Понятие о системе
Мы живем в мире, который состоит из множества разных объектов, имеющих разнообразные свойства и взаимодействующих между собой. Например, объектами окружающего мира являются планеты Солнечной системы, которые имеют разные свойства (масса, геометрические размеры и т.д.) и взаимодействуют с Солнцем и между собой по закону всемирного тяготения.
Каждая планета входит в состав более крупного объекта – Солнечной системы, которая в свою очередь входит в состав Галактики. В то же время, каждая планета состоит из атомов разных химических элементов, которые состоят из элементарных частиц. Таким образом, фактически каждый объект может состоять из совокупности других объектов, т.е. образует систему.
Важный признак системы – ее целостное функционирование. Система является не набором отдельных элементов, а совокупностью взаимосвязанных элементов. Например, персональный компьютер представляет собой систему, которая состоит из различных устройств, которые при этом связаны между собой и аппаратно (подключаются физически друг к другу) и функционально (обмениваются информацией).
Система является совокупностью взаимосвязанных объектов, которые называют элементами системы.
Каждая система имеет свою структуру, которую характеризует состав и свойства элементов, их отношения и связи между собой. Система в состоянии сохранять свою целостность под воздействием различных внешних факторов и внутренних изменений до тех пор, пока является неизменной ее структура. В случае изменения структуры системы (например, при удалении одного из его элементов), она может прекратить свое функционирование как единое целое. Например, при удалении одного из устройств компьютера (к примеру, материнской платы), компьютер перестанет работать, т. е. прекратит свое функционирование как система.
Основные положения теории систем появились при исследовании динамических систем и их функциональных элементов. Под системой понимается группа взаимосвязанных элементов, которые действуют сообща с целью выполнить заранее поставленную задачу. С помощью анализа систем можно определить наиболее реальные способы выполнения поставленной задачи, которые обеспечивают максимальное удовлетворение поставленных требований.
Элементы, которые составляют основу теории систем, создаются не с помощью гипотез, а их получают экспериментальным путем. Для начала построения системы нужно иметь общие характеристики технологических процессов, которые необходимы и при создании математически сформулированных критериев, которым должен удовлетворять процесс или его теоретическое описание. Метод моделирования является одним из наиболее важных методов научного исследования и экспериментирования.
Системный подход
Для построения моделей объектов используют системный подход, который представляет собой методологию решения сложных задач. В основе этой методологии лежит рассмотрение объекта как системы, которая функционирует в некоторой среде. Системный подход позволяет раскрыть целостность объекта, выявить и изучить его внутреннюю структуру, а также связи с внешней средой. При этом объект является частью реального мира, которую выделяют и исследуют в связи с решаемой задачей построения модели. Кроме того, при использовании системного подхода предполагается последовательный переход от общего к частному, в основе которого лежит рассмотрение цели проектирования, а объект рассматривается во взаимосвязи с окружающей средой.
Сложный объект может разделяться на подсистемы, которые представляют собой части объекта и удовлетворяют таким требованиям:
- подсистема – функционально независимая часть объекта, которая связана с другими подсистемами и обменивается с ними информацией и энергией;
- каждая подсистема может иметь функции или свойства, которые не совпадают со свойствами всей системы;
- каждая из подсистем может делиться до уровня элементов.
Под элементом здесь понимают подсистему нижнего уровня, которую далее делить не представляется целесообразным с позиции решаемой задачи.
Таким образом, система представляется как объект, состоящий из набора подсистем, элементов и связей для его создания, исследования или усовершенствования. При этом укрупнение представления системы, которое включает основные подсистемы и связи между ними, называется макроструктурой, а детальное рассмотрение внутреннего строения системы до уровня элементов – микроструктурой.
С понятием системы обычно связано понятие надсистемы – системы более высокого уровня, в состав которой входит рассматриваемый объект, причем функция любой системы может быть определена только через надсистему. Также немаловажно понятие среды – совокупности объектов внешнего мира, которые существенно влияют на эффективность функционирования системы, но не входят в состав системы и ее надсистемы.
В системном подходе к построению моделей используют понятие инфраструктуры, которая описывает взаимосвязь системы с ее окружением (средой).
Выделение, описание и исследование свойств объекта, которые являются существенными для конкретной задачи, называется стратификацией объекта.
При системном подходе в моделировании важно определение структуры системы, которая определяется как совокупность связей между элементами системы, которые отражают их взаимодействие.
Различают структурный и функциональный подход к моделированию.
При структурном подходе определяется состав выделенных элементов системы и связи между ними. Совокупность элементов и связей составляет структуру системы. Обычно для описания структуры применяется топологическое описание, которое позволяет выделить составные части системы и определить их связи с помощью графов.
Реже применяется функциональное описание, при котором рассматриваются отдельные функции – алгоритмы поведения системы. При этом реализуется функциональный подход, который определяет функции, выполняющиеся системой.
При системном подходе возможны разные последовательности разработки моделей на основе двух основных стадий проектирования: макропроектирования и микропроектирования. На стадии макропроектирования строят модель внешней среды, выявляют ресурсы и ограничения, выбирают модель системы и критерии для оценки адекватности.
Стадия микропроектирования зависит от типа выбранной модели. Эта стадия предполагает создание информационного, математического, технического или программного обеспечения системы моделирования. При микропроектировании устанавливают основные технические характеристики созданной модели, оценивают время работы с ней и затраты ресурсов для получения необходимого качества модели.
При построении модели, независимо от ее типа, необходимо придерживаться принципов системного подхода:
- последовательно продвигаться по этапам создания модели;
- согласовывать информационные, ресурсные, надежностные и другие характеристики;
- правильно соотносить различные уровни построения модели;
- придерживаться целостности отдельных стадий проектирования модели.
Статические информационные модели
Любая система продолжает свое существование в пространстве и во времени. В разные моменты времени система определяется своим состоянием, которое описывает состав элементов, значения их свойств, величина и характер взаимодействия между элементами и т.д.
Например, состояние Солнечной системы в определенные моменты времени описывается составом объектов, которые входят в нее (Солнце, планеты и др.), их свойствами (размер, положение в пространстве и др.), величиной и характером их взаимодействия (сила тяготения, электромагнитные волны и др.).
Модели, которые описывают состояние системы в определенный момент времени, называют статическими информационными моделями.
Например, в физике статическими информационными моделями являются модели, которые описывают простые механизмы, в биологии – модели строения растений и животных, в химии – модели строения молекул и кристаллических решеток и т.д.
Динамические информационные модели
Система может изменяться с течением времени, т.е. происходит процесс изменения и развития системы. Например, при движении планет изменяется их положение относительно Солнца и между собой; изменяется химический состав Солнца, излучение и т.д.
Модели, которые описывают процессы изменения и развития систем, называют динамическими информационными моделями.
Например, в физике динамическими информационными моделями описывается движение тел, в химии – процессы прохождения химических реакций, в биологии – развитие организмов или видов животных и т.д.
