Классификация моделей и методов системного анализа

 

Все понятия, методы, модели и технологии можно объединить в несколько укрупненных блоков. На рис. 2.1. приведена схема, представленная в виде многоуровневой структуры. Блоки расположены так, что чем выше уровень, тем более прикладной, узко направленный характер носят его составляющие методы и модели. Связи между уровнями имеют смысл «использует», причем имеется в виду использование не только знаний соседнего уровня, но и всех нижерасположенных уровней.

Базисный уровень составляют основополагающие понятия системного анализа: система, подсистема, элемент, окружающая среда, проблема, цель, функция, структура, внешние условия системы. К базовым понятиям относятся и основные свойства систем - свойства иерархичности, эмерджентности, динамичности, целенаправленности.

Следующий уровень составляют базовые модели системного анализа. Практически любая методика системного анализа в качестве основы использует одну из базовых моделей или их некоторую комбинацию. Высокий уровень абстрактности этих моделей позволяет использовать их для любых типов систем, причем для описания различных аспектов систем, таких как цели, задачи, функции, структуры. Конкретные методики, используя базовые модели, наполняют их более конкретным содержанием, накладывая определенные ограничения на синтаксис и семантику моделей.

Одна из базовых моделей систем – модель в виде этапов системной деятельности рассмотрена в п. 1.7.

К базовым моделям относятся также модель черного ящика, модель состава системы и модель структуры (см. рис. 2.2). Эти виды моделей широко используются для формирования моделей организаций. Например, модель черного ящика используется для описания взаимодействия организации с окружающей средой. Модель состава используются для отображения состава функций организации, целей, задач, персонала и т.д. Модель структуры используется для отображения структуры подчиненности в организации, коммуникационных взаимодействий и т.д. Указанные виды моделей систем используются чаще всего в статическом варианте, однако они могут использоваться и в динамическом варианте. Например, динамическая модель черного ящика может быть использована для отображения динамики изменения некоторых основных параметров, характеризующих состояние организации. Динамический вариант модели структуры используется, например, при формировании сетевого графика выполнения программы развития организации.

Для построения этих моделей применяется метод декомпозиции. В свою очередь, для проведения декомпозиции используются, так называемые, стандартные модели, описывающие инвариантные характеристики сложных систем.

 

 

		Рис. 2.1. Классификация моделей и методов системного анализа

 

		Модели на уровне
		входов-выходов	состава	структуры
Элементы   системы   и   система   в целом	Выходы
	Входы
	Процесс
	Сис-тема
		Описание на уровне черного ящика	Описание на уровне состава системы	Описание на уровне структуры

 

Рис. 2.2. Основные виды моделей систем

 

В следующий уровень компонент системного анализа включены модели и методы принятия решений. В самом общем виде последовательность принятия решений включает этапы выявления проблемной ситуации, целевыявления, формирования критериев выбора решений, выработки (генерации) решений, согласования и выбора решений, реализации решений и оценки результатов. Данная последовательность применима для создания самых различных сложных систем.

К этому уровню будем относить и методы принятия решений. Как правило, эти методы не привязаны к объекту проектирования, в них делается акцент на способы организации группового или индивидуального поиска решений. К методам поиска решений относятся, в частности, методы активизации мышления (мозговой штурм, синектика), методы генерации вариантов (морфологический анализ, метод Дельфи), а также методы выбора (например, метод экспертных оценок), модели выбора оптимальных альтернатив, модели исследования операций.

Перейдем к рассмотрению следующего уровня компонент системного анализа. Его составляют прикладные методологии системного анализа, центральным моментом которых является модель сложной системы. Примерами таких методологий могут служить модель дерева целей, модель задач управления, метод построения иерархических содержательных моделей сложных систем, метод структурно-функционального проектирования Казарновского и т.д.

Различные методологии, используя те или иные сочетания базовых моделей системного анализа применительно к тем или иным аспектам сложной системы, предлагают более конкретные способы формирования моделей. Например, методика дерева целей, предназначенная для этапа целевыявления, использует как основу декомпозиционную модель состава применительно к целям сложной системы. При этом предлагаются конкретные способы формирования модели, в частности, с использованием стандартных оснований декомпозиции, даются определенные рекомендации по проведению декомпозиции.

Верхний уровень компонент системного анализа составляют технологии проектирования, использующие системный анализ. К ним относятся технологии, ориентированные на конкретный вид систем, например: CASE-технологии проектирования программных информационных систем, технологии автоматизированного проектирования технических систем различного назначения, технологии реинжиниринга бизнес-процессов. Отличительной особенностью технологий является наличие регламентирующей процедуры проектирования, предусматривающей выполнение определенных этапов, для каждого из которых определены стандартизированные методики и стандартный набор документации. Как правило, на некоторых этапах предусматривается формирование различного рода моделей.

Практически любая технология явно или неявно использует системный подход. Так, в основе регламентирующих процедур проектирования, как правило, лежит системная последовательность принятия решений. Методики проектирования зачастую базируются на различных методологиях системного анализа и общих процедурах принятия решений.

Многие технологии подкреплены автоматизированными средствами поддержки. Например, для проектирования информационных систем широко используются CASE- средства автоматизации создания программного обеспечения, для создания технических комплексов разработаны различные системы автоматизированного проектирования (САПР), для проектирования бизнес-систем все активнее начинают применяться инструментальные BPR-средства.

 

Модель «черного ящика»

 

Первым наиболее простым и абстрактным уровнем описания системы является модель “ черного ящика ”. В этом случае предполагается, что выделенная система связана со средой через совокупность входов и выходов. Выходы модели описывают результаты деятельности системы, а входы - ресурсы и ограничения. При этом предполагается, что мы ничего не знаем и не хотим знать о внутреннем содержании системы. Модель в этом случае отражает два важных и существенных ее свойства: целостность и обособленность от среды [2, 3].

Такая модель, несмотря на ее внешнюю простоту и отсутствие сведений о внутренней структуре, оказывается часто полезной и достаточной для практического использования.

Например, для анализа работоспособности телевизора необходимо проверить входы (шнур электропитания, антенну, ручки управления и настройки) и выходы (экран кинескопа и выходные динамики). Системное описание какого-либо производственного процесса необходимо начинать с анализа его информационных и материальных входов и выходов - планируемых и результирующих показателей деятельности, качества ресурсов и конечных продуктов и т.д.

Следует отметить, что существует множество систем, внутреннее устройство которых невозможно либо нецелесообразно описывать, и в этом случае модель “черного ящика” является единственным вариантом их исследования. Например, мы не знаем, как устроен организм человека, в то же время необходимо знать влияние, оказываемое на него лекарственными препаратами и т.д. Формализация модели “черного ящика” основывается на задании двух множеств входных и выходных переменных, и никакие другие отношения между множествами не фиксируются. Недопустимо полагать, что построение модели “черного ящика” является тривиальной задачей, так как ответ на вопрос о содержании множеств не всегда однозначен.

Построение модели основывается на выборе из бесконечного множества связей системы со средой их конечного множества, адекватно отражающего цели исследования. Очевидно, что такие модели не надо сводить к моносистеме (т.е. системе с одним входом и выходом), а для обоснования необходимого и достаточного количества параметров множеств входов и выходов широко использовать методы математической статистики, привлекать опытных экспертов [2, 3].

Модель «черного ящика» рассмотрим на примере хозяйствующей организации (предприятия). На рис. 2.3 приведена структура окружающей среды производственного предприятия, а также основные связи предприятия с окружающей средой [11].

Дадим некоторые пояснения. Для производственной деятельности необходимо привлечение капитала, будь то в форме акций или заемного капитала (1). Ликвидные средства позволяют предприятию задействовать производственные факторы (2), т.е. сырье, материалы, оборудование, которые в процессе производства преобразуются в готовые изделия.

 

 

Сбыт продукции (3) предприятиям или личным хозяйствам дает предприятию поступления (4), которые необходимы для погашения задолженности на рынке закупок, оплаты труда и т.д. (5). Проценты на заемный капитал и образующиеся излишки выплачиваются инвесторам (6), кроме того, государству выплачиваются налоги и сборы (7). С другой стороны, государство может предоставлять предприятию дотации (8).

 

Модель состава системы

 

При рассмотрении любой системы, прежде всего, обнаруживается, что ее целостность и обособленность выступают как внешние свойства. Вместе с тем внутренняя структура системы также является многообразной, неоднородной и состоит из множества функциональных элементов. Декомпозиция внутренней структуры “черного ящика” на более мелкие составляющие (подсистемы, отдельные элементы) позволяет строить модели состава систем [3].

Например, если в качестве системы рассматривать производственное подразделение, то в качестве подсистемы выступают производственные участки, а в качестве отдельных элементов - оборудование, сырье, рабочие. Система телевидения состоит из следующих подсистем: аппаратура передачи, каналы связи, аппаратура приема.

Построение модели состава в силу многообразия природы и форм элементов – сложный процесс, что объясняется тремя факторами [2]:

1) неоднозначностью понятия “элементарного элемента”;

2) многоцелевым характером объекта, объективно требующим выделения под каждую цель соответствующего ей состава;

3) условностью (субъективностью) процедуры деления целого на части (системы на подсистемы, элементы).

Последовательная декомпозиция системы на подсистемы приводит к формированию иерархической древовидной структуры. Многоуровневые иерархии различных систем, имея одинаковую древесную форму, могут существенно отличаться по содержанию. В таблице 2.1 приведены примеры декомпозиционных моделей для 4-х систем: «семья, как материальная система», «система целей семьи», «семья, как понятие», «система принятия семейных решений». Отношения между подсистемами дерева для первой из перечисленных систем имеют смысл «целое–часть», для второй – «цель–средство», для третьей – «общее–частное», для четвертой – «координация-решение».

Таблица 2.1

Примеры различных типов иерархий

 

Система	Подсистемы	Элементы
Семья, как материальная система	Члены семьи	Муж, жена, предки, потомки, др. родственники
	Имущество семьи	Общее жилье и хозяйство Личное имущество членов семьи
Система целей семьи	Материальное благополучие	Увеличение доходов Оптимизация расходов
	Духовные цели	Удовлетв-е духовных потребностей каждого члена семьи Общесемейные традиции
Понятие «семья»	Многодетная семья	Муж, жена. >3 детей
	Неполная семья	Муж или жена, дети
Система принятия семейных решений	Согласованное решение по вопросу 1	Мнения по вопросу отдельных членов семьи или коалиции
	Согласованное решение по вопросу 2	Мнения по вопросу отдельных членов семьи или коалиции

 

В [12] было введено 3 типа иерархических систем: «страты», «слои» и «эшелоны».

Страты. Этот вид иерархии позволяет описывать систему на разных уровнях абстрагирования, т.е. детальности описания. На каждой страте имеется свой собственный набор терминов, концепций и принципов. Например, в стратифицированном описании хозяйственной организации на верхнем уровне предприятие в целом характеризуется в основном обобщенными экономическими показателями. На среднем уровне подсистемы сбыта, материально-технического снабжения и т.д. характеризуются, в основном стоимостными показателями. Подсистемы нижнего уровня описываются, как правило, натуральными показателями, такими, как объем и ассортимент складских запасов, загрузка оборудования, рабочее время персонала и т.д. «Понимание системы возрастает при последовательном переходе от одной страты к другой: чем ниже мы спускаемся по иерархии, тем более детальным становится раскрытие системы, чем выше мы поднимаемся, тем яснее становится смысл и значение всей системы» [12].

Слои. Этот вид иерархии позволяет описать сложную проблему принятия решений в виде совокупности последовательно расположенных более простых подпроблем, решение которых позволяет решить и исходную проблему. «Решение любой проблемы из этой последовательности определяет и фиксирует какие-то параметры в следующей проблеме, так что последняя становится полностью определенной и можно приступить к ее решению» [12]. Примером многослойной системы может служить иерархия системы целей семьи, приведенная в табл. 2.1. Так подцели «Увеличение доходов» и «Оптимизация расходов» уточняют более расплывчатую цель «Материальное благополучие». Подцели нижнего уровня могут рассматриваться как элементарные, если очевиден способ их решения. В противном случае они уточняются. Так, цель «Увеличение доходов» может быть продекомпозирована на подцели «Добиться повышения в должности» и «Найти дополнительный заработок» и т.д.

Эшелоны. Этот вид иерархии, так, как он был первоначально определен в [12], относится не к моделям состава, а к моделям структуры. Это понятие иерархии относится к многоуровневым и многоцелевым системам принятия решений. В таких системах принимающие решение элементы располагаются иерархически в том смысле, что некоторые из них управляются другими решающими элементами. При этом элементы верхнего уровня хотя и обуславливают целенаправленную деятельность элементов нижних уровней, но не полностью управляют ею. Принимающим решения элементам предоставлена некоторая свобода в выборе их собственных решений. Наиболее характерный пример систем такого рода – формальные организации людей.

Очевидно, что в таком контексте эшелоны нельзя рассматривать как декомпозиционную модель, т.к. вышестоящий элемент не декомпозируется на нижестоящие, между ними устанавливаются отношения подчиненности. Однако можно модифицировать понятие эшелонов. Эшелонная иерархия может рассматриваться как модель состава в том случае, если подсистемами являются не принимающие решения элементы, а сами решения: на нижнем уровне располагаются частные решения, на вышестоящем - скоординированное, согласованное решение. Таким образом, решение верхнего уровня с одной стороны декомпозируется на частные решения, с другой стороны оно полностью не определяется ими, а имеет еще координирующую составляющую. Например, согласованное мнение семьи по вопросу совместного проведения отпуска декомпозируется на отдельные решения по поводу места, времени, стоимости и т.д., высказываемые отдельными членами семьи или коалициями. Причем общее решение получается в результате согласования, координации частных решений.

Мы рассмотрели три типа моделей состава. Большинство иерархических моделей можно свести к одному из этих основных видов или их комбинации. Однако можно выделить, по крайней мере, еще один вид иерархии, несводимый ни к одному из вышеописанных. Этот вид назовем условно классы. Рассмотрим его подробнее.

Классы. Данный вид относится к иерархии понятий, объединяемых в классы понятий. Если мы возьмем некоторый физический объект, например, дом, то, рассматривая его как систему, мы можем выделить в нем составные части - стены, крыша, окна, двери. Рассматривая же понятие дом, мы можем выделить класс, в который входит данное понятие (например, здание, сооружение) и более конкретные понятия, уточняющие данное (например, многоэтажный дом, особняк, частный дом).

Иерархия классов, таким образом, отражает классификацию понятий, а не структуру объектов, обозначаемых этими понятиями. Связи между классами в иерархии носят несколько иной характер. Класс понятий лежащий ниже по иерархии включает в себя декомпозируемый класс (все его характеристики), добавляя к нему некоторые дополнительные характеристики, т.е. уточняя его, конкретизируя. Поэтому декомпозицию классов на подклассы называют наследованием по аналогии с тем, как ребенок наследует черты родителя, добавляя к ним свои собственные.

Применительно к организационным системам иерархическая модель состава используется, например, при формировании организационной структуры, а также для выявления комплекса проблем, целей и задач управления. При этом сам объект декомпозиции (как и тип формируемой иерархии) может быть разным, что приводит к формированию разных моделей. Так, при декомпозиции «деятельности организации» формируется модель состава производственных, социальных, управленческих и др. процессов, протекающих в организации. При декомпозиции «цели организации» формируется дерево целей. При декомпозиции «персонала организации» мы получим модель организационного состава. Таким образом, для некоторой организации могут быть построены различные модели состава, отличающиеся друг от друга, используемые для различных целей [8].

На рис. 2.4 приведен пример модели состава деятельности промышленной компании, относящейся к типу стратифицированных моделей [8].

На рис. 2.5 приведена модель организационного состава (персонала) промышленной компании, составленная на основе модели деятельности этой компании, приведенной на рис. 2.4 [8].

 

 

 

Модель структуры системы.

 

Простота и доступность моделей “черного ящика” и состава позволяет решать с их использованием множество практических задач. Вместе с тем для более детального (глубокого) изучения систем необходимо устанавливать в модели состава отношения (связи) между элементами. Описание системы через совокупность необходимых и достаточных для достижения целей отношений между элементами назовем моделью структуры системы [2,3].

Перечень связей между элементами, на первый взгляд, является несколько отвлеченной, абстрактной моделью. В самом деле, как рассматривать связи, если не рассмотрены сами элементы. В данном случае речь опять же должна идти о целевом (проблемном) анализе взаимосвязей между элементами, т.е. выделении из бесконечного числа связей необходимого и достаточного их количества в соответствии с имеющимися целями и дальнейшем их изучении. Например, при анализе работоспособности ПЭВМ, убедившись в работе каждого элемента в отдельности, необходимо проанализировать наиболее существенные интерфейсы: между процессором и терминалом, между клавиатурой и процессором, между процессором и внешней памятью.

Приведенное ранее определение системы, понятия формальной и материальной структур позволяют говорить о структурной схеме (модели) системы, объединяющей модели “черного ящика”, состава, структуры. В этой модели описываются все элементы системы, все связи между элементами внутри системы и связи определенных элементов с окружающей средой (входы и выходы системы) [2,3].

Так, например, в качестве структурной модели социально-экономической деятельности вообще можно рассматривать следующую схему (рис. 2.6).

 

Применяя эту модель к анализу учебной деятельности, определим, что объектом деятельности является обучаемый, субъектом деятельности - преподаватель, средствами деятельности – вычислительная техника, учебно-методические материалы, процессом деятельности – используемые технологии обучения [2].

Все структурные схемы имеют нечто общее, что побудило рассматривать их как особый объект математических исследований. Наиболее общей математической моделью описания структурной схемы являются различные графовые модели. Графы могут изображать любые структуры. При этом некоторые типы структур, имеющие важные для практики особенности, выделены в специальные классы. Так, например, для производственного процесса в качестве его топологического описания обычно используется понятие производственно-технологической структуры, под которой будем понимать совокупность элементарных производств и видов деятельности, упорядоченную в соответствии с технологической последовательностью получения промежуточных и конечных продуктов деятельности системы [2].

В формализованном виде производственно-технологическая структура представляется в виде графа типа “сеть” (рис. 2.7), где вершины - “элементарные” хозяйственные подразделения, реализующие процессы преобразования ресурсов в конечные (промежуточные) продукты, а дуги - промежуточные продукты либо другие ресурсы, производимые (представляемые) одними подразделениями и потребляемые другими [2].

 

 

Если же в качестве объекта исследования будем рассматривать территориально-распределенные вычислительные сети, то их описание производится, как правило, в виде линейных (общая шина), кольцевых, звездообразных либо полно-связных структур.

Рассмотрим структуры, описывающие организационные системы. Опыт проектирования организационных систем показывает, что для синтеза оргструктуры существенными являются отношения подчиненности, отношения полномочий и информационные отношения между организационными единицами. Таким образом, необходимо проектирование трех типов структур [8]:

- структуры подчиненности (распределения власти);

- структуры полномочий (распределения ответственности);

- структуры коммуникаций (распределения информации).

На рис. 2.8 приведен пример структуры подчиненности промышленной компании.

 

 

 

Как правило, структуры этого вида изображают в виде иерархии: руководитель располагается на более высоком уровне, чем тот, кем он непосредственно руководит. Последний при этом также может иметь в своем непосредственном подчинении ряд сотрудников и т.д. Обратите внимание, что это другой тип иерархии, отличный от иерархии, полученной путем декомпозиции.

Сравните два рисунка: рис. 2.5 и 2.8. На первом представлена модель состава персонала промышленной компании, на втором – структура подчиненности этого персонала. В модели состава отношения между подсистемами (элементами) – это отношения типа «часть – целое», в модели же подчиненности используются отношения подчиненности [8].

Структура полномочий обычно идентична структуре подчиненности, т.е. обе структуры изображаются с помощью одинаковых графов. Однако само содержание отношений в этих структурах различно.

Структуры коммуникаций гораздо разнообразнее и не ограничиваются структурами типа иерархии. Дело в том, что кроме «вертикальных» потоков информации вниз и вверх по иерархии подчиненности, в любой организации всегда присутствуют и «горизонтальные», и «перекрестные» информационные связи. Более того, кроме формальной структуры упорядоченных потоков информации, в каждой организации существуют и потоки неформальных сообщений. Изучение неформальной структуры коммуникаций может помочь совершенствованию формальной структуры.

Рассмотрим стандартные модели декомпозиции окружающей среды.

1. При составлении описания состояния системы полезным шагом является декомпозиция среды (ОС) на подсистемы, являющиеся потребителями КП системы и (или) поставщиками ПД, СД, исполнителей.

Выходные и входные связи между системой и окружающей средой указывают соответственно потребителей и источники вещества, энергии и информации в окружающей среде. Укажем, что одна и та же подсистема ОС может одновременно быть как потребителем, так и источником.

2. По виду социальной деятельности будем выделять в ОС подсистемы: "управление", "производство", "население", "природа".

Подсистема "управление" включает организации, с которыми исследуемая система обменивается управленческой информацией.

Подсистема "производство" включает отдельные подсистемы, потребляющие и поставляющие производственную продукцию.

Подсистема "население" включает тех людей, которые взаимодействуют с системой в процессе ее функционирования и развития.

Подсистема "природа" включает лесные и земельные угодья, воздушный и водный бассейн ОС.

3. Выделение частей подсистем "управление", "производство", "население", "природа".

Так, в подсистеме "управление" окружающей среды можно выделить следующие части: вышестоящие системы, подчиненные системы, другие системы управления, взаимодействующие с описываемой системой. В состав вышестоящих систем входят отраслевые органы, а также органы территориального управления и т.д.

Подсистема "производство" окружающей среды включает: предприятия, поставляющие материальные и финансовые ресурсы (товарный и финансовый рынки); предприятия, потребляющие продукцию системы; предприятия-партнеры, участвующие в деятельности системы.

Подсистема среды "население" включает население, потребляющее продукцию системы и служащее источником рабочей силы (трудовой рынок).

Подсистему среды "природа" образует прилегающая территория, на которую воздействует исследуемая система (водный и воздушный бассейн, лесные и земельные угодья и т.д.).

На рис. 2.19 приведена стандартная модель системы и окружающей среды на уровне подсистем социальной деятельности и указаны связи подсистем исследуемой системы с подсистемами окружающей среды.

 

Рис.2.19. Модель связей системы и окружающей среды.

 

Опишем основные связи подсистем. Каждой связи приписываются два кода: первый код указывает на подсистему-источник, а второй - на подсистему потребитель.

1.2,1.1 - информация о процессах производства конечного продукта, о состоянии оборудования, о процессах материально-технического обеспечения, о процессах ремонта, капитального строительства и реконструкции, о потерях, отходах и др.

1.1,1.2 - планы производства и выпуска продукции, графики плановопредупредительных ремонтов, планы ремонта и капитального строительства, планы поставок материалов и оборудования, планы развития и реконструкции производства и т.д.

1.2,2.2 - поставка продукции предприятиям и организациям;

2.2,1.2 - приобретаемые сырье, материалы, оборудование, технологии и другие элементы материально-технического снабжения.

1.3,1.1 - информация о сотрудниках и проблемах коллектива, об условиях работы и отдыха и др.

1.1,1.3 - графики контроля условий труда сотрудников и планы улучшения условий труда и отдыха, повышения уровня жизни сотрудников и членов их семей и т.д.

1.4,1.1 - информация о состоянии территории, закрепленной за предприятием (степень загрязненности, уровень загазованности, уровень пожароопасности и т.д.);

1.1,1.4 - графики контроля за параметрами загрязнения территории, планы природоохранных мероприятий;

1.2,1.3 - создание условий труда и отдыха для сотрудников;

1.2,1.4 - выполнение природоохранных мероприятий;

2.1,1.1 – законодательные и нормативные акты, определяющие механизмы хозяйствования;

1.1,2.1 - информация о деятельности системы (производственно-финансовой, социальной и природоохранной), предложения о развитии и реконструкции;

1.1,2.2 - информация о возможностях и потребностях системы;

1.1,2.3 - информация о возможностях системы в интересах населения, о потребностях в рабочей силе;

2.3,1.1 - предложения рабочей силы;

2.4,1.4 - креативные (восстановительные) возможности природы;

1.2,2.4 - загрязнение природы отходами производства;

1.4,2.4 – восстановление и очистка природной среды.

 

Предложенный набор стандартных моделей не является исчерпывающим и может пополняться и конкретизироваться в зависимости от типа системы и целей моделирования. Описанные стандартные модели используются различными прикладными методиками системного анализа.