующего характера, и выходных реакций, определяющих закон функционирования системы. Дальнейшая декомпозиция базируется на анализе функций действующей («as is») системы: какие действия выполняет система и ее элементы, независимо от того, как она работает. При этом осуществляется выделение подсистем по функциональному признаку, в ходе которого определяется общность функций, выполняемых группами элементов. Дальнейший анализ предполагает уточнение состава, законов и алгоритмов функционирования элементов, их взаимосвязей и эффективности, направленные, в том числе, на выявление узких мест. В конечном счете, подобный анализ завешается формированием требований к создаваемой («to be») системе, позволяющей снять проблему, включая определение критериев ее оценки и ограничений. При этом следует различать две ситуации. В первом случае создаваемая система должна являться модернизированным вариантом существующей, и одна из главных целей исследования состоит в изменении условий ее функционирования путем коррекции входных воздействий (задача управления системой). Во втором случае создаваемая система является новой и используется как подсистема надсистемы (в том числе и для замены существующей) или является принципиально новой подсистемой действующей системы, что позволяет разрешить проблемную ситуацию (задача проектирования системы), хотя подобное разделение и является весьма условным, однако оно полезно при дальнейшем рассмотрении.

На этапе анализа формируется детальное представление о системе, для чего применяются следующие методы:

- когнитивный анализ акцентирует внимание на «знаниях» в конкретной области, на процессах их представления, хранения, обработки, интерпретации и производстве новых знаний. Он применяется в тех случаях, когда объем и качество имеющейся о проблеме информации не позволяют использовать традиционные методы, а требуются извлечение знаний экспертов, изучение процессов понимания ими проблемы и дополнительная структуризация данных;

- структурный анализ существующей системы, позволяющей сформулировать требования к создаваемой или совершенствуемой системе. Он включает уточнение состава и законов функционирования элементов, алгоритмов функционирования и взаимовлияний подсистем, разделение управляемых и неуправляемых характеристик, задания пространства состояний и параметрического пространства, в котором задано поведение системы, анализ целостности системы, формулирование требований к создаваемой системе;

- морфологический анализ – в анализируемой системе выбирают группу основных признаков (морфология – наука о форме и строении организмов и систем). В качестве признаков могут быть элементы конструкции либо функции элементов. Для каждого признака предлагаются различные альтернативные варианты его реализации. Затем предложенные варианты комбинируют между собой. Из всего множества получаемых комбинаций выбирают допустимые, а затем наиболее эффективные варианты по некоторым критериям качества;

- анализ эффективности (по результативности, ресурсоемкости, оперативности). Он включает выбор шкалы измерения, формирование показателей эффективности, непосредственно оценивание и анализ полученных оценок;

- формирование требований к создаваемой системе, включая выбор критериев оценки и ограничений.

На этапе синтеза системы осуществляются:

- разработка модели требуемой системы (выбор математического аппарата, моделирование, оценка модели по критериям адекватности, простоты, соответствия между точностью и сложностью, баланса погрешностей, многовариантности реализаций, модульности построения);

- синтез альтернативных структур системы, разрешающей проблемную ситуацию. На этом этапе активно используются результаты структурного и морфологического анализа для генерации альтернатив;

- синтез параметров системы, снимающей проблему. Так, для технической системы результатами этого этапа являются количественные характеристики описания особенностей структуры и конструкции технической системы и ее внешних факторов, для которых она предназначена. Чаще всего к ним относятся геометрические размеры, масса изделия, число подсистем или основных функциональных элементов, характеристики входящих и выходящих из технической системы потоков вещества, энергии и информации, важные метеорологические и климатические характеристики и т.д. Наряду с количественными используются качественные характеристики, называемые конструктивными признаками изделий;

- методы проектирования систем включают уже хорошо зарекомендовавшие подходы и технологии. Так, для организационно-экономических систем, к которым относятся промышленные предприятия, следует отметить реинжиниринг бизнес-процессов, совершенствование управления качеством;

- оценивание альтернативных вариантов синтезированной системы (обоснование схемы оценивания, привлечение экспертов, реализация модели, проведение экспериментов по оценке, обработке результатов оценивания, анализ результатов, выбор наилучшего варианта).

В практической деятельности обычно не следуют столь формальному разделению методов системного анализа по этапам проведения системного обследования, например, некоторые методы анализа могут включать элементы декомпозиции и синтеза.

При реализации задач системного анализа используют следующие виды ресурсов: энергетические, материальные, временные и информационные. Энергетические затраты на реализацию модели значительно меньше, чем затраты энергии, потребляемой самой системой, для которой разработана модель. Поэтому в обычной ситуации энергетическими ресурсами, как правило, пренебрегают. Однако актуальность обеспечения энергетическими ресурсами возникает в тех случаях, когда модельные исследования проводятся на реальных объектах, работающих в относительно автономных условиях.

К материальным ресурсам относятся людские ресурсы, требуемые для реализации моделей, а также ресурсы обеспеченности проводимых исследований необходимым оборудованием, приборами и инструментами и т.н. В случае решения задачи путем моделирования на ЭВМ в качестве материальных ресурсов выступают объем памяти и машинное время. Указанные ресурсы ограничивают возможности решения задач большой размерности в реальном масштабе времени. С подобными проблемами приходится сталкиваться при решении задач в экономических, социальных, метеорологических, организационно-управленческих, сложных технических системах. В случае нехватки ресурсов для решения подобных задач необходимо проводить реконструкцию модели.

Что касается временных ресурсов, то практика решения задач системного анализа такова. Заказчик работ заключает с системными аналитиками, которые выступают в роли исполнителей работ, договор. В данном договоре оговариваются сроки выполнения работ по проведению системного анализа. Как правило, эти сроки являются ограничивающим временным фактором на выполняемые работы. Таким образом, исследования, проводимые с помощью моделей, должны по времени укладываться в рамки, оговоренные договором.

Относительно информационных ресурсов можно отметить, что количество и качество информации, используемой при построении моделей систем, различно. Если при построении модели используется достоверная информация в достаточно представительном объеме, это является одним из условий построения хорошей модели. Качество и полнота информации, представленной в модели, обеспечивают принятие обоснованных решений и являются гарантией успешного управления. В свою очередь ограниченность информации приводит к значительной неопределенности результатов, получаемых в ходе расчетов на модели. Решения, принимаемые на основе таких моделей, будут обладать слабой степенью обоснованности.

Таким образом, при построении и реализации моделей следует уделять внимание обеспечению процесса использования моделей всеми видами ресурсов. Даже самая качественная модель может на практике оказаться бесполезной, если она не обеспечена в надлежащем объеме всеми видами ресурсов, необходимых для ее успешного применения.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: