Закономерность систем

Содержание

Введение

В данной курсовой работе описываются  основные свойства информационных систем, область  их реализации, а так  же широко известные в наше время  непроцедурные языки, на которых  построено большинство современных автоматизированных информационных систем двадцать первого века. Помимо этого, в данном проекте будет освещена тема, посвященная процессу управления информационными системами, а так же реализована практическая задача автоматизации анализа входной информации.

1. Закономерности систем

1. Целостность

Целостность. Закономерность целостности  проявляется в системе в возникновении  новых интегративных качеств, не свойственных образующим ее компонентам. Чтобы глубже понять закономерность целостности, необходимо рассмотреть две ее стороны:

1. свойства системы (целого) не являются суммой свойств элементов или частей (несводимость целого к простой сумме частей);
2. свойства системы (целого) зависят от свойств элементов, частей (изменение в одной части вызывает изменение во всех остальных частях и во всей системе).

Существенным проявлением закономерности целостности являются новые взаимоотношения  системы как целого со средой, отличные от взаимодействия с ней отдельных  элементов.

Свойство целостности связано  с целью, для выполнения которой предназначена система.

Весьма актуальным является оценка степени целостности системы  при переходе из одного состояния  в другое. В связи с этим возникает  двойственное отношение к закономерности целостности. Ее называют физической аддитивностью, независимостью, суммативностью, обособленностью. Свойство физической аддитивности проявляется у системы, как бы распавшейся на независимые элементы. Строго говоря, любая система находится всегда между крайними точками как бы условной шкалы: абсолютная целостность — абсолютная аддитивность, и рассматриваемый этап развития системы можно охарактеризовать степенью проявления в ней одного или другого свойства и тенденцией к его нарастанию или уменьшению.

Для оценки этих явлений А. Холл ввел такие закономерности, как «прогрессирующая факторизация» (стремление системы к состоянию со все более независимыми элементами) и «прогрессирующая систематизация» (стремление системы к уменьшению самостоятельности элементов, т. е. к большей целостности). Существуют методы введения сравнительных количественных оценок степени целостности, коэффициента использования элементов в целом с точки зрения определенной цели.

2. Интегративность

Интегративность. Этот термин часто  употребляют как синоним целостности. Однако им подчеркивают интерес не к внешним факторам проявления целостности, а к более глубоким причинам формирования этого свойства и, главное,— к его сохранению. Интегративными называют системообразующие, снстемоохраняющие факторы, важными среди которых являются неоднородность и противоречивость ее элементов.

3. Коммуникативность

Коммуникативность. Эта закономерность составляет основу определения системы, предложенного В. Н. Садовским и  Э. Г. Юдиным в книге «Исследования  по общей теории систем». Система  образует особое единство со средой; как правило, любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка; элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, обычно выступают как системы более низкого порядка.

Иными словами, система не изолирована, она связана множеством коммуникаций со средой, которая не однородна, а представляет собой сложное образование, содержит надсистему (или даже надсистемы), задающую требования и ограничения исследуемой системе, подсистемы и системы одного уровня с рассматриваемой.

4. Иерархичность, эквифинальность, историчность

Иерархичность: Рассмотрим иерархичность как закономерность построения всего мира и любой выделенной из него системы. Иерархическая упорядоченность пронизывает все, начиная от атомно-молекулярного уровня и кончая человеческим обществом. Иерархичность как закономерность заключается в том, что закономерность целостности проявляется на каждом уровне иерархии. Благодаря этому на каждом уровне возникают новые свойства, которые не могут быть выведены как сумма свойств элементов. При этом важно, что не только объединение элементов в каждом узле приводит к появлению новых свойств, которых у них не было, и утрате некоторых свойств элементов, но и что каждый член иерархии приобретает новые свойства, отсутствующие у него в изолированном состоянии.

Таким образом, на каждом уровне иерархии происходят сложные качественные изменения, которые не всегда могут быть представлены и объяснены. Но именно благодаря  этой особенности рассматриваемая  закономерность приводит к интересным следствиям. Во-первых, с помощью иерархических представлений можно отображать системы с неопределенностью.

Во-вторых, построение иерархической  структуры зависит от цели: для  многоцелевых ситуаций можно построить  несколько иерархических структур, соответствующих разным условиям, и при этом в разных структурах могут принимать участие одни и те же компоненты. В-третьих, даже при одной и той же цели, если поручить формирование иерархической структуры разным исследователям, то в зависимости от их предшествующего опыта, квалификации и знания системы они могут получить разные иерархические структуры, т. е. по-разному разрешить качественные изменения на каждом уровне иерархии.

Эквифинальность: Это одна из наименее исследованных закономерностей. Она характеризует предельные возможности систем определенного класса сложности. Л. фон Берталанфи, предложивший этот термин, определяет эквифинальность применительно к «открытой» системе как способность (в отличие от состояний равновесия в закрытых системах) полностью детерминированных начальными условиями систем достигать не зависящего от времени состояния (которое не зависит от ее исходных условий и определяется исключительно параметрами системы). Потребность во введении этого понятия возникает начиная с некоторого уровня сложности, например биологические системы.

В настоящее время не исследован ряд вопросов этой закономерности: какие именно параметры в конкретных системах обеспечивают свойство эквивалентности? как обеспечивается это свойство? как проявляется закономерность эквивалентности в организационных системах?

5. Закон необходимого разнообразия, закономерность осуществимости и потенциальной эффективности систем, закономерность целеобразования

Закон необходимого разнообразия:  Закон необходимого разнообразия. Его впервые сформулировал У. Р. Эшби: чтобы создать систему, способную справиться с решением проблемы, обладающей определенным, известным разнообразием, нужно, чтобы сама система имела еще большее разнообразие, чем разнообразие решаемой проблемы, или была способна создать в себе это разнообразие. Этот закон достаточно широко применяется на практике. Он позволяет, например, получить рекомендации по совершенствованию системы управления предприятием, объединением, отраслью.

Закономерность осуществимости и  потенциальной эффективности систем: Закономерность осуществимости и потенциальной эффективности систем. Исследования взаимосвязи сложности структуры системы со сложностью ее поведения позволили получить количественные выражения предельных законов для таких качеств системы, как надежность, помехоустойчивость, управляемость и др. На основе этих законов оказалось возможным получение количественных оценок порогов осуществимости систем с точки зрения того или иного качества, а объединяя качества — предельные оценки жизнеспособности и потенциальной эффективности сложных систем.

Закономерность целеобразования: Закономерность целеобразования. Исследования процесса целеобразования в сложных системах философами, психологами и кибернетиками позволили сформулировать некоторые общие закономерности процессов обоснования и структуризации целей в конкретных условиях совершенствования сложных систем:

Зависимость представления о цели и формулировки цели от стадии познания объекта (процесса). Анализ понятия  «цель» позволяет сделать вывод, что, формулируя цель, нужно стремиться отразить в формулировке или в способе представления цели ее активную роль в познании и в то же время сделать ее реалистичной, направить с ее помощью деятельность на получение определенного результата. При этом формулировка цели и представление о ней зависит от стадии познания объекта и в процессе развития представления об объекте цель может переформулироваться. Коллектив, формирующий цель, должен определить, в каком смысле на данном этапе рассмотрения объекта употребляется понятие цель, к какой точке «условной шкалы» («идеальное устремление в будущее» — «конкретный результат деятельности») ближе принимаемая формулировка цели.

Зависимость цели от внутренних и  внешних факторов. При анализе  причин возникновения цели нужно  учитывать как внешние по отношению к выделенной системе факторы (внешние потребности, мотивы, программы), так и внутренние потребности, мотивы, программы («самодвижение» целостности). При этом цели могут возникать на основе противоречий как между внешними и внутренними факторами, так и между внутренними факторами, имевшимися ранее и вновь возникающими в находившейся в постоянном самодвижении целостности. Это очень важное отличие организационных «развивающихся», открытых систем от технических (замкнутых, закрытых) систем. Теория управления техническими системами оперирует понятием цели только по отношению к. внешним факторам, а в открытых, развивающихся системах цель формируется внутри системы, и внутренние факторы, влияющие на формирование целей, являются такими же объективными, как и внешние.

Возможность сведения задачи формирования общей (главной, глобальной) цели к задаче структуризации цели. Анализ процессов  формулирования глобальной цели в сложной  системе показывает, что эта цель возникает в сознании руководителя или коллектива не как единичное понятие, а как некоторая, достаточно «размытая» область. На любом уровне цель возникает вначале в виде «образа» цели. При этом достичь одинакового понимания общей цели всеми исполнителями, по видимому, принципиально невозможно без ее детализации в виде упорядоченного или неупорядоченного набора взаимосвязанных подцелей, которые делают ее понятной и более конкретной для разных исполнителей. Таким образом, задача формулирования общей цели в сложных системах должна быть сведена к задаче структуризации цели.

Следующие закономерности являются продолжением двух первых применительно к структурам цели.

Зависимость способа представления  структуры целей от стадии познания объекта или процесса (продолжение  первой закономерности). Наиболее распространенным способом представления структур целей является древовидная иерархическая структура. Существуют и другие способы отображения: иерархия со «слабыми» связями, табличное или матричное представление, сетевая модель. Иерархическое и матричное описание — это декомпозиция цели в пространстве, сетевая модель — декомпозиция во времени. Промежуточные подцели могут формулироваться по мере достижения предыдущей, что может использоваться как средство управления. Перспективным представляется развертывание иерархических структур во времени, т.е. сочетание декомпозиции цели в пространстве и во времени.

Проявление в структуре целей  закономерности целостности. В иерархической  структуре целей, как и в любой  иерархической структуре, закономерность целостности проявляется на каждом уровне иерархии. Применительно к структуре целей это означает, что достижение целей вышележащего уровня не может быть полностью обеспечено достижением подцелей, хотя и зависит от них, и что потребности, мотивы, программы, влияющие на формирование целей, нужно исследовать на каждом уровне иерархии.

6. Системный подход и системный анализ

Применения системных представлений  для анализа сложных объектов и процессов рассматривают системные  направления, включающие в себя: системный  подход, системные исследования, системный анализ (системологию, системотехнику и т. п.). За исключением системотехники, область которой ограничена техническими системами, все другие термины часто употребляются как синонимы. Однако в последнее время системные направления начали применять в более точном смысле.

Системный подход. Этот термин начал применяться  в первых работах, в которых элементы общей теории систем использовались для практических приложений. Используя  этот термин, подчеркивали необходимость  исследования объекта с разных сторон, комплексно, в отличие от ранее принятого разделения исследований на физические, химические и др. Оказалось, что с помощью многоаспектных исследований можно получить более правильное представление о реальных объектах, выявить их новые свойства, лучше определить взаимоотношения объекта с внешней средой, другими объектами. Заимствованные при этом понятия теории систем вводились не строго, не исследовался вопрос, каким классом систем лучше отобразить объект, какие свойства и закономерности этого класса следует учитывать при конкретных исследованиях и т. п. Иными словами, термин «системный подход» практически использовался вместо терминов «комплексный подход», «комплексные исследования».

Системные исследования. В работах под этим названием понятия теории систем используются более конструктивно: определяется класс систем, вводится понятие структуры, а иногда и правила ее формирования и т. п. Это был следующий шаг в системных направлениях. В поисках конструктивных рекомендаций появились системные направления с разными названиями: системотехника, системология и др. Для их обобщения стал применяться термин «системные исследования». Часто в работах использовался аппарат исследования операций, который к тому времени был больше развит, чем методы конкретных системных исследований.

Системный анализ. В настоящее время системный  анализ является наиболее конструктивным направлением. Этот термин применяется  неоднозначно. В одних источниках он определяется как «приложение  системных концепций к функциям управления, связанным с планированием». В других — как синоним термина «анализ систем» (Э. Квейд) или термина «системные исследования» (С. Янг). Однако независимо от того, применяется он только к определению структуры целей системы, к планированию или к исследованию системы в целом, включая и функциональную и обеспечивающую части, работы по системному анализу существенно отличаются от рассмотренных выше тем, что в них всегда предлагается методология проведения исследовании делается попытка выделить этапы исследования и предложить методику выполнения этих этапов в конкретных условиях. В этих работах всегда уделяется особое внимание определению целей системы, вопросам формализации представления целей. Некоторые авторы даже подчеркивают это в определении: системный анализ — это методология исследования целенаправленных систем (Д. Киланд. В. Кинг).

Термин  «системный анализ» впервые появился в связи с задачами военного управления в исследованиях RAND Corporation (1948), а  в отечественной литературе получил  широкое распространение после выхода в 1969 г. книги С. Оптнера «Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем».

В начале работы по системному анализу в большинстве  случаев базировались на идеях теории оптимизации и исследования операций. При этом особое внимание уделялось стремлению в той или иной форме получить выражение, связывающее цель со средствами, аналогичное критерию функционирования или показателю эффективности, т, е. отобразить объект в виде хорошо организованной системы.

Так, например, в ранних руководящих материалах по разработке автоматизированных систем управления (АСУ) рекомендовалось цели представлять в виде набора задач и составлять матрицы, связывающие задачи с методами и средствами достижения. Правда, при практическом применении этого подхода довольно быстро выяснялась его недостаточность, и исследователи стали прежде всего обращать внимание на необходимость построения моделей, не просто фиксирующих цели, компоненты связи между ними, а позволяющих накапливать информацию, вводить новые компоненты, выявлять новые связи и т. д„ т. е. отображать объект в виде развивающейся системы, не всегда предлагая, как это делать.

Позднее системный анализ начинают определять как «процесс последовательного  разбиения изучаемого процесса на подпроцессы» (С. Янг) и основное внимание уделяют  поиску приемов, позволяющих организовать решение сложной проблемы путем  расчленения ее на подпроблемы и этапы, для которых становится возможным подобрать методы исследования и исполнителей. В большинстве работ стремились представить многоступенчатое расчленение в виде иерархических структур типа «дерева», но в ряде случаев разрабатывались методики получения вариантов структур, определяемых временными последовательностями функций.

В настоящее время системный  анализ развивается применительно  к проблемам планирования и управления, и в связи с усилением внимания к программно-целевым принципам  в планировании этот термин стал практически неотделим от терминов «целеобразование» и «программно-целевое планирование и управление». В работах этого периода системы анализируются как целое, рассматривается роль процессов целеобразования в развитии целого, роль человека. При этом оказалось, что в системном анализе не хватает средств: развиты в основном средства расчленения на части, но почти нет рекомендаций, как при расчленении не утратить целое. Поэтому наблюдается усиление внимания к роли неформализованных методов при проведении системного анализа. Вопросы сочетания и взаимодействия формальных и неформальных методов при проведении системного анализа не решены. Но развитие этого научного направления идет по пути их решения.

2. Непроцедурные языки

Сразу же после появления программируемых устройств снижение сложности программирования стала одной из главных забот всех разработчиков. Первые этапы развития средств программирования хорошо описаны в литературе и не являются предметом данной статьи.

Для нас интересен момент выделения из общего дерева программных средств языков технологического программирования. Это событие стало результатом осознания особенностей задач, стоящих перед разработчиком АСУТП, и желанием приблизить алгоритмиста-технолога к написанию прикладных программ. Для удобства технологов программы стали представлять в графическом виде, привычном для проектировщиков АСУТП: релейно-контактных схем (RCS), функциональных блоковых диаграмм (FBD), ...(SFC). К концу 80-х годов, как вершина этого подхода, был разработан стандарт IEC1131-3. Опубликованный в 1988г, он включил в себя 5 языков технологического программирования: перечисленные выше графические плюс текстовые ST и IL. На момент своего принятия стандарт использовал современные технологии программирования и стал важным этапом развития языков технологического программирования, существенно облегчив разработчикам создание прикладных программ.

Однако, поставленную задачу, стать  средством программирования для  технологов - языки стандарта не решили и решить не могли, т.к. структура описания алгоритма, естественная для технолога (примером которой может служить любая инструкция оператора-машиниста), принципиально отличается от структур языков 1131-3.

В 90-х годах в мире программирования произошла настоящая революция, связанная с внедрением объектной и компонентной технологий. Однако, перевернув весь программистский мир, они лишь всколыхнули поверхность в «стране» АСУТП. Знакомство с новейшими пакетами нескольких очень известных фирм разочаровывает - новые технологии используются преимущественно в графических и цифровых интерфейсах, почти не повлияв на внутреннюю организацию систем. Последняя редакция IEC1131-3, опубликованная в 1999г, вообще не обратила на них никакого внимания, хотя при программировании систем реального времени эти технологии дают максимальный эффект. Фактически, первоначально удачный стандарт превратился сейчас в тормоз, а не стимул развития средств технологического программирования.

Характерно, что наиболее «продвинутые» SCADA-системы, например Genesis32, в качестве встроенного средства программирования используют не языки 1131-3, а различные варианты Visual Basic - объектность и компонентность языка перевешивают его «нетехнологичность», но естественным для алгоритмиста-технолога такой язык не является.

Использование современных технологий позволяет уже сейчас создавать системы программирования действительно дружественные для алгоритмиста-технолога.

Основой современной системы технологического программирования являются:  

1. объектный подход;
2. компонентная структура;
3. технология «промежуточного слоя» с микроядром;
4. непроцедурное программирование.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ  ТП) — комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях. Может иметь связь с более общей автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Объектный подход - мощная современная технология проектирования и программирования, разработанная в конце 80-х годов. К настоящему времени АСУТП в силу большой инерционности остается одной из наименее освоенных этой технологией областей. Он практически не используется в системах технологического программирования, а при организации управления «объектность» не поднимается выше уровня задвижки и регулятора. Преимущества объектного подхода в сравнении с функциональным доказаны как теоретически, так и 15-летней практикой его использования.

В системе технологического программирования очень важны такие преимущества объектной технологии как естественный параллелизм описания процессов, легкость расширения набора функций без изменения структуры системы (например, при переходе от информационной системы к управляющей), простота расширения системы при увеличении объема автоматизации объекта, эффективность тиражирования на аналогичные объекты.

Компонентная структура - современная технология построения программной системы из набора типовых элементов (компонентов). Для всех компонентов разрабатывается единый протокол взаимодействия с исполняющей системой, пользователями и другими компонентами.

При программировании конкретного  компонента достаточно описать внутреннюю логику его работы и реализацию указанного протокола, а все взаимодействия с окружением реализует исполняющая  система. Использование технологии существенно сокращает сроки разработки и увеличивает надежность программного обеспечения.

Технология «промежуточного слоя»- современная технология, обеспечивающая высокую степень переносимости ПО путем создания в программной системе внутреннего системного слоя и максимальной локализации и стандартизации его взаимодействия с операционной системой.

Многослойная организация системы  полностью изолирует технологическую  логику работы прикладного ПО от используемых технических и низкоуровневых программных средств, обеспечивает высокую переносимость программного комплекса.

Последним словом» данной технологии является использование виртуальных  машин обеспечивающих максимальную переносимость программного кода.

Непроцедурные языки - современное направление системного программирования, позволяющее сконцентрировать внимание разработчика на описании целей и правил, а не на последовательности действий по их реализации (т.е. описывается «что делать» вместо «как делать»). Использование непроцедурного языка обеспечивает максимально возможную простоту и понятность программ для разработчика-технолога, перенося сложности процедурной реализации на системный уровень, что сокращает трудоемкость и сроки разработки, увеличивает надежность ПО.

Как известно, человеческое мышление построено прежде всего на ассоциациях и связях. Естественное мышление непроцедурно - алгоритмы типа «делай раз, делай два» составляются с трудом лучшими специалистами, а всеми остальными выучиваются наизусть. Вне производства люди по-возможности избегают жестких алгоритмов (показательно, что даже в классически-процедурном кулинарном процессе хозяйки не любят использовать «строгие» измерения и активно варьируют рецептуру, сохраняя смысловые связи между компонентами).

Однако, современные вычислительные машины требуют процедурного описания своего функционирования. Поэтому, уже в течении последних 50 лет все большее количество людей занимаются ручной компиляцией своего непроцедурного мышления в процедурные описания. Принципиальное несовершенство глобальной процедурности было осознано сравнительно недавно, а системы непроцедурного программирования, позволяющие заменить ручную компиляцию знаний на автоматическую, только начинают заявлять о себе. В настоящий момент такие системы активно используются в элитных отраслях типа космических исследований, параллельных вычислений в задачах ядерной физики и т.п. Эпоха широкого внедрения в непроцедурного программирования в промышленности еще не наступила, хотя в лабораториях крупных фирм ведутся соответствующие разработки.

Одной из принципиальных особенностей становления непроцедурного программирования является преимущественное развитие неуниверсальных  языков, ориентированных на конкретную предметную область (в нашем случае - на АСУТП). Универсальность является неизбежной жертвой дружественности языка для технолога. Как говорят специалисты, «универсальный язык дружественен для системного программиста». Впрочем, традиционные процедурные языки технологического программирования также неуниверсальны.

Совокупность объектно-компонентных технологий дала качественно новый  базис для построения систем непроцедурного программирования, что существенно  упростило и удешевило их создание, открывая возможность использования  в базовых отраслях промышленности.

Заканчивая исторический экскурс хотелось бы особо отметить, что непроцедурное программирование - одна из немногих областей, в которых отечественная наукоемкое производство находится на передовых рубежах. Несколько коллективов РАН, ведущих соответствующие разработки высоко котируются в мире. К сожалению, Российское правительство практически не финансирует развитие этого стратегического направления отечественной научной технологии, а существенным источником финансирования работ в течении длительного времени были заказы от НАСА и министерства обороны США!

3. Процесс управления

Информационная система управления - система, предназначенная для управления, - как другой системой, так и внутри системы (т.е. в качестве управляющей  подсистемы).

Различают также основные 6 типов информационных систем управления (тип системы определяется целью, ресурсами, характером использования и предметной областью):

1. Диалоговая система обработки запросов (Transaction Processing System) - для реализации текущих, краткосрочных, тактического характера, часто рутинных и жестко структурируемых и формализуемых процедур, например, обработки накладных, ведомостей, бухгалтерских счетов, складских документов и т.д.
2. Система информационного обеспечения (Information Provision System) - для подготовки информационных сообщений краткосрочного (обычно) использования тактического или стратегического характера, например, с использованием данных из базы данных и структурированных, формализованных процедур.
3. Система поддержки принятия решений (Decision Support System) - для анализа (моделирования) реальной формализуемой ситуации, в которой менеджер должен принять некоторое решение, возможно, просчитав различные варианты потенциального поведения системы (варьируя ее параметры); такие системы используются как в краткосрочном, так и в долгосрочном управлении тактического или стратегического характера в автоматизированном режиме.
4. Интегрированная, программируемая система принятия решения (Programmed Decision System) предназначена для автоматического, в соответствии с программно реализованными в системе, структурированными и формализованными критериями оценки, отбора (выбора) решений; используются как в краткосрочном, так и в долгосрочном управлении тактического (стратегического) характера.
5. Экспертные системы (Expert System) - информационные консультирующие и (или) принимающие решения системы, которые основаны на структурированных, часто плохо формализуемых процедурах, использующих опыт и интуицию, т.е. поддерживающие и моделирующие работу экспертов, интеллектуальные особенности; системы используются как в долгосрочном, так и в краткосрочном оперативном прогнозировании, управлении.
6. Интеллектуальные системы, или системы, основанные на знаниях (Knowledge Based System) - поддерживают задачи принятия решения в сложных системах, где необходимо использование знаний в достаточно широком диапазоне, особенно в плохо формализуемых и плохо структурируемых системах, нечетких системах и при нечетких критериях принятия решения; эти системы наиболее эффективны и применяемы для сведения проблем долгосрочного, стратегического управления к проблемам тактического и краткосрочного характера, повышения управляемости, особенно в условиях многокритериальности. В отличие от экспертных систем, в системах, основанных на знаниях, следует по возможности избегать экспертных и эвристических процедур и прибегать к процедурам минимизации риска. Здесь более существенно влияние профессионализма персонала, ибо при разработке таких систем необходимо сотрудничество и взаимопонимание не только разработчиков, но и пользователей, менеджеров, а сам процесс разработки, как правило, происходит итерационно, итерационными улучшениями, постепенным переходом от процедурных знаний (как делать) - к непроцедурным (что делать).