1. Теоретические основы построения информационно-аналитической системы управления
1.1. Понятие и классификация систем
В литературе выделяется более 40 определений понятия «система». Их можно свести в три основные категории групп:
1) в первую группу входят определения системы, как некоторых классов математических моделей (например, система - математическая абстракция, которая выступает в качестве модели динамического явления);
2) вторая, значительная по объему, группа включает определение «системы» через понятия - «элементы», «отношения», «связи», «целое», «целостное»;
3) в третью группу входят определения «системы» с помощью понятий «вход», «выход», «переработка информации», «управление».
Любая система характеризуется обособленностью, целостностью и определенной степенью организованности.
Основную идею своей «Общей теории систем» Берталанфи выдвинул в 1937 г. Его определение: система - «комплекс элементов, находящихся во взаимодействии». Определение Р.Акоффа система – «любая сущность, концептуальная или физическая, которая состоит из взаимозависимых частей». Привлекательность такого определения системы, заключается в простоте, сравнительной легкости запоминания, которое дается во многих учебниках, как совокупность взаимосвязанных переменных (элементов, блоков) (1, с.39).
Каждая система задается упорядоченным набором переменных (элементов). Части системы, состоящие более чем из одной переменной, называются подсистемами. Но не всякий набор выделяется в качестве системы. Каждая переменная может принимать множество конкретных значений.
Для многих системных явлений существенно и то, что система может быть сопоставлена одному из элементов среды – системе более высокого порядка. Само понятие система является абстракцией и предполагает наличие: исследователя, объекта наблюдения и некоей цели, задачи, которую ставит наблюдатель, и в соответствии с ней выделяет определенные характеристики и свойства объекта, его составных частей. По М. Месаровичу, абстрактную систему можно понимать «как некоторую абстрактную аналогию или модель определенного класса реально существующих систем. Тогда общую теорию систем можно рассматривать как теорию абстрактных моделей». (2, стр. 30). Под функцией системы следует понимать характеристику, определяющую изменение состояния системы. Функция широко распространенное слово, имеющее множество значений. Понятие функция (лат. function - это деятельность, обязанность, работа, назначение) используется во всех областях знаний, и во всех сферах деятельности.
Для любой относительно обособленной системы практически главным является состояние ее выходов, что определяет ее поведение. Саму функцию системы, определяющую состояние выходов, называют целевой функцией системы, в отличие от функции системы, которая определяет изменение состояний системы в целом. Целью системы (назначение) называют определенное, желаемое состояние ее выходов. Функция системы характеризует ее как целое, как результат взаимодействия элементов, а для относительно обособленных систем она отражает также воздействие среды. В теории систем исходным моментом является предположение, что системы существуют как целое, которое затем можно расчленить на компоненты. Первичность целого – основной постулат теории систем. Свойства системы не являются только суммой свойств ее составных частей. Система нечто «большее», а иногда и качественно отличное, чем сумма составляющих ее частей. Элементы могут существовать только в связанном виде. Там, где есть элементы, обязательно устанавливаются реальные связи.
Система предполагает наличие связи между ее элементами. Это не значит, что в каждый данный момент времени должны проявиться все связи элементов.
Чем выше организация, тем она сложнее и пластичнее. Одним из заметных свойств системы является постоянное нарастание ее «уязвимости». Существуют два обстоятельства, определяющих уязвимость системы: подвижность элементов, допускает легкое разрушение связей между ними; сложность внутренних равновесий системы - их сравнительную неустойчивость.
Устойчивость систем определяется определенной степенью ее устойчивости к возмущающим воздействиям. Несмотря на то, что система может переходить из 50 одного состояния в другое, она сохраняет некоторые характерные свойства, делающие ее данной системой.
Устойчивость системы по отношению к внешним воздействия может быть охарактеризована количественно. Система, состоящая из большего числа элементов, будет более устойчивой. Устойчивость систем зависит не только от количества элементов, но и способов их сочетания, от характеристики их структурных связей.
Устойчивость систем бывает двух типов: статическая и динамическая. Статическая характерна для систем статического равновесия: устойчивость здания, горного сооружения. Динамическая устойчивость характерна для систем подвижного равновесия, в этом случае динамическая устойчивость является результатом того, что каждое из возникающих изменений уравновешивается другими, ему противоположными
Для исследования систем управления важно знать исчерпывающую характеристику системы. Различают пять типов системных представлений: микроскопическое, функциональное, макроскопическое, иерархическое и процессуальное. Микроскопическое представление системы основано на интуитивном понимании ее как множества наблюдаемых и неделимых величин (элементов). Часто система интерпретируется как множество наблюдаемых и измеряемых величин. Такая интерпретация основана на том, что система как предмет исследования выделяется из объекта. Затем из объекта выделяются интересующие исследователя величины, которые и представляют систему. Центральным для микроскопического представления системы является понятие элемента, которое используется в науке как символ неделимости. Конечно, в общем виде элемент лишь относительно неделим, однако для данной системы он является абсолютно неделимым. В принципе абсолютно неделимых элементов нет, однако в каждом конкретном случае проектирования системы элемент принимается не делимым. Структура системы фиксирует выбранных элементов и их связи. Под функциональным представлением системы понимается совокупность действий (функций), которые необходимо выполнять для реализации целей функционирования системы. Это представление также основано на понятии элемента. Элементы имеют свойства, которые могут быть разделены на свойства первого порядка и свойства второго порядка. Свойства первого порядка - это те свойства, ради которых данный элемент включается в систему для выполнения общей цели, стоящей перед всеми ее элементами. Свойства второго порядка - это те нежелательные свойства, которые привносит с собой элемент в систему (например, свойством второго порядка для усилителя являются нелинейные искажения усиливаемого сигнала, для транзистора - низкая надежность, для электронных ламп - чувствительность к перегрузкам и т.д.). Макроскопическое представление системы - это понимание системы как целого. Здесь центральным является понятие системного окружения. У.Р.Эшби и И. Клир берут содержание этого понятия из биологических представлений отношения: «организм - среда». Так, у У.Р.Эшби окружающая среда системы – это те переменные, которые изменяются в результате поведения организма. Понятие «системное окружение» имеет принципиальное значение для определения системы, так как реальная система не может существовать вне системного окружения (среды), а окружающаяся среда представляет собой ту систему, в рамках которой выбраны интересующие нас объекты. Следовательно, система может быть представлена множеством внешних связей со средой. Иерархическое представление системы: в этом плане система понимается как иерархическая упорядоченность. Иерархическое представление системы основано на понятии подсистемы, или единицы, которое следует отличать от понятия «элемент». Следовательно, система может быть представлена в виде совокупности единиц, составляющих системную иерархию. Система, если она не предельная единица, не может быть разложена на элементы. Единица обладает функциональной спецификой целого (системы). Процессуальное представление системы предполагает ее понимание как последовательности состояний во времени. Основным понятием здесь является понятие периода жизни - временной интервал, в течение которого данная система существует. Период жизни Т разбивается на ряд состояний Sto, St1 …Stn.
Анализируя состояние системы в данный момент, а также ее прошлые события, можно выделить инварианты в структуре и организации системы, на основе которых можно предсказать ее будущее состояние. Любая система характеризуется некоторой, хотя бы даже очень слабо выраженной структурой. Систему можно рассматривать как множество подсистем. Любая система, которая может быть расчленена на субсистемы, имеет тем самым структуру. Структура системы остается инвариантной до тех пор, пока остаются неизменными отношения между подсистемами.
Выделяют следующие классификации систем:
1) По идентификации элементов системы классификация делит системы на замкнутые и незамкнутые (открытые). Замкнутая система - это предельное понятие, так как в реальном мире встречаются лишь различные приближения к ней. Вполне может быть замкнутой абстрактная модель, что дает возможность исследовать свойства таких систем. Типичной открытой системой является система, подобная реке, огню, организму, экосистеме или человеческому обществу. Открытая система не только находится в постоянном взаимодействии со средой, но само существование ее не может продолжаться без всякого взаимодействия.
2) Классификация по величине системы позволяет делить систему на небольшие и большие.
3) Классификация по неоднородности связей делит системы на простые и сложные (характерным признаком системы является наличие разветвленной структуры и большего числа внешних и внутренних связей).
4) Классификация по уровням иерархии систем делит системы на суперсистемы и подсистемы. Каждая данная система может быть разделена на подсистемы, а каждая подсистема на подсистемы более «низкого» уровня. Элементом данной системы будет такая подсистема, в которой не рассматриваются подсистемы «низшего» уровня, это – относительный предел разбиения системы в каждом отдельном случае выделения и анализа. На подсистемы может быть разбита как простая, так и сложная система. Для простой системы такое разбиение произвольно и вызвано удобством наблюдения, нежеланием или невозможностью непосредственно описать все элементы и связи. Здесь можно распространить полученный результат на остальные подсистемы, вводя в необходимых случаях коэфф
