Множественность моделей систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 На тему:

 

                       “МНОЖЕСТВЕННОСТЬ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ”

 

 

 

 

 

 

выполнил:

                                                        студент 2 курса специальности

ПИГиМУ Абдурахманов Саид

Проверила:

Наида Гусейновна

1. МНОЖЕСТВЕННОСТЬ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ 
    Существует множество различных определений системы. Изложенное в предыдущей лекции понимание модели позволяет легко объяснить эту множественность: определение – это языковая модель системы, и, следовательно, различия целей и требований к модели приводят к разным определениям. Кроме того, разная языковая среда, в силу ингерентности модели, также обусловливает видоизменение определений. В данной лекции мы изложим понятие системы в его развитии. На примере этого понятия проиллюстрируем идею поэтапного уточнения, конкретизации модели, ее постепенного "движения" от уровня естественно–языковой формы до математической (об этом было сказано в§ 2.3). Поэтому формулировки определений системы выглядят просто как фиксация того или иного этапа процесса развития понятия системы. К тому же и усвоение такого непростого понятия, как система, можно, облегчить, если начинать с его простейших версий, постепенно расширяя и обобщая его смысл. 
ПРОБЛЕМЫ И СИСТЕМЫ 
    Цели, которые ставит перед собой человек, редко достижимы только за счет его собственных возможностей или внешних средств, имеющихся у него в данный момент. Такое стечение обстоятельств называется проблемной ситуацией. 
Проблемность существующего положения осознается в несколько "стадий": от смутного ощущения, что "что–то не так", к осознанию потребности, затем к выявлению проблемы и, наконец, к формулировке цели. Цель – это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему. 
Вся последующая деятельность, способствующая решению этой проблемы, направлена на достижение поставленной цели. Эти действия, направлены на отбор из окружающей среды объектов, свойства которых можно использовать для достижения цели, и на объединение этих объектов надлежащим образом, т. е. это работа по созданию того, что мы и будем называть системой. Другими словами, система есть средство достижения цели. Это и есть первое определение системы. 
Приведем несколько упрощенных примеров систем, предназначенных для реализации определенных целей.

2. МОДЕЛЬ "ЧЕРНОГО ЯЩИКА" 
    В определении системы, приведенном в предыдущем параграфе, сделан акцент на назначении системы, а об ее устройстве говорится лишь косвенно. Для более определенной и точной характеристики конструкции системы следует развивать ее модель, преобразуя имеющиеся сведения так, чтобы в результате получить более удобную форму модели, включая в модель по мере необходимости дополнительные сведения. 
 
КОМПОНЕНТЫ "ЧЕРНОГО ЯЩИКА" 
    Важную для человека роль играют наглядные, образные, визуальные модели. Перейдем от первого определения системы к его визуальному эквиваленту. 
    Во–первых, приведенное определение ничего не говорит о внутреннем устройстве системы. Поэтому ее можно изобразить в виде непрозрачного "ящика", выделенного из окружающей среды. Подчеркнем, что уже эта, максимально простая, модель по–своему отражает два следующих важных свойства системы: целостность и обособленность от среды. 
    Во–вторых, в определении системы косвенно говорится о том, что хотя "ящик" и обособлен, выделен из среды, но не является полностью от нее изолированным. 
    В самом деле, ведь достигнутая цель – это запланированные заранее изменения в окружающей среде, какие–то продукты работы системы, предназначенные для потребления вне ее. Иначе говоря, система связана со средой и с помощью этих связей воздействует на среду. Изобразим связи в виде стрелок, направленных от системы в среду. Эти связи называются выходами системы. Подчеркнем еще раз, что выходы системы в данной графической модели соответствуют слову "цель" в словесной модели (первом определении) системы. 
    Кроме того, в определении имеется указание и на наличие связей другого типа: система является средством, поэтому должны существовать и возможности ее использования, воздействия на нее, т.е. и такие связи со средой, которые направлены извне в систему. Изобразим эти связи также в виде соответствующих стрелок, направленных от среды в систему, и назовем их входами системы. 
    В результате мы построили модель системы, которая получила название черного ящика (рис. 6.1). Это название образно подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содержании "ящика": в этой модели задаются, фиксируются, перечисляются только входные и выходные связи системы со средой (даже "стенки ящика", т.е. границы между системой и средой, в этой модели обычно не описываются, а лишь подразумеваются, признаются существующими). Такая модель, несмотря на внешнюю простоту и на отсутствие сведений о внутренности системы, часто оказывается полезной. 
    Во многих случаях достаточно содержательного словесного описания входов и выходов; тогда модель "черного ящика" является просто их списком. Например, бытовая модель телевизора такова: входы –шнур электропитания, антенна, ручки управления и настройки; выходы – экран кинескопа и звукодинамики. В других случаях требуется количественное описание некоторых или всех входов и выходов. Пытаясь 
 
 

Рис. 6.1. Модель "черного ящика" 
максимально формализовать модель "черного ящика", мы приходим к заданию двух множеств X и Y входных и выходных переменных, но никаких других отношений между этими множествами фиксировать нельзя (иначе это уже будет не "черный", а прозрачный ящик). – 
 
 

МНОЖЕСТВЕННОСТЬ ВХОДОВ И ВЫХОДОВ 
    Главной причиной множественности входов и выходов в модели "черного ящика" является то, что всякая реальная система, как и любой объект, взаимодействует с объектами окружающей среды неограниченным числом способов. Строя модель системы, мы из этого бесчисленного множества связей отбираем конечное их число для включения в список входов и выходов. Критерием отбора при этом является целевое назначение модели, существенность той или иной связи по отношению к этой цели. То, что существенно, важно, включается в модель, то, что несущественно, неважно, – не включается. Именно здесь возможны ошибки. Тот факт, что мы не учитываем в модели, исключаем из рассмотрения остальные связи, не лишает их реальности, они все равно действуют независимо от нас. И нередко оказывается, что казавшееся несущественным или неизвестным для нас на самом деле является важным и должно быть учтено. 
    Особое значение этот момент имеет при задании цели системы, т.е. при определении ее выходов главную цель приходится сопровождать заданием дополнительных целей. Важно подчеркнуть, что выполнения только, основной цели недостаточно, что невыполнение дополнительных целей может сделать ненужным или даже вредным и опасным достижение основной цели. Этот момент заслуживает особого внимания, так как на практике часто обнаруживается незнание, непонимание или недооценка важности указанного положения. Между тем оно является одним из центральных во всей системологии. 
Пример 3. Лет тридцать назад свечение цифр и стрелок наручных часов было достигнуто применением фосфоресцирующей краски. Впоследствии оказалось, что кроме полезного эффекта возникали вредные для здоровья излучения, и выпуск таких часов пришлось прекратить. Теперь найдены нерадиоактивные светящиеся материалы, и светящиеся часы вновь появились в продаже. 
    Модель "черного ящика" часто оказывается не только очень полезной, но в ряде случаев единственно применимой при изучении систем. Например, при исследовании психики человека или влияния лекарства на живой организм мы лишены возможности вмешательства в систему иначе как только через ее входы, и выводы делаем только на основании наблюдения за ее выходами. Это вообще относится к таким исследованиям, в результате проведения которых нужно получить данные о системе в обычной для нее обстановке, где следует специально заботиться о том, чтобы измерения как можно меньше влияли на саму систему. Другая причина того, что приходится ограничиваться только моделью "черного ящика", – действительное отсутствие данных о внутреннем устройстве системы. Например, мы не знаем, как "устроен" электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическими и магнитными полями, с гравитационным полем. Это и есть описание электрона на уровне модели "черного ящика". 
    Сделаем еще одно замечание. Модель "черного ящика" – это уже структурированная модель: в ней про каждую связь со средой известно, относится ли она к числу входов или является выходом. Однако на ранних стадиях исследования системы такая информация может отсутствовать: мы можем выделить некоторую связь системы со средой, можем даже наблюдать или измерять параметр, характеризующий эту связь, но не иметь оснований безусловно говорить о направленности этой связи. В таких случаях иногда полезно рассмотреть две конкурирующих модели "черного ящика", в одной из которых эта связь причислена ко входам, а в другой – к выходам. Примером является исследование связи между двумя процессами, когда неизвестно, какой из них – причина, а какой – следствие, или даже вообще является ли их связь причинно–следственной (т.е. возможно, что они оба – следствия какой–то ненаблюдаемой причины). 
    Система (искусственная) есть средство достижения цели. Однако соответствие цели и системы неоднозначно: в чем–то разные системы могут быть ориентированы на одну цель; одна система может иметь (и, как правило, имеет) несколько разных целей. Модель типа "черный ящик" отображает только связи системы со средой, в виде перечня "входов" и "выходов". Трудность построения модели "черного ящика" состоит в том, что надо решить, какие из многочисленных реальных связей включать, а кие не включать в состав модели. Кроме того, всегда существуют и такие связи, которые нам неизвестны, но они–то и могут оказаться существенными. 
 
Подведем итог 
Простота модели "черного ящика" обманчива. Всегда существует опасность неполноты составления перечня входов и выходов как вследствие того, что важные из них могут быть сочтены несущественными, так и в силу неизвестности некоторых из них в момент построения модели. 
3. МОДЕЛЬ СОСТАВА СИСТЕМЫ 
    Очевидно, что вопросы, касающиеся внутреннего устройства системы, невозможно решить только с помощью модели "черного ящика". Для этого необходимы более развитые, более детальные модели. 

КОМПОНЕНТЫ МОДЕЛИ СОСТАВА : 
    При рассмотрении любой системы прежде всего обнаруживается то, что ее целостность и обособленность (отображенные в модели черного ящика) выступают как внешние свойства. 

Рис. 7.1. Модель состава системы

Внутренность же "ящика" оказывается неоднородной, что позволяет различать составные части самой системы. При более детальном рассмотрении некоторые части системы могут быть, в свою очередь, разбиты на составные части и т.д. Те части системы, которые мы рассматриваем как неделимые, будем называть элементами. Части системы, состоящие более чем из одного элемента, назовем подсистемами. При необходимости можно ввести обозначения или термины, указывающие на иерархию частей (например, "подподсистемы", или "подсистемы такого–то уровня"). 
   СЛОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ СОСТАВА  
    Построение модели состава системы только на первый взгляд кажется простым делом. Если дать разным экспертам задание определить состав одной и той же системы, то результаты их работы будут различаться, и иногда довольно значительно. Причины этого состоят не только в том, что у них может быть различная степень знания системы: один и тот же эксперт при разных условиях также может дать разные модели. Существуют по крайней мере еще три важные причины этого факта. 
    Во–первых, разные модели состава получаются вследствие того, что понятие элементарности можно определить по–разному. То, что с одной точки зрения является элементом, с другой –оказывается подсистемой, подлежащей дальнейшему разделению. 
    Во–вторых, как и любые модели, модель со¬става является целевой, и для различных целей один и тот же объект потребуется разбить на разные части. Например, один и тот же завод для директора, главного бухгалтера, начальника пожарной охраны состоит из совершенно различных подсистем. Точно так же модели состава самолета с точек зрения летчика, стюардессы, пассажира и аэродромного диспетчера окажутся различными. То, что для одного обязательно войдет в модель, может совершенно не интересовать другого. 
    В–третьих, модели состава различаются потому, что всякое разделение целого на части, всякое деление системы на подсистемы является относительным, в определенной степени условным. Например, тормозную систему автомобиля можно отнести либо к ходовой части, либо к подсистеме управления. Другими словами, границы между подсистемами условны, относительны, модельны. 
    Это относится и к границам между самой системой и окружающей средой, поэтому остановимся на этом моменте подробнее. В качестве примера рассмотрим систему "часы". Какую бы природу ни имели устройства, которые мы называем часами, в них можно выделить две подсистемы: датчик времени, т.е. процесс, ход которого изображает течение времени (это может быть равномерное раскручивание пружины, электрический ток с некоторым постоянным параметром, равномерное течение струйки песка, вращение Земли вокруг своей оси, колебания некоторой молекулы и т.д.); индикатор времени, т.е. устройство, преобразующее, отображающее состояние датчика в сигнал времени для пользователя. Модель состава часов можно считать полностью исчерпанной (если снова не разбивать эти две подсистемы). Однако поскольку фактически каждые часы показывают состояние своего датчика, рано или поздно их показания разойдутся между собой. Выход из этого положения состоит в синхронизации всех часов с неким общим для всех эталоном времени, например с помощью сигналов "точного времени", передаваемых по радио. Здесь и возникает вопрос: включать ли эталон времени в состав часов как системы или рассматривать часы как подсистему в общей системе указания времени? 
    Модель состава системы отображает из каких частей (подсистем и элементов) состоит система. Главная трудность в построении модели состава заключается в том, что разделение целостной системы на части является относительным, условным, зависящим от целей моделирования (это относится не только к границам между частями системы, но и к границам самой системы). Кроме того, относительным является и определение самой малой части –элемента. Модель состава ограничивается снизу тем, что считается элементом, а сверху –границей системы. 
 
4. МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ 
    Еще раз подчеркнем, что для достижения ряда практических целей достаточно модели "черного ящика" или модели состава. Однако очевидно, что есть вопросы, решить которые с помощью этих моделей нельзя. Чтобы получить велосипед недостаточно иметь "ящик" со всеми отдельными его деталями (состав налицо). Необходимо еще правильно соединить все детали между собой, или, говоря более общо, установить между элементами определенные связи – отношения. Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы. 
ОТНОШЕНИЯ И СТРУКТУРЫ 
    Перечень связей между элементами (т.е. структура системы) является отвлеченной, абстрактной моделью: установлены только отношения между элементами, но не рассмотрены сами элементы. Хотя на практике безотносительно к элементам говорить о связях можно лишь после того, как отдельно рассмотрены сами элементы (т.е. рассмотрена модель состава), теоретически модель структуры можно изучать отдельно. 
    Бесконечность природы проявляется и в том, что между реальными объектами, вовлеченными в систему, имеется невообразимое (может быть, бесчисленное) количество отношений. Однако когда мы рассматриваем некоторую совокупность объектов как систему, то из всех отно¬шений важными, т.е. существенными для достижения цели, являются лишь некоторые. Точнее, в модель структуры (т.е. в список отношений) мы включаем только конечное число связей, которые, по нашему мнению, существенны по отношению к рассматриваемой цели. 
Пример 1. При расчете механизма не учитываются силы взаимного притяжения его деталей, хотя, согласно закону всемирного тяготения, такие силы объективно существуют. Зато вес деталей (т.е. сила их притяжения к Земле) учитывается обязательно. 
Пример 2. Рассмотрим систему "часы вообще". Считаем, что в состав такой системы входят три элемента: датчик, индикатор и эталон времени. Структура часов определяется следующими отношениями между парами элементов: 
Пара элементов                                                         Связь между ними 
Датчик и индикатор                                            Однозначное соответствие 
Эталон и датчик                                              Приблизительное соответствие 
  Индикатор и эталон                                        Периодическое сравнение 
                                                                             и устранение расхождения  
    Модель структуры системы отображает связи между компонентами модели ее состава, т.е. совокупность связанных между собой моделей "черного ящика" для каждой из частей системы. Поэтому трудности построения модели структуры те же, что и для построения модели "черного ящика". 
Подведем итог  
Очередным шагом в развитии модели систем является модель структуры, которая описывает существенные связи между элементами (компонентами модели состава). Говоря, что свойства какого–то объекта можно использовать в системе, мы имеем в виду установление некоторых отношений между данным объектом и другими частями системы, т.е. включение этих отношений в структуру системы.

5. ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМ 
    До сих пор основное внимание было уделено понятию системы, ее составу и устройству. Были построены модели, которые являются как бы "фотографиями" системы, отображают ее в некоторый момент времени. В этом смысле рассмотренные варианты моделей "черного ящика", состава, структуры и структурной схемы системы могут быть названы статическими моделями, что подчеркивает их неподвижный, как бы застывший характер. 
ОТОБРАЖЕНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ 
    Следующий шаг в исследовании систем состоит в том, чтобы понять и описать, как система "работает", что происходит с ней самой и с окружающей средой в ходе реализации поставленной цели. Очевидно, и подход к описанию, и степень подробности описания происходящих процессов могут быть различными. Однако общим при этом является то, что разрабатываемые модели должны отражать поведение систем, опи¬сывать происходящие с течением времени изменения, последовательность каких–то этапов, операций, действий, причинно–следственные связи. 
    Системы, в которых происходят какие бы то ни было изменения со временем, будем называть динамическими, а модели, отображающие эти изменения, – динамическими моделями систем. Заметим, что термин "динамический" в русском языке неоднозначен; здесь он будет использован в самом широком смысле как обозначение любых изменений во времени. 
    Для разных объектов и систем разработано большое количество динамических моделей, описывающих процессы с различной степенью детальности: от самого общего понятия динамики, движения вообще, до формальных математических моделей конкретных процессов типа уравнений движения в механике или волновых уравнений в теории поля. Развитие моделей происходит примерно в той последовательности, как это было изложено: от "черного ящика" к "белому". Однако этот путь конкретизации моделей непрост и нелегок и для многих систем еще не закончен из–за недостаточности имеющихся знаний.