Системный анализ как методология исследования ВС

Системный анализ – это совокупность методов и средств, используемых при исследовании и конструировании сложных и сверхсложных объектов.

Его методы применяются к любым сложным системам (техническим, биологическим, социальным и др.). Системный анализ объекта проводится в несколько этапов. Главные из них следующие:

1. Постановка задачи — определение объекта исследования, постановка целей, задание критериев для изучения объекта и управления им.

2. Определение системы, подлежащей изучению, и ее структуризация.

3. Разработка математической модели изучаемой системы: параметризация, установление зависимостей между параметрами и характеристиками, упрощение описания системы путем выделения подсистем и определения их иерархии, окончательная фиксация целей и критериев.

Процесс анализа сложных систем может быть проиллюстрирован следующей циклической схемой, приведенной на рис. 8.

Рис. 8. Общая схема процесса анализа

В процессе функционирования некотрой системы выявляется проблема практики как несоответствие существующего положения дел требуемому. Для решения проблемы проводится системное исследование (декомпозиция, анализ и синтез), снимающее проблему. В ходе синтеза осуществляется оценка анализируемой и синтезируемой систем. Реализация синтезированной системы в виде предлагаемой физической позволяет провести оценку степени снятия проблемы и принять решение о замене существующей системы.

При таком представлении становится очевидным еще один аспект определения системы как средства решения проблем.

Основные задачи системного анализа могут быть представлены в виде трехуровневого дерева функций, представленного на рис. 9.

На этапе декомпозиции, обеспечивающем общее представление системы, осуществляются:

1) Определение и декомпозиция общей цели исследования и основной функции системы. Наиболее часто декомпозиция проводится путем построения дерева целей и дерева функций.

2) Выделение системы из среды по критерию участия каждого элемента в процессе, приводящем к результату.

3) Описание воздействующих факторов.

4) Описание тенденций развития, неопределенностей разного рода.

5) Описание системы как «черного ящика».

6) Функциональная (по функциям), компонентная (по виду элементов) и структурная (по виду отношений между элементами) декомпозиции системы.

Рис. 9. Задачи системного анализа

Глубина декомпозиции ограничивается. Она должна прекращаться, если необходимо изменить уровень абстракции — представить элемент как подсистему.

В автоматизированных методиках типичной является декомпозиция модели на глубину 5-6 уровней. На такую глубину декомпозируется обычно одна из основных подсистем. При этом часто очень важны функции подсистем.

В общей теории систем доказано, что большинство систем могут быть декомпозированы на базовые представления подсистем. К ним относят следующие типы соединения элементов:

a) последовательное (каскадное) соединение элементов,

b) параллельное,

c) с помощью обратной связи.

Проблема выполнения декомпозиции состоит в том, что в сложных системах отсутствует однозначное соответствие между законом функционирования подсистем и системы в целом. 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. Базируется на анализе функций системы. При этом ставится вопрос, что делает система, независимо от того, как она работает. Основанием разбиения на функциональные подсистемы служит общность функций, выполняемых группами элементов.

Декомпозиция по жизненному циклу. Признак выделения подсистем — изменение закона их функционирования на разных этапах цикла существования системы «от рождения до гибели». Рекомендуется применять эту стратегию, когда целью является оптимизация процессов и можно определить последовательные стадии преобразования входов в выходы.

Декомпозиция по физическому процессу. Признак выделения подсистем — шаги выполнения алгоритма ее функционирования и смены состояний. Хотя эта стратегия полезна при описании существующих процессов, результатом ее часто может стать слишком последовательное описание системы. При этом может оказаться скрытой последовательность управления. Применять такую стратегию следует, только 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 (информационных, логических, иерархических, энергетических и т.п.). Силу связи, например, по информации можно оценить коэффициентом информационной взаимосвязи подсистем

k = N / N₀,

где N — количество взаимоиспользуемых информационных массивов в подсистемах, N₀ — общее количество информационных массивов. Для описания всей системы должна быть построена составная модель, объединяющая модели подсистем. Рекомендуется использовать разложение на подсистемы, только когда такое разделение не изменяется. Нестабильность границ подсистем быстро обесценит как отдельные модели, так и их объединение.

На этапе анализа, обеспечивающем формирование детального представления системы, осуществляются:

1) Функционально-структурный анализ существующей системы, позволяющий сформулировать требования к создаваемой системе. Он предполагает уточнение состава и законов функционирования элементов, алгоритмов функционирования и взаимовлияний подсистем, разделение управляемых и неуправляемых характеристик, задание пространства состояний Z, задание параметрического пространства Т, в котором задано поведение системы, анализ ее целостности и формулирование требований к ней.

2) Морфологический анализ — анализ взаимосвязи компонентов.

3) Генетический анализ — анализ предыстории, причин развития ситуации, имеющихся тенденций, построение прогнозов.

4) Анализ аналогов.

5) Анализ эффективности (по результативности, ресурсоемкости, оперативности). Включает в себя выбор шкалы измерения, формирование показателей эффективности, обоснование и формирование критериев эффективности, непосредственно оценивание и анализ полученных результатов.

6) Формирование требований к создаваемой системе, включая выбор критериев оценки и ограничений.

Этап синтеза системы, решающей проблему, представлен в виде упрощенной функциональной диаграммы на рисунке 10. На этом этапе осуществляются:

1) Разработка модели системы (выбор математического аппарата, моделирование, оценка модели по критериям адекватности, простоты, соответствия между точностью и сложностью, баланса погрешностей, многовариантности реализаций, блочности построения).

2) Синтез альтернативных структур системы, снимающей проблему.

3) Синтез параметров системы, снимающей проблему.

4) Оценивание вариантов синтезированной системы (обоснование схемы оценивания, реализация модели, проведение эксперимента по оценке, обработка результатов оценивания, анализ результатов, выбор наилучшего варианта).

Рис. 10 — Упрощенная функциональная диаграмма этапа синтеза системы, решающей проблему

Оценка степени снятия проблемы проводится при завершении системного анализа.

Наиболее сложными в исполнении являются этапы декомпозиции и анализа. Это связано с высокой степенью неопределенности, которую требуется преодолеть в ходе исследования.