Лекция № 3. Системный подход: основные понятия и определения

План лекции:

1. Основ­ные элементы системного подхода

2. Понятие системы и ее структура

3. Описание сложных систем

Методология автоматизированного проектирования во многом определяется характеристиками решаемых за­дач. Задачи архитектурно-строительного проектирования обладают всеми признаками сложных систем:

- многообразие структуры (сети, деревья, иерархиче­ские структуры и т.д.);

- многосвязевость элементов (взаимосвязь подсистем в одном уровне и между различными уровнями иерархии);

- многообразие природы элементов (машины, автома­ты, люди-операторы);

- многократность изменения состава и состояния си­стемы (переменность структуры, связей и состава си­стемы);

- многокритериальность (наличие локальных критериев для подсистем и глобального критерия для системы в целом, их противоречивость) (рис. 3.1).

	Сложные системы

Рис. 3.1 Признаки сложных систем.

Для исследования и разработки сложных задач в современной науке используется системный подход. Основ­ные элементы системного подхода:

- формулирование целей системы и установление их иерархии до начала деятельности, связанной с приня­тием решений;

- разработка математических или логических моделей, отражающих содержание целей;

- определение ограничений и требований, накладывае­мых на систему средой;

- разработка различных (альтернативных) способов достижения целей;

- оценка вариантов решений, основанная на всем при­нятом комплексе критериев, всесторонне характеризую­щих варианты;

- правило выбора предпочтительного варианта (рис. 3.2).

В рамках системного подхода выделяют самостоя­тельные научные дисциплины: исследование операций, системотехника, системный анализ, принятие решений. Областью исследования операций служит в основном выработка оптимальных стратегий поведения существую­щих систем; системотехники - проектирование новых, главным образом технических систем. Применение ме­тодов системотехники в строительстве исследуется в на­учно-технической дисциплине системотехника строитель­ства, объекты изучения которой — технические, органи­зационные, управленческие системы и межсистемные свя­зи, содействующие достижению конечного результата.

Как в исследовании операций, так и в системотехнике сравнение вариантов производится аналитическими ме­тодами.

К особенностям системного анализа относится его на­правленность на проблемы, где наряду с количественными присутствуют и качественные факторы.

Основное средство сравнения вариантов в системном анализе - метод «стоимость - эффективность», а основная сфера использования - большие организационные системы.

Методы теории принятия решений базируются на при­знании центральной роли человека и направлены в основном на проблемы, где качественные факторы ока­зывают существенное влияние на решение задачи.

Рис. 3.2 Основные элементы системного подхода.

Под принятием решений как научным направлением чаще всего понимают разработку методов, позволяющих человеку

сравнивать или оценивать варианты принимае­мых решений. Современная теория принятия решений располагает развитым математическим аппаратом, по­зволяющим формализовать отдельные предпочтения лиц, принимающих решения, представив их в конеч­ном виде в форме алгоритмов. Необходимость в разработке специальных методов сравнения вариантов при решении сложных задач объясняется тем, что аналити­ческие методы, используемые в исследовании операций, системотехнике, системном анализе, могут быть исполь­зованы только для решения некоторых частей сложных задач, для решения же задачи в целом они непригодны.

Существует множество определений понятия систе­ма. Наиболее распространены из них:

1. система - целостное взаимосвязанное множество объ­ектов, предметов;

2. система - организованное множество структурных элементов, выполняющих определенную функцию;

3. система - порядок (план, классификация), по кото­рому располагается группа понятий для образования единого стройного целого;

4. система - целостное множество объектов (элемен­тов), связанных между собой взаимными отношениями.

Анализируя существующие определения, можно от­метить, что понятие «система» основывается на таких факторах, как наличие множества составляющих элемен­тов, их взаимосвязей, некоторой цели функционирова­ния, среды системы[2]. Кроме того, в ряде определений отражено, что система представляет собой элемент си­стемы более высокого порядка, а элементы системы, в свою очередь, существуют как системы более низкого порядка. Названные факторы являются система образующими, т. е. необходимыми для образования систем и, в частности, систем автоматизированного проекти­рования.

Системный подход предполагает обязательный ана­лиз структуры системы. Под структурой понимается со­вокупность элементов системы и устойчивых связей между ними, обеспечивающих ее целостность и тождест­венность самой себе, т. е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

В целях упрощения исследования, разработки, орга­низации и управления системой она обычно подразде­ляется на более мелкие структурные части — элементы системы.

Таким образом, структура системы может быть опре­делена через понятия «система», «элемент», «связь».

Под элементом системы понимается, как правило, часть системы, неделимая с точки зрения принятого аспекта исследования системы.

Анализ взаимосвязи понятий «система» и «элемент» показывает, что система обладает такой целостностью, при которой каждый ее элемент есть причина и одно­временно следствие состояния другого элемента систе­мы. Вместе с тем, несмотря на относительную самостоя­тельность ее элементов, абсолютная их самостоятель­ность невозможна. Целостность системы обеспечивается посредством связи между ее элементами. Характеристи­ка связи влияет на тип структуры системы.

Связи системы могут классифицироваться, по край­ней мере, на два типа: между однородными элементами и между элементами, находящимися в определенной зависимости. Первый тип связи определяет «горизон­тальную», а второй - «вертикальную» иерархическую структуру. Последовательное вертикальное расположе­ние подсистем, составляющих системы, дает только одну из трех существующих характеристик иерархии. К двум другим относятся: приоритет действий и целей нижне­го[3] уровня по отношению к верхним, с одной стороны, и зависимость действий нижнего уровня от исполнения верхними уровнями своих функций, с другой.

Иерархия - специфический признак сложных систем. Действительно сложную систему невозможно описать полно и детально, не установив отношений иерархии, когда каждый элемент системы выполняет свою функ­цию, которая служит составной частью функции всей системы (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Структура иерархических систем:

а – декомпозиция систем; б – синтез систем.

Таким образом, иерархические структуры позволяют совершить логический переход от целого к части, что повышает вероятность упорядочения всех свойств в соответствии с общими требованиями: чем выше уро­вень иерархии, тем детальнее и конкретнее становится содержание системы, чем ниже – тем яснее общие цели системы.

Следует различать иерархию элементов и иерархию целей. Представление системы в виде иерархии целей означает декомпозицию сложной проблемы принятия ре­шений на более простые, таким образом, что их решение позволяет решить исходную задачу.

Широкое применение в разработке систем автомати­зированного проектирования объектов строительства на­шли принципы кибернетики. Предмет изучения кибер­нетики - сложные системы, способные хранить, переда­вать и преобразовывать информацию.

Один из важнейших принципов кибернетики заклю­чается в том, что все системы рассматриваются с точки зрения возможности формализации, т. е. строгого мате­матического описания процессов, которые связаны с управлением и переработкой информации. Такой подход предполагает широкое использование математиче­ского моделирования.

Метод математического моделирования стал основ­ным и в системах автоматизированного архитектурно-строительного проектирования. Однако не все понятия и процессы в проектировании могут быть описаны ма­тематически.

Моделирование понятий и процессов, которые не под­даются математическому описанию, производится в ки­бернетике с помощью специфического функционального подхода, получившего название «черный ящик».

«Черный ящик» - это система, в которой внешнему наблюдению доступны лишь входные и выходные вели­чины, а внутреннее устройство и характер процессов, протекающих в системе, неизвестны. Пусть на входе системы будут иметь место воздейст­вия х₁, х₂,..., х_m, а на выходе сигналы у₁, y₂,..., у_m (рис. 3.4). Если с такой системой провести эксперимент, изменяя входные данные, то, не зная устройства самой системы, можно сделать вывод о том, какие выходные данные будут получены при изменении входных. Таким образом, с помощью метода «черного ящика» сложные системы, полностью не поддающиеся обзору и описанию, можно преобразовать в системы, которые математиче­ски описываются и могут быть представлены в виде программ для ЭВМ.

x₁ y₁

x₂ y₂

::

x_m y_m

Рис. 3.4 Схема функционирования системы по принципу «черного ящика».

В системах автоматизированного проектирования по­лучили применение и такие понятия кибернетики, как «прямая» и «обратная» связь.

Прямой связью называется связь, посредством кото­рой происходит передача информации от управляющего органа управляющему объекту.

Обратной связью называется связь, посредством ко­торой происходит передача от управляющего объекта управляющему органу информации о состоянии управ­ляемого объекта и о результатах воздействия на него со стороны управляющего органа. Схема функциониро­вания систем с прямыми и обратными связями в самом общем виде изображена на рис. 3.5.

Канал обратной связи

Канал прямой связи

Рис. 3.5 Схема функционирования произвольной системы управления.

В такой системе управляющая система воздействует на объект управле­ния по каналу прямой связи и получает по каналу об­ратной связи информацию о результатах этого воздейст­вия. Таким образом, управляющая система не только «знает», как ведет себя управляемая система, но и мо­жет в зависимости от ее поведения изменять свои коман­ды для достижения заданий цели.

Одна из главных проблем, которая разрабатывается в кибернетике, - проблема взаимодействия человека и вычислительной машины. Смысл постановки этой проб­лемы в границах систем автоматизированного проектирования объектов строительства заключается в том, что­бы, с одной стороны, с помощью машины расширить творческие возможности человека-проектировщика, пре­доставив ему новую информацию при решении задач проектирования, а с другой стороны, - освободить проек­тировщика от самых трудоемких операций, которые могут выполняться машиной.

Кроме общих теоретических положений для разра­ботки систем автоматизированного проектирования кон­кретных объектов требуется знание специальной теоре­тической базы, на которой основывается данная область знаний. Для автоматизации архитектурно-строительного про­ектирования такой специальной теоретической базой служат строительные научные дисциплины. К ним отно­сятся основы архитектурно-строительного проектирова­ния: виды объектов строительства, их классификация, требования к объектам; единая модульная система, уни­фикация, типизация, нормализация в строительстве; фи­зико-технические основы проектирования (теплофизика, светотехника, инсоляция, акустика) и т. д.

Контрольные вопросы:

1. Каковы признаки сложных систем?

2. Основные элементы системного подхода.

3. Самостоятельные научные дисциплины, выделяемые в рамках системного подхода.

4. Понятие «система».

5. Какова структура системы?

6. Иерархия, как специфический признак сложных систем.

7. Принципы кибернетики (черный ящик, прямая и обратная связь).