Библиографическое описание:

Будылина Е. А., Гарькина И. А., Данилов А. М., Сухов Я. И. Некоторые подходы к анализу и синтезу сложных систем // Молодой ученый. — 2013. — №10. — С. 105-107.

Системный объект в наиболее общем виде обладает свойствами:

-          создается ради определенной цели и в процессе достижения этой цели функционирует и развивается (изменяется);

-          управление системой осуществляется по информации о состоянии объекта и внешней среды на основе моделирования поведения рассматриваемой системы;

-          состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции в его составе;

-          свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов; все компоненты при их совместном функционировании обеспечивают новое свойство, которым не обладает в отдельности каждый из компонентов (возможность управления свойствами целостной системы).

Таким образом, фактически проектирование системы сводится к построению ее сложной модели [1..3]. Предполагается, что компоненты системы в свою очередь могут рассматриваться как системы. Проектируемая система является компонентом системы более высокого порядка (надсистемы). Определяется иерархия систем — расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему. Проект системы объединяет частные, взаимосвязанные, взаимообусловленные модели. Отражает значительное число параметров и связей между ними, не всегда простых для формализованного описания. В этом смысле о проекте системы можно говорить, как о большой сложной модели, отражающей все свойства будущей реальной системы. Проект представляет собой ряд зависимостей между целями проектирования, возможными целями их достижения, окружающей средой и ресурсами.

Многоуровневая иерархическая структура критериев качества [4] сложной системы приводит к необходимости решения задачи многокритериальной оптимизации в условиях неопределенностей целей. Критерии качества системы должны давать количественную оценку. Интересующая характеристика системы может определяться различными способами, как прямыми измерениями, так и на основе косвенных измерений. Предпочтение, естественно, отдается методу, требующему простых измерений и легкой интерпретации результатов и их формализации. Выбор целевой функции (формализация цели) всегда или почти всегда — большая проблема. Цели часто оказываются противоречащими друг другу. Несмотря на кажущуюся бессмысленность, фраза «добиться максимума производства с минимумом затрат» правильно отражает тенденции, интересы оперирующей стороны. Рассмотренная ситуация типична: она показывает, что, даже зная цели оперирующей стороны, исследователь операции ещё не может приступить к решению оптимизационной задачи. Для того чтобы свести задачу исследования операции к стандартной задаче оптимизации, необходимо сформулировать и дополнительные гипотезы, не вытекающие из постановки задачи.

Как сформулировать единую цель, если критериев много:

а ресурс для их достижения находится только в «одних руках»≤ Здесь математика не может дать однозначного ответа на этот вопрос, но может помочь принять решение и сделать правильный выбор. В этом заключается и проблема основная проблема многокритериальности (неопределённостей целей). Она типична при проектировании сложной системы (объекта) различной природы. Одновременная оптимизация по всем критериям невозможна в принципе; возможен лишь некоторый компромисс в сочетании требуемых качеств. Например, пусть целевая вектор-функция ,  — единственный управляемый фактор (рис.1). Решением оптимизационной задачи  при ограничении  будет ; а при ограничении  будем иметь , . Решения же при ограничениях ;  вовсе нет, так как интервалы  и  не перекрываются. Если возможна расстановка приоритетов в критериях качества, задача сводится к однокритериальной оптимизации.

Основным методом исследования является математическое моделирование (фактически всегда итеративное), в том числе имитация процессов функционирования системы. Разработка математических моделей начинается с оценки функциональных характеристик, являющихся показателями эффективности, надёжности, помехозащищенности, качества управления и других важных свойств (формально представляются некоторыми функционалами). Далее методами структурного анализа(частные свойства количественно оцениваются структурными характеристиками системы) в системе выделяются подсистемы, находящиеся в заданных отношениях, что дает возможность представить систему в виде совокупности объектов с хорошо изученными типичными структурами. Выделяются типичные режимы функционирования, проводится оценка достижимости, управляемости и наблюдаемости, анализируется асимптотическое поведение.

Рис. 1. Двухкритериальная задача при одном управляемом факторе

Очевидны преимущества построения математической модели системы на принципах системного анализа с использованием гибкой модульной структуры [5] и с возможностью оптимизации взаимосвязей при максимально возможной унификации модулей по классам систем (для конкретной характеристики объекта используются оригинальные сепаратные модули). Естественно, структурная и параметрическая идентификация с корректировкой характеристик системы при обязательном учете экспериментальных данных, должны осуществляться с требуемой точностью моделирования характеристик. Методика идентификации должна быть увязана с перечнем рассматриваемых характеристик систем (ее структуры и свойств); должен быть разработан перечень допустимых отклонений характеристик модели от характеристик разрабатываемого объекта и методика корректировки характеристик частных моделей (модулей) для устранения указанных отклонений [6,7].

Эффективность математического моделирования при синтезе сложных систем в значительной степени определяется тем, насколько точно разработанная иерархическая структура системы отражает взаимодействие между элементами и подсистемами на разных уровнях иерархии. Первичной при проектировании сложной системы является иерархическая структура критериев качества. При необходимости детализация исследуемого объекта производится на ее основе. Учитываются установленные связи между частными критериями качества (свойства системы), элементный состав системы и межэлементные взаимодействия. Нередко взаимодействия включают в состав частных критериев, что неправомерно, хотя именнона основе изучения взаимодействий и определяется иерархическая структура собственно системы. Часто не делают различия между элементами иерархических структур критериев качества и собственно системы; элемент системы нельзя рассматривать как элемент некоторого уровня иерархической структуры критериев качества. Разработка иерархических структур, как критериев качества, так и собственно системы, зависит от уровня изучения межэлементных взаимодействий в системе. Так что решение задачи синтеза сложной системы, в основном, определяется степенью изученности взаимодействий между ее элементами. Детализация иерархической структуры критериев качества — задача более простая, чем детализация структуры самой системы. Вэтом и состоит главная концепция системного подхода, предполагающего познание системы не только, изучая его части, но и рассматривая систему одновременно во всем комплексе проблем и на всех уровнях организации, в том числе — с учетом влияния внешней среды. Каждая из подсистем выполняет в системе некоторую обобщенную функцию. В целостной сложной системе изменение любого элемента оказывает воздействие на другие элементы системы и ведет к ее изменению. Этим-то и объясняется невозможность разложения целостной системы на отдельные компоненты без потери ее интегративных (системообразующих) свойств.

Как и любая другая научная методология, системный подход опирается на эксперимент и ориентирован на выявление закономерностей, непосредственно следующих из наблюдений и экспериментов, поставленных на основе принятой исследователем теоретической концепции, исходя из целей и задач исследователя (носят прагматическийхарактер). Созданная на основе выявленных факторов и закономерностей модель (модели) объекта фактически заменяет теорию и становится источником последующих выводов и гипотез. Декомпозиция системы субъективна; выбором разбиения системы на подсистемы определяется простота модели системы и возможность ее использования для последующего анализа и прогнозирования ее поведения.

Подытоживая, отметим, возможность представления сложной системы конечным множеством моделей, позволяющих исследовать определенное свойство или группу ее свойств по одной или нескольким упрощенным (узкоориентированным) моделям (должны быть проще системы). Создание полной модели для сложной системы практически бесполезно, ибо она будет столь же сложной, как и сама система.

Непосредственные реализации предложенных подходов к анализу и синтезу сложных систем, имеющих модульную иерархическую структуру, подробно рассматривались в [1–7].

Литература:

1.         Данилов А. М., Гарькина И. А. Методология проектирования сложных систем при разработке материалов специального назначения / Известия ВУЗов Строительство. 2011. № 1. — С.80–85.

2.         Будылина Е. А., Гарькина И. А., Данилов А. М., Махонин А. С. Основные принципы проектирования сложных технических систем в приложениях / Молодой ученый. — № 5. 2013. –С.42–45.

3.         Гарькина И. А., Данилов А. М. Управление в сложных технических системах: методологические принципы проектирования / Региональная архитектура и строительство. -№ 1. 2012. –С.39–42.

4.         Прошин А. П., Данилов А. М., Гарькина И. А., Королев Е.ВА., Смирнов В. А. Синтез строительных материалов со специальными свойствами на основе системного подхода / Известия ВУЗов. -№ 7.- 2003. –С.43–47.

5.         Гарькина И. А., Данилов А. М., Лапшин Э. В., Юрков Н. К. Системные методологии, идентификация систем и теории управления: промышленные и аэрокосмические приложения/ Известия ВУЗов. Поволжский регион. Технические науки. 2009. № 1. –С.3–11.

6.         Данилов А. М., Домке Э. Р., Гарькина И. А. Формализация оценки оператором характеристик объекта управления / Информационные системы и технологии. 2012 № 2 –С.5–10.

7.         Гарькина И. А., Данилов А. М., Смирнов В. А. Флокуляция в дисперсных системах / Системы управления и информационные технологии. 2009. № 2.3 (32). — С. 344–346.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle