Лабораторная работа №1. Построение модели «черный ящик»

УДК 519.95.01

ББК

© Л.П. Пилиневич, Н.А. Гулякина, А.Н. Яцук,

 

© БГУИР, 2011

ISBN

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Лабораторная работа №1. Построение модели «черный ящик»
Лабораторная работа №2. Построение модели состава системы.
Лабораторная работа №3. Построение модели структуры системы
Лабораторная работа №4. Построение структурной схемы системы
Лабораторная работа №5. Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной
Лабораторная работа №6. Поиск альтернативы с заданными свойствами
Лабораторная работа №7. Нахождение паретовского множества
Лабораторная работа №8. Выбор альтернативы на языке бинарных отношений
Лабораторная работа №9. Стратифицированное представление систем
Методические указания по выполнению курсовой работы
Рекомендуемая литература
Приложение А
Приложение В

 

Лабораторная работа №3. Построение модели структуры системы

Цель работы: освоить процесс построения модели структуры системы.

 

3.1 Теоретические сведения

Несмотря на полезность моделей «черный ящик» и состава системы, существуют проблемы, решить которые с помощью таких моделей нельзя. Например, чтобы получить велосипед, недостаточно иметь отдельные его детали (хотя состав системы налицо). Необходимо еще правильно соединить все детали между собой, или, говоря обще, установить между элементами определенные связи – отношения. Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы. Связь, с точки зрения структуры системы, формирует эту самую структуру. С точки зрения функционирования системы, она преобразует выход одного компонента во вход другого. Основное ее отличие от компонента заключается в том это преобразование тривиально. То есть, если компонент изменяет поток, то связь его существенно не изменяет. В зависимости от задачи один и тот же объект можно моделировать как компонент, а можно – как связь. Как и входы, и выходы, связи могут быть пространственными (структурными) и временными (причинно-следственными). Структурные связи бывают статическими (энергия, масса или информация, заполняющая связь, не перемещается от одного компонента к другому) и динамическими (от одного компонента к другому идет поток энергии, массы или информации). Статическая связь может переходить в динамическую и наоборот.

Перечень связей между элементами (т.е. структура системы) является отвлеченной, абстрактной моделью: установлены только отношения между элементами, но не рассмотрены сами элементы. Хотя на практике безотносительно к элементам говорить о связях можно лишь после того, как отдельно рассмотрены сами элементы (т.е. рассмотрена модель состава), теоретически модель структуры можно изучать отдельно. Бесконечность природы проявляется и в том, что между реальными объектами, вовлеченными в систему, имеется невообразимое (может быть, бесчисленное) количество отношений. Однако, когда рассматриваем некоторую совокупность объектов как систему, то из всех отношений важными, т.е. существенными для достижения цели, являются лишь некоторые. Точнее, в модель структуры (т.е. в список отношений) мы включаем только конечное число связей, которые, по нашему мнению, существенны по отношению к рассматриваемой цели. Модель структуры системы отображает связи между компонентами модели ее состава, т.е. совокупность связанных между собой моделей "черного ящика" для каждой из частей системы. Поэтому трудности построения модели структуры те же, что и для построения модели "черного ящика".

 

3.2 Пример выполнения работы

Пример построения модели структуры системы " автомобиль". Главной целью данной системы является перемещение на расстояния людей или грузов в заданном направлении. Исходя из главной цели системы, выделим попарно основные узлы и связи между ними. Модель структуры системы «автомобиль» можно представить в виде таблицы (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1 – Модель структуры системы «автомобиль».

№	Основные элементы	Связи
	Двигатель – коробка передач	Первичный вал, вторичный вал
	Коробка передач – задний мост	Карданный вал, дифференциал
	Задний мост – колеса	Полуоси, диски
	Двигатель – топливная система	Коллектор, карбюратор, шланги, топливо
	Рулевая система – колеса	Рулевая колонка, полуоси, тяги, диски

3.3 Порядок выполнения лабораторной работы

1. Изучите теоретическую часть данной лабораторной работы.

2. По названию и назначению заданной системы определите ее главную цель.

3. В соответствии с назначением и целью системы разбейте исследуемую систему попарно на основные элементы, которые состоят в отношениях между собой.

4. Определите основные связи между выделенными элементами.

5. Представьте исследуемую систему в графическом виде или в виде таблицы.

Варианты систем для выполнения лабораторной работы: 1) процессор;

2) материнская плата; 3) ПЭВМ; 4) звуковая карта; 5) видеокарта; 6) монитор; 7) фотоаппарат; 8) автомобильная сигнализация; 9) автомат по сортировке овощей; 10) сканер.

 

3.4 Содержание отчета

Отчет должен включать: 1) цель работы; 2) исходные данные; 3) задачи работы; 4) теоретические сведения; 5) ход выполнения работы; 6) выводы.

 

3.5 Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия модели и модели структуры системы.

2. Дайте определение связи системы.

3. В чем отличие между понятиями «отношение» и «свойство»?

4. Назовите основные трудности построения модели состава системы.

Приложение А

(обязательное)

Пример оформления титульного листа

Белорусский государственный университет информатики и

Радиоэлектроники

Кафедра инженерной психологии и эргономики

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ»

 

ТЕМА: РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СОСТАВА И МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ КОТТЕДЖА С УДАЛЕННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Выполнил: студент гр.810901 (А.М. Иванов)

Проверил: профессор каф. ИПиЭ (Л.П. Пилиневич)

 

Минск, год

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Пример оформления задания по курсовой работе

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Факультеткомпьютерного проектирования

« УТВЕРЖДАЮ »

Заведующий кафедрой ИПиЭ

К.Д. Яшин

(подпись

11февраля 2013 год

З А Д А Н И Е

на курсовую работу

Студенту Ермакову Алексею Михайловичу

1. Тема курсовой работы: построение и анализ моделей стандарта сотовой связи GSM

2. Срок сдачи студентом законченной работы 20.05.2013 г.

3. Исходные данные для курсовой работы:

1) Стандарт сотовой связи GSM. 2) Общая теория систем: лабораторный практикум и методические указания по выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения БГУИР по специальности 1-58 01 01 Инженерно - психологическое обеспечение информационных технологий,/ Минск; БГУИР,2011г. 3) Положение об организации и проведении курсового проектирования в БГУИР. – Минск БГУИР 2010 г.

4. Cодержание пояснительной записки:

Введение. 1. История развития стандарта сотовой связи GSM, достоинства, недостатки.2. Модель черный ящик «Стандарт сотовой связи GSM.». 3. Модель состава системы «Стандарт сотовой связи GSM». 4. Структурная схема системы «Стандарт сотовой связи GSM.». 5. Описание работы системы. Заключение. Список используемой литературы. Приложение.

5. Консультант по курсовой работе профессор кафедры ИПиЭ Пилиневич Л.П.

6. Дата выдачи задания 11. 02.2013 г.

8. Календарный график работы над курсовой работой на весь период работы:

 

введение, раздел 1 к 25. 02.2013 г. – 10%; раздел 2 к 11.03.2013 г. - 10%;

раздел 3 к 25.03.2013 г. 20%; раздел 4 к 08.04.2013 г. 20%; раздел 5 к 25.04.2013 г. 20%;

Заключение, выводы и список используемой литературы к 05.05.2013 г.

Руководитель курсовой работы Л.П. Пилиневич

(подпись)

Задание принял к исполнению А.М. Ермаков

(дата и подпись студента)

УДК 519.95.01

ББК

© Л.П. Пилиневич, Н.А. Гулякина, А.Н. Яцук,

 

© БГУИР, 2011

ISBN

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Лабораторная работа №1. Построение модели «черный ящик»
Лабораторная работа №2. Построение модели состава системы.
Лабораторная работа №3. Построение модели структуры системы
Лабораторная работа №4. Построение структурной схемы системы
Лабораторная работа №5. Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной
Лабораторная работа №6. Поиск альтернативы с заданными свойствами
Лабораторная работа №7. Нахождение паретовского множества
Лабораторная работа №8. Выбор альтернативы на языке бинарных отношений
Лабораторная работа №9. Стратифицированное представление систем
Методические указания по выполнению курсовой работы
Рекомендуемая литература
Приложение А
Приложение В

 

Лабораторная работа №1. Построение модели «черный ящик»

Цель работы: освоить построение модели типа «черный ящик».

1.1 Теоретические сведения

Модельесть отображение свойств объектов при его изучении. При моделировании свойства одного объекта переносятся на другой таким образом, чтобы взаимосвязь свойств модели и свойств объекта была бы аналогичной.Отображения объектов называются моделями, а процесс их создания - моделированием. Модель «черный ящик» - это система, в которой внешнему наблюдателю доступны лишь входные и выходные величины, а структура и внутренние процессы не известны. Любая вещь, любой предмет, любое явление - любой познаваемый объект - всегда первоначально выступает как «черный ящик». Название модели «черный ящик» образно подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содержании "ящика": в этой модели задаются, фиксируются, перечисляются только входные и выходные связи системы со средой (даже "стенки ящика", т.е. границы между системой и средой, в этой модели обычно не описываются, а лишь подразумеваются, признаются существующими). Графическая модель типа "черный ящик" отображает только связи системы со средой, в виде перечня "входов" и "выходов" (рис.1.1).

 

Рисунок 1.1 – Графическая модель "черного ящика".

Модель типа "черный ящик", несмотря на внешнюю простоту и на отсутствие сведений о внутренности системы, часто оказывается полезной. Во многих случаях достаточно содержательного словесного описания входов и выходов; тогда модель "черного ящика" является просто их списком. Например, бытовая модель телевизора такова: входы – шнур электропитания, антенна, ручки управления и настройки; выходы – экран кинескопа и звуковые динамики. В других случаях требуется количественное описание некоторых или всех входов и выходов. Пытаясь максимально формализовать модель "черного ящика", мы приходим к заданию двух множеств Х и Y входных и выходных переменных, но никаких других отношений между этими множествами фиксировать нельзя.

Модель "черного ящика" часто оказывается не только очень полезной, но в ряде случаев единственно применимой при изучении систем. Например, при исследовании психики человека или влияния лекарства на живой организм мы лишены возможности вмешательства в систему иначе, как только через ее входы, и выводы делаем только на основании наблюдения за ее выходами. Это вообще относится к таким исследованиям, в результате проведения которых нужно получить данные о системе в обычной для нее обстановке, где следует специально заботиться о том, чтобы измерения как можно меньше влияли на саму систему. Другая причина того, что приходится ограничиваться только моделью "черного ящика", – действительное отсутствие данных о внутреннем устройстве системы. Например, мы не знаем, как "устроен" электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическими и магнитными полями, с гравитационным полем. Это и есть описание электрона на уровне модели "черного ящика".

Проблема построения модели типа «черный ящик» заключается в правильном определении цели исследуемой системы. Цель – это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему. Вся последующая деятельность, способствующая решению этой проблемы, направлена на достижение поставленной цели, т.е. как работа по созданию системы. Другими словами: система есть средство достижения цели. Приведем несколько упрощенных примеров систем, предназначенных для реализации определенных целей (см. табл. 1.1).

 

Таблица 1.1 – Системы и их цели.

№	Цель	Система
	В произвольный момент указать время	Часы
	Обеспечить выпечку хлеба в заданном ассортименте для большого количества людей	Пекарня
	Передать зрительную и звуковую информацию на большое расстояние практически мгновенно	Телевидение
	Обеспечить перемещение людей в городе	Городской транспорт

 

Отметим, что далеко не просто сформулировать цели так, чтобы имелось действительно очевидное соответствие между целями и системами. Например, только слова "практически мгновенно" в примере 3 отличает цель телевидения от цели кино или пересылки видеокассет. В то же время, между целью (абстрактной и конечной моделью) и реальной системой нет, и не может быть однозначного соответствия: для достижения заданной цели могут быть избраны разные средства – системы. С другой стороны, заданную реальную систему можно использовать и для других целей, прямо не предусмотренных при ее создании. В инженерной практике момент формулирования цели – один из важнейших этапов создания систем. Обычно цели уточняются итеративно, с многократными изменениями и дополнениями. Любая модель, в том числе модель «черный ящик», должна отвечать следующим требованиям: 1) адекватности модели – соответствие действительности предсказаний, сделанных на основе моделей, и соответствие целям проектов, сделанных на основе моделей; 2) экономичности по времени, энергии, материалам и др.

Сложность построения модели черный ящик заключается в множественности входов и выходов. Главной причиной множественности входов и выходов в модели "черного ящика" является то, что всякая реальная система, как и любой объект, взаимодействует с объектами окружающей среды неограниченным числом способов. Строя модель системы, мы из этого бесчисленного множества связей отбираем конечное их число для включения в список входов и выходов. Критерием отбора при этом является целевое назначение модели, существенность той или иной связи по отношению к этой цели. То, что существенно, важно – включается в модель, то, что несущественно, неважно – не включается. Именно здесь возможны ошибки. Тот факт, что мы не учитываем в модели, исключаем из рассмотрения остальные связи, не лишает их реальности, они все равно действуют независимо от нас. И нередко оказывается, что казавшееся несущественным или неизвестным для нас на самом деле является важным и должно быть учтено. Особое значение этот момент имеет при задании цели системы, т.е. при определении ее выходов. Это относится и к описанию существующей системы по результатам ее обследования, и к проекту пока еще не существующей системы. Реальная система неизбежно вступает во взаимодействия со всеми объектами окружающей среды, поэтому важно как можно раньше, лучше всего еще на стадии построения (проектирования) модели, учесть все наиболее важное. В результате главную цель приходится сопровождать заданием дополнительных целей. Важно подчеркнуть, что выполнения только основной цели недостаточно, что невыполнение дополнительных целей может сделать ненужным или даже вредным и опасным достижение основной цели. Этот момент заслуживает особого внимания, так как на практике часто обнаруживается незнание, непонимание или недооценка важности указанного положения. Между тем оно является одним из центральных во всей системологии.

 

1.2 Пример выполнения работы

Пример построения модели «черный ящик» системы "наручные часы". Главной целью данной системы является показание времени в произвольный момент и удобство ношения на запястье. Учитывая, что выходы соответствуют конкретизации цели, фиксируем в качестве выхода показание времени в произвольный момент, а в качестве входа зрение человека и циферблат. Данный вход и выход относятся ко всем часам, а не только к нашим наручным часам. Чтобы выполнить цель полностью, вносим следующее добавление (вход): запястье – ремешок или браслет и (выход): удобство ношения часов на запястье. Можно добавить и еще один вход: химический состав материалов и выход: удовлетворение требований санитарии и гигиены, так как не любое крепление часов на руке допустимо с этой точки зрения. Далее, представив себе условия эксплуатации часов, можно добавить вход: механические удары, влага, пыль и выход: достаточная в бытовых условиях прочность, пылевлагонепроницаемость. Затем, расширив понятие "условия эксплуатации часов", добавим еще два выхода: достаточную для бытовых нужд точность; легкость прочтения показаний часов при беглом взгляде на циферблат. Можно еще более расширить круг учитываемых требований к часам, что позволит добавить несколько входов и выходов: соответствие моде и понятию красоты; соответствие цены часов покупательной способности потребителя. Очевидно, что список желаемых, т.е. включаемых в модель, входов и выходов можно продолжать. Например, можно потребовать, чтобы имелась возможность прочтения показаний часов в полной темноте, и реализация этого выхода приведет к существенному изменению конструкции часов, в которой могут быть различные варианты подсветки, считывания на ощупь или подачи звуковых сигналов. Можно рассмотреть еще и другие выходы как габариты, вес и многие другие физические, химические, экономические и социальные аспекты использования наручных часов. Пример построения графической модели «черный ящик» системы «наручные часы» показан на рис. 1.2.

Показание времени

Зрение человека – цифер-

блат Удобство ношения

 

Запястье – браслет Удовлетворение требований

санитарии и гигиены

Материал браслета Свечение циферблата

Механические удары, в темноте

влага, пыль

Прекращение показаний времени

Полная темнота. Паль-

цы рук – кнопка Неточное показание времени

подсветки

 

 

Рисунок 1.2 – Графическая модель "черного ящика" системы «наручные часы».

 

Приведем способы устранения недостатков системы «наручные часы»:

для восстановления показаний времени необходимо заменить батарейки; для восстановления точных показаний времени необходимо произвести его корректировку по эталону.

 

1.3 Порядок выполнения лабораторной работы

1. Изучите теоретическую часть данной лабораторной работы.

2. По названию и назначению заданной системы определите ее главную и основные дополнительные цели.

3. В соответствии с назначением и целями системы определите существенные связи системы с объектами окружающей среды.

4. Определите и опишите существенные входы и выходы системы.

5. Постройте графическую модель «черный ящик», заданной системы.

6. Перечислите нежелательные входы и выходы системы.

7. Установите основные способы устранения возможных недостатков

Варианты систем для выполнения лабораторной работы: 1) процессор;

2) материнская плата; 3) ПЭВМ; 4) звуковая карта; 5) видеокарта; 6) монитор; 7) телефон; 8) автомобильная сигнализация; 9) автомат по сортировке овощей; 10) сканер.

 

1.4 Содержание отчета

Отчет должен включать: 1) цель работы; 2) исходные данные; 3) задачи работы; 4) теоретические сведения; 5) ход выполнения работы; 6) выводы.

1.5 Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия модели и модели «черный ящик».

2. Какая модель называется познавательной, а какая прагматической?

3. Как бороться с непознаваемостью объекта?

4. Назовите определение интегративного свойства системы.

5. Назовите основные трудности построения модели «черный ящик».

6. Назовите основные требования к построению моделей.

7. Какие свойства системы отображаются при моделировании?

8. Назовите принципиальное отличие динамической модели от статической.