Понятие функций, структуры системы системы

Наличие проблемной ситуации и сформулированной цели системы, как прообраза ее будущего состояния, требует реализации определенных действий по достижению заданных целевых результатов.

В этом случае, определим функцию системы как способ (совокупность действий) достижения системой поставленных целей [3, 7].

В действующих системах множество функций задается, как правило, в уставе организации, множестве должностных инструкций. В этом случае задачей системного анализа является выявление соответствия между целями организации и множеством ее нормативных функций.

Для определения множества функций вновь проектируемых систем либо определения множества вариантов решения каких-либо проблемных ситуаций с успехом могут быть использованы некоторые формальные приемы системного анализа: метод декомпозиции; использование стандартных моделей сложных систем; IDEF0-методология; метод формирования иерархических содержательных моделей и др. Перечисленные методы будут рассмотрены ниже.

Например, при реализации цели “Обеспечение качества подготовки специалистов, соответствующего требованиям конкретного предприятия” можно сформулировать следующие функции (виды деятельности) [2]:

1) заключение договоров по целевой подготовке специалистов;

2) перевод студентов на индивидуальное обучение;

3) подготовка цикла специализированных занятий соответствующих требованиям предприятия;

4) развитие материальной базы учебного процесса и т.д.

В ряде случаев для генерации множества функций рекомендуется привлекать внешних экспертов, специалистов, не обремененных прошлым системы, не знающих ее внутренних ограничений и противоречий.

Рассмотренные выше этапы создания системы для конкретной проблемной ситуации (формирование целей и способов их достижения, т.е. функций) объективно требуют следующего логического шага - выявления таких элементов и отношений между ними (внутреннего устройства системы), которые реализуют целенаправленное функционирование системы.

Элементы любого содержания, необходимые для реализации функций, назовем частями или компонентами системы. Совокупность частей (компонентов) системы образует ее элементный (компонентный) состав. При этом те элементы системы, которые рассматриваются как неделимые, будут называться элементарными. Часть системы, состоящая более чем из одного элемента, образует подсистему. Вместе с тем, каждую из подсистем, реализующих конкретную функцию, можно, в свою очередь, рассматривать как новую систему и т.д.

Упорядоченное множество отношений между частями, существенное по отношению к цели, необходимое для реализации функции, образует структуру системы.

Понятие структуры происходит от латинского слова structure, означающего строение, расположение, порядок, а наиболее точное определение структуры выглядит следующим образом: «Под структурой понимается совокупность элементов системы и взаимосвязей между ними» [2]. При этом понятие «связи» может характеризовать одновременно и строение (статику), и функционирование (динамику) системы.

Отношения между элементами системы могут быть самыми разнообразными. Можно выделить следующие типы отношений:

- классификационные («род – вид»);

- отношения типа «часть- целое»;

- пространственные отношения;

- временные отношения;

- материальные (вещественные, энергетические, информационные) связи;

- определяющие отношения (определяющие свойства, в том числе через математические, логические соотношения между свойствами элементов);

- эмпирические отношения

К последнему типу относятся весьма разнообразные отношения, присутствующие в реальных системах, например, «руководить», «владеть», «нравиться» и т.д.

При проведении анализа используются два определяющих понятия структуры: материальная структура и формальная структура [3].

В общем случае под формальной структурой понимается совокупность функциональных элементов и их отношений, необходимых и достаточных для достижения системой поставленных целей. Из определения следует, что формальная структура описывает нечто общее, присущее системам одного типа. В свою очередь, материальная структура является носителем конкретных типов и параметров элементов системы и их взаимосвязей.

Приведенные рассуждения позволяют сделать два вывода относительно сущности формальных структур: фиксированной цели соответствует, как правило, одна и только одна формальная структура; одной формальной структуре может соответствовать множество материальных структур.

 При проведении системного анализа на этапе изучения формальных и материальных структур системы аналитики решают обычно следующие задачи:

· определения соответствия существующей структуры новым целям и функциям системы;

· определения необходимости реорганизации существующей структуры либо проектирования принципиально новой структуры;

· определение вида распределения (перераспределения) новых и старых функций системы по элементам структуры.

Пример. Рассмотрим формальную структуру часов. Вне зависимости от индивидуальных особенностей самых разнообразных часов (электронных, механических, песочных, солнечных и т.д.) в состав структуры часов входят два основных элемента: датчик времени и индикатор времени. Еще один элемент - эталон времени – может включаться в структуру часов или быть внешним элементом [3].

На рис. 6 приведена формальная структура часов.

 

 

 

 

Основные функциональные элементы структуры:

Датчик времени – процесс, соответствующий ходу времени (электрический ток, равномерное раскручивание пружины, равномерная струйка песка, вращение Земли вокруг своей оси и т.д.).

Индикатор времени – устройство, преобразующее и отображающее состояние датчика в сигнал времени для пользователя.

Эталон времени служит для синхронизации часов, т.к. с течением времени показания часов будут отличаться от эталона (например, это сигналы точного времени по радио).

В структуру часов входят основные отношения между функциональными элементами:

1 – однозначное соответствие временного процесса и его отображения на индикаторе;

2 – соответствие временного процесса эталону;

3 – периодическое сравнение и устранение расхождения показаний и эталона;

4 – поступление энергии;

5 – регулировка индикатора;

6 – показания часов.

Рассмотрим типовые структуры, используемые при построении административных, производственно-технологических и вычислительных систем (рис. 7) [2].

 

Линейная структура (рис.7, а) характеризуется тем, что каждая вершина связана с двумя соседними. При выходе из строя хотя бы одного элемента (связи) структура разрушается.

Кольцевая структура (рис 7., б) отличается замкнутостью, любые два элемента обладают двумя направлениями связи. Это повышает скорость общения, делает структуру более живучей.

Сотовая структура (рис.7, в) характеризуется наличием резервных связей, что повышает надежность (живучесть) функционирования структуры, но приводит к повышению ее стоимости.

Многосвязная структура (рис.7, г) имеет структуру полного графа. Надежность функционирования максимальная, эффективность функционирования высокая за счет наличия кратчайших путей, стоимость - максимальная. Частным случаем многосвязной структуры является “колесо” - (рис.7, д).

Иерархическая структура (рис.7, е) получила наиболее широкое распространение при проектировании систем управления, чем выше уровень иерархии, тем меньшим числом связей обладают ее элементы. Все элементы, кроме верхнего и нижнего уровней, обладают как командными, так и подчиненными функциями управления. Каждый уровень такой системы характеризуется уровнем иерархии, который определяется как отношение числа исходящих связей к числу входящих.

Звездная структура (рис.7, ж) имеет центральный узел, который исполняет роль центра, все остальные элементы системы являются подчиненными.

Графовая структура (рис.7, з) является инвариантной по отношению к иерархической и используется обычно при описании производственно-технологических систем. 

Матричная структура (рис.7, и) используется, в частности, для описания матричной схемы управления оргсистемой.

В целом структура является материальным носителем целевой деятельности по ликвидации проблемной ситуации и от ее эффективности во многом зависит конечный результат этой деятельности. При выборе варианта структуры целесообразно использовать некоторые обобщенные показатели эффективности. В литературе рассматриваются два класса таких показателей:

- показатели, описывающие статические параметры системы;

- показатели, описывающие ее динамические свойства.

К первой группе показателей относятся число уровней иерархии, характер взаимосвязей между элементами, степень централизации (децентрализации) управления. Вторая группа показателей описывает эффективность функционирования системы: оперативность, централизация, периферийность, живучесть. Кратко остановимся на характеристиках вышеперечисленных показателей [2].

Оперативность оценивается временем реакции системы на воздействие внешней среды либо скоростью ее изменения и зависит, в основном, от общей схемы соединения элементов и их расположения.

Централизация определяет возможности выполнения одним из элементов системы руководящих функций. Численно централизация определяется средним числом связей центрального (руководящего) элемента со всеми остальными.

Периферийность характеризует пространственные свойства структур. Численно периферийность определяется показателем центра тяжести структуры, при этом в качестве единичной оценки меры связности выступает “относительный вес” элемента структуры.

Живучесть системы определяет ее способность сохранять значения показателей при повреждении части системы. Этот показатель может характеризоваться относительным числом элементов (или связей), при уничтожении которых остальные показатели не выходят за допустимые пределы.

Задача оптимизации структуры с целью получения наибольшей эффективности системы является актуальной и требует определенного математического аппарата для своего решения. В качестве такого аппарата используется теория графов и целочисленное программирование.