Системный подход в моделировании

Понятие о системе. Окружающий нас мир состоит из множества различных объектов, каждый из которых имеет разнообразные свойства, и при этом объекты взаимодействуют между собой. Например, такие объекты, как планеты нашей Солнечной системы, имеют различные свойства (массу, геометрические размеры и пр.) и по закону всемирного тяготения взаимодействуют с Солнцем и друг с другом.

          Планеты входят в состав более крупного объекта — Солнечной системы, а Солнечная система — в состав нашей галактики «Млечный путь». С другой стороны, планеты состоят из атомов различных химических элементов, а атомы — из элементарных частиц. Можно сделать вывод, что практически каждый объект состоит из других объектов, то есть представляет собой систему.

        Важным признаком системы является ее целостное функционирование. Система является не набором отдельных элементов, а совокупностью взаимосвязанных элементов. Например, компьютер является системой, состоящей из различных устройств, при этом устройства связаны между собой и аппаратно (физически подключены друг к другу) и функционально (между устройствами происходит обмен информацией).

Система является совокупностью взаимосвязанных объектов, которые называются элементами системы.

         Состояние системы характеризуется ее структурой, то есть составом и свойствами элементов, их отношениями и связями между собой. Система сохраняет свою целостность под воздействием различных внешних воздействий и внутренних изменений до тех пор, пока она сохраняет неизменной свою структуру. Если структура системы меняется (например, удаляется один из элементов), то система может перестать функционировать как целое. Так, если удалить одно из устройств компьютера (например, процессор), компьютер выйдет из строя, то есть прекратит свое существование как система.

          Статические информационные модели. Любая система существует в пространстве и во времени. В каждый момент времени система находится в определенном состоянии, которое характеризуется составом элементов, значениями их свойств, величиной и характером взаимодействия между элементами и так далее.

         Так, состояние Солнечной системы в любой момент времени характеризуется составом входящих в нее объектов (Солнце, планеты и др.), их свойствами (размерами, положением в пространстве и др.), величиной и характером взаимодействия между собой (силами тяготения, с помощью электромагнитных волн и др.).

Модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени, называются статическими информационными моделями.

Описание системы как единого объекта

Из определения системы вытекает, что при всей ее возможной слож­ности система воспринимается человеком как нечто целое. Поэтому при составлении информационной модели следует сначала рассмот­реть систему как объект. Информационные модели объектов в таб­личной форме вы уже строили неоднократно.

Применительно к велосипеду, покупателя прежде всего интересу­ют свойства и действия велосипеда в целом. Информационная модель объекта «велосипед» приведена в таблице 8.8.

Таблица 8.8. Информационная модель объекта «велосипед» (цель — по­купка велосипеда)

 

Объект		Параметры	Действия
	Название	Возможные значения
Велосипед	Вид	Спортивный,	Управлять
		дорожный, гоночный	Перемещаться
	Размер	Детский, подростковый,	Изменять
		взрослый           *	направление
	Тип	Складной, трехколес-	движения
		ный, женский	Разгоняться Тормозить

       В физике примером статических информационных моделей являются модели, описывающие простые механизмы, в биологии — модели строения растений и животных, в химии — модели строения молекул и кристаллических решеток и так далее.

Информационная модель элементов системы

Чтобы проверить работоспособность велосипеда при покупке, а также в процессе эксплуатации предупредить или устранить возможные неисправности, необходимо выяснить, как работают отдельные узлы и механизмы. В этом случае велосипед будет интересовать вас как система, и поэтому, наряду с характеристиками его как объекта, вы должны выяснить параметры и назначение его основных элементов. Это называется анализом1 системы.

При анализе систему разбивают на составляющие элементы, вы­ясняя те их свойства и действия, которые определяют работу систе­мы. Результат анализа системы может быть представлен в знакомом вам табличном виде (табл. 8.9).

Таблица 8.9. Информационная модель элементов системы «велосипед» (цель — эксплуатация велосипеда)

 

 

 

 

Объекты Рама Колеса Педали Руль ......	Параметры	Действия
	Форма, материал, прочность	Соединять элементы конструкции
	Форма, размер, расположение	Вращаться Сцепляться с дорогой
	Расстояние между педалями	Вращать
	Форма, расположение	Поворачивать Придавать устойчивость

          Динамические информационные модели. Состояние систем изменяется во времени, то есть происходят процессы изменения и развития систем. Так, планеты движутся, изменяется их положение относительно Солнца и друг друга; Солнце, как и любая другая звезда, развивается, меняются ее химический состав, излучение и так далее.

Модели, описывающие процессы изменения и развития систем, называются динамическими информационными моделями.

физике динамические информационные модели описывают движение тел, в биологии — развитие организмов или популяций животных, в химий — процессы прохождения химических реакций и так далее.

Пример. Рассмотрим систему, целью создания которой является пришивание пуговицы к ткани.

Таблица 8.10. Описание системы ПУГОВИЦА-ТКАНЬ-НИТЬ-ИГОЛКА в целом

Таблица 8.11. Информационные модели элементов системы

Между элементами этой системы существуют связи и отношения. Например, пуговица подбирается к ткани. Нить по материалу, толщине и цвету тоже должна подходить к ткани. Толщина иголки должна соответствовать размеру отверстия пуговицы, а диаметр ушка — толщине нити, а следовательно, и ткани (для тонкой ткани нельзя брать грубую толстую иглу, и наоборот).

Как пришивать пуговицу, известно каждому, поэтому описание взаимодействия элементов системы и человека здесь не приводится. После того как нить отрезана, описанная система распадается на две: «НИТЬ-ИГОЛКА» и «ТКАНЬ-ПУГОВИЦА». Обе эти системы могут стать элементами других систем. Например, «ТКАНЬ-ПУГОВИЦА» может стать элементом системы «ПУГОВИЦА-ПЕТЛЯ», а «НИТЬ-ИГОЛКА» — элементом системы для сшивания двух кусочков ткани.

Пример. Делая покупки в магазине, вы выступаете в качестве элемента системы «ТОРГОВОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ». Ее элементами также являются магазин, товар, продавец. Надо заметить, что объект «магазин» тоже представляет довольно сложную систему: торговый зал, склад, администрация и пр. Но в рамках рассматриваемой системы будем воспринимать его как единое целое.

Опишем систему «ТОРГОВОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ» в виде таблицы, представляющей основные характеристики системы в целом и ее элементов.

Таблица 8.12. Описание системы ТОРГОВОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Таблица 8.13. Информационные модели элементов системы ТОРГО­ВОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Между элементами системы существует множество отношений. Это, в первую очередь, пространственные отношения (все элементы долж­ны присутствовать в магазине) и временные отношения (магазин уста­навливает режим работы, который удобен покупателю и обязателен для продавца). Чтобы покупка могла состояться, в магазине должен присутствовать тот товар, который интересует покупателя, пользует­ся спросом. Цена товара должна быть приемлемой, а ассортимент — достаточно широким, чтобы было из чего выбрать. С прибылью торгового предприятия связана зарплата продавца. С другой стороны, сама прибыль возможна только при активных про­дажах, то есть зависит от покупательной способности клиента, а так­же от опыта и энергичности продавца. Это далеко не все связи, кото­рые существуют в системе. На рисунке 8.3 приведена схема наиболее очевидных отношений и связей, имеющих место в торговом предпри­ятии.

Рассмотренные в качестве примеров модели отображают достаточно простые системы. Чем сложнее система, тем труднее ее исследовать и строить модель. Такая задача не каждому по силам. Поэтому построением моделей сложных систем обычно занимаются специалисты высокой квалификации. Про таких специалистов говорят, они обладают системным мышлением, навыками системного подхода. Системный подход проявляется в систематизации знаний о чем-либо.

Рис. 8.3. Схема связей и отношений в системе ТОРГОВОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Системный подход применяется в любой области знания, особенно при изучении сложных систем. В этой теме вы познакомились с его основами на примерах из повседневной жизни. Суть системного подхода к построению модели можно отобразить в виде этапов анализа:

•  сложный объект (система) рассматривается в виде набора более простых элементов (объектов);

•  для каждого элемента определяется роль, которую он выполняет в системе;

определяются отношения между элементами;

устанавливается влияние параметров каждого элемента (объекта) на поведение системы в целом.

Чем тщательней проводился анализ системы, тем точнее окажется полученная модель. Но модель должна отображать характеристики системы лишь с необходимой степенью точности. Эта точность определяется целью и подразумевает осмысленный отбор необходимых черт, которые будет отражать модель. Слишком большое количество одновременно моделируемых свойств может завести исследователя в тупик. Во-первых, это сильно усложнит задачу составления модели. Во-вторых, необходимо представлять, как полученные сведения будут использоваться в дальнейшем, сможет ли исследователь осмыслить, «переварить» это обилие информации. В данном случае уместно вспомнить изречение Козьмы Пруткова: «Никто не обнимет необъятного».

Контрольные вопросы

1. Образуют ли систему комплектующие компьютера: До сборки? После сборки? После включения компьютера?

2. В чем разница между статическими и динамическими информационными моделями?     Приведите примеры статических и динамических информационных моделей.