Відмінності між імітаційним, інформаційним і структурним моделюванням

Зміст:

     Вступ

1. Класифікація систем
2. Предмет та методи застосування системного аналізу
3. Відмінності між імітаційним, інформаційним і структурним моделюванням

Висновок

Список використаної літератури

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. КЛАСИФІКАЦІЯ СИСТЕМ

Системні об’єкти існували в природі задовго до появи терміну „система”. Вони розвивалися незалежно від людства, від його поглядів і почуттів, незалежно від системного підходу. Вони розвивались спонтанно - в силу внутрішніх причин. Це біологічні системи, екосистеми, космічні системи. Безумовно, в природі існують системи що самоорганізуються, які на даному етапі розвитку людства, невідомі, але мало-помалу вони відкриваються і будуть відкриватись людству в процесі пізнання природи, удосконалення методів спостережень та розвитку технологій. В основі розвитку природних систем, як відомо, лежать системоутворюючі закони структурного і функціонального порядку (закони тяжіння, механіки і т. ін.).

В техніці, поряд з уживанням терміну „система”, досить часто використовується термін „комплекс” – сукупність предметів чи явищ, що становлять єдине ціле.

Таким чином, в природі - системи; в техніці - комплекси. Якщо ми ведемо мову про систему, то перед усім підкреслюємо цілісний характер матеріального об'єкта або процесу.

Класифікація є операцією об’єднання, бо множина об’єктів, що підлягає класифікації, поєднується у певні групи за характерними ознаками.

Класифікаційними ознаками є ті ознаки, які на думку класифікатора є визначальними для даного класу об’єктів. Класифікація проводиться тільки тоді, коли є множина об’єктів і необхідно серед них встановити певний порядок, об’єднати їх у певні групи за певними ознаками. Признак або їх сукупність, по яким об'єкти поєднуються в класи, є основою класифікації.

Клас - це сукупність об'єктів, що володіють деякими спільними признаками. Класифікація у будь-якій області знань, це надзвичайно важлива задача і представляє собою виключно складну справу. Причин декілька. Найбільш істотною з них є велика кількість конкретних варіацій систем, що іноді взагалі складається враження їх повного співпадання з усіма типами наявних об’єктів. Інша проблема полягає в абстрактності розуміння самої системи. Крім того, до цього часу не розроблені загальні параметри, які характеризують систему.

Найважливіше призначення класифікації – опис властивостей її класів і підкласів, видів і підвидів, об’єктів та елементів, котрий надає можливість використовувати її для ідентифікації конкретних систем, з якими зіштовхується дослідник, інженер і т. ін. Класифікація дозволяє узагальнити накопичений досвід, впорядкувати поняття предметної області. Не є виключенням у цьому і системний аналіз.

Класифікацію систем виконують зазвичай, за ієрархічним  принципом. Ієрархічний принцип класифікації означає, що існує декілька рівнів класифікації і вони розташовані один вище другого.

Всяка класифікація завжди має абсолютну й відносну сторони. Абсолютна сторона означає, що система, віднесена до певного класу систем, має ті ж характеристики, що й інші системи даного класу, і підпорядковується тим же закономірностям. Відносність класифікації полягає в тому, що крім чітко визначеного поділу існують системи, які займають проміжне місце. Відносність означає також те, що система може бути віднесена до тієї або іншої групи залежно від того, з якої точки зору розглядаються система, які властивості цікавлять класифікатора в процесі аналізу, які проблеми вирішуються за допомогою даної системи. Всяка класифікація завжди є відносною та служить певній меті.

Кожна класифікація виконується спеціалістами, які займаються певними проблемами, і відображує підхід до проблеми класифікації з точки зору саме цих спеціалістів. Тому єдиної класифікації систем в даний час немає і навряд чи вона взагалі можлива.

Однією з перших спроб класифікувати системи була спроба Богданова О.О. В результаті безперервної взаємодії формується три види систем (комплексів), які Богданов О.О. розрізняв по ступеню їх організованості, - організовані, неорганізовані та нейтральні.

Нині існують самі різноманітні підходи до класифікації систем. Наприклад Гладких Б.А. в роботі передбачає поділ їх на два класи (рис. 1.1) – предметні і категорійні.

 

 

 

 

Рис. 1.1. Класифікація систем по Б.А. Гладких

 

Інша класифікація систем передбачає поділ їх на два класи - абстрактні і матеріальні (рис. 1.2)  .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.2 Класифікація систем по С.А. Саркісяну

Матеріальні системи є об'єктами реального часу. Серед усього різноманіття матеріальних систем існують природні, штучні та змішані системи.

Природні системи представляють собою сукупність об'єктів природи, а штучні системи - сукупність соціально-економічних або технічних об'єктів, створених людиною. Змішані системи створені людиною, але в них важливу роль відіграє природна частина.

Природні системи, в свою чергу, поділяються на аерокосмічні і планетарні, фізичні та хімічні. Штучні системи можуть бути класифіковані по декількох признакам, головним з яких є роль людини в системі. По цьому признаку можна виділити два класи систем: технічні і організаційно-економічні системи.

В основі функціонування технічних систем лежать процеси, чинені машинами, а в основі функціонування організаційно-економічних систем - процеси, чинені людино-машинними комплексами.

Абстрактні системи - це абстрактне представлення образів або моделей матеріальних систем, які поділяються на описові (логічні) і символічні  (математичні).

Логічні системи є результат дедуктивного або індуктивного представлення матеріальних систем. Їх можна розглядати як системи понять і визначень (сукупність представлень) про структуру, про основні закономірності стану і про динаміку матеріальних систем.

Символічні (математичні) системи представляють собою формалізацію логічних систем, вони поділяються на три класи:

• статичні математичні системи або моделі, які можна розглядати як опис засобами математичного апарату стану матеріальних систем (рівняння стану);
• динамічні математичні системи або моделі, які можна розглядати як математичну формалізацію процесів матеріальних (або абстрактних) систем;
• квазістатичні (квазідинамічні) системи, що знаходяться в хитливому стані між статикою і динамікою, які при одних впливах ведуть себе як статичні, а при інших впливах - як динамічні.

Категорійні класифікації виділяють системи по певним признакам, спільним для всіх систем. Такий підхід був реалізований Б.А. Гладких на основі визначення системи О.І. Уємовим в тріаді „предмет” – „властивість” – „відношення”  табл. 1.1.

Класифікація систем по Б.А. Гладких

Категорійні характеристики	Компоненти системи
	Властивості	Елементи	Відношення
Моно
Полі
Статичні
Динамічні (функціонуючі)
Динамічні (що розвиваються)
Детерміновані
Випадкові
Прості
Складні

В класифікації В.Г. Афанасьєва чотири класи систем :

- системи, що існують в об’єктивні  реальності, неживій і живій природі, суспільстві;

- системи концептуальні, ідеальні, які іноді називають абстрактними;

- штучні, котрі створені людиною;

- змішані, в які входять системи і елементи вище перерахованих систем.

Однак в літературі наводяться і інші класифікації. Професор Ю.І. Черняк дає таку класифікацію систем  (рис. 1.3.).

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Класифікація систем по Ю. І. Черняку

  Великі системи - це системи, котрі не спостерігаються одночасно з позиції одного спостерігача або в часі, або в просторі. В таких випадках система розглядається послідовно по частинам (підсистемам), поступово переміщаючись на більш високу рівень. Кожна з підсистем одного рівня ієрархії описується однією і тією ж мовою, а при переході на наступний рівень спостерігач використовує вже метамову, яка представляє собою розширення мови першого рівня за рахунок засобів опису цієї саме мови. Створення цієї мови рівноцінно відкриттю законів породження структури системи і є самим цінним результатом дослідження.

Складні системи - це системи, які не можна скомпонувати з деяких підсистем. Це рівноцінно тому, що:

а)  спостерігач послідовно змінює свою позицію по відношенню до об'єкту і спостерігає його з різних сторін;

б)  різні спостерігачі досліджують об'єкт з різних сторін.

Приклад: вибір матеріалу вітрового скла автомобіля. Задачу не можна вирішити без того, щоб не розглянути цей об'єкт в самих різних аспектах і різних мовах: прозорість і коефіцієнт переломлення - мова оптики; міцність і пружність - мова фізики; наявність верстатів і інструментів для виготовлення - мова технології; вартість і рентабельність - мова економіки і т. ін.

Кожний зі спостерігачів відбирає підмножину матеріалів, задовольняючих його вимогам і критеріям. В області перетинання підмножин, відібраних усіма спостерігачами, метаспостерігач відбирає один-однісінький матеріал, працюючи в метамові, об'єднуючому поняття усіх мов нижчого рівня і що описує їх властивості і співвідношення.

Труднощі: підмножини, відібрані спостерігачами першого рівня, можуть не перетикатися. В такому випадку метаспостерігачеві треба скомандувати деяким з них (технологам, фізикам і т. ін.) знизити свої вимоги і, відповідно, розширити підмножини потенційних рішень. І тут: експертне опитування - найважливіший інструмент системного аналізу.

Системи можна порівнювати по ступеню складності, використовуючи різні аспекти самого цього поняття :

а)  шляхом порівняння числа моделей складної системи;

б)  шляхом зіставлення числа мов, використовуваних в складній системі;

в)  шляхом порівняння числа об'єднань і доповнень метамови.

 Динамічні системи (ДС) - це системи, що постійно змінюються. Всяка зміна, що відбувається в ДС, називається процесом. Його іноді визначають як перетворення входу у вихід системи.

Якщо у системи може бути тільки одна поведінка, то її називають детермінованою системою.

Імовірнісна система - система, поведінка якої може бути передбачена з певною ступеню імовірності на основі вивчення її минулої поведінки (протоколу).

Властивість рівноваги - здатність повертатися в первісний стан (до первісної поведінки), компенсуючи збурюючі дії середовища.

Самоорганізація ДС - здатність відновлювати свою структуру або поведінку для компенсації збурюючих впливів або змінювати їх, адаптуючись до умов навколишнього середовища.

Інваріант поведінки ДС - те, що залишається незмінним в її поведінці в будь-який відрізок часу.

 Кібернетичні, або керуючі системи - системи, за допомогою яких досліджуються процеси управління в технічних, біологічних і соціальних системах. Центральним поняттям тут є інформація - засіб впливу на поведінку системи. Важливим поняттям кібернетичних (керуючих) систем є поняття зворотного зв'язку (ЗЗ). ЗЗ - інформаційний вплив виходу на вхід системи.

 Цілеспрямовані системи - системи, що володіють цілеспрямованістю, тобто керуванням системи і приведенням до визначеної поведінки або стану, компенсуючи зовнішні збурення). Досягнення мети в більшості випадків має імовірнісний характер.

Англійський кібернетик С. Бір класифікує всі системи на три групи - прості, складні і дуже складні. При цьому він вважає досить істотним спосіб опису системи - детермінований або теоретико-імовірнісний.

Російський математик Г. М. Поваров класифікує усі системи в залежності від числа елементів, що складають систему, на чотири групи :

• малі системи (10 - 103 елементів);
• складні системи (103 - 107 елементів);
• ультраскладні системи (107 - 1030 елементів);
• суперсистеми (1030 - 10200 елементів}.

Прикладом системи другої групи може служити автоматична телефонна станція, транспортна система великого міста, третьої групи - організми вищих тварин і людини, соціальні організації, четвертої групи - Всесвіт.

Класифікація може базуватися на складності системи. В класифікації наведеній нижче, цілий ряд більш складних систем опущений, тому що не представляє для нас інтересу.

Морфологічні системи. Це системи, які описуються за допомогою мережі структурних взаємозв'язків (наприклад, типова організаційна схема).

Каскадні системи. Вони показують шляхи проходження речовини і енергії в системі (наприклад, схема інформаційних потоків в організації).

Системи типу дія - реакція об'єднують зазначені вище і показують спосіб, яким структура прив'язана до процесу життєдіяльності (наприклад, накладення інформаційних потоків на організаційну схему).

Керуючі системи (transducers) - системи типу 3, в яких основні компоненти контролюються людиною. Можна вважати якусь організацію керованою або кібернетичною системою, якщо контроль за допомогою зворотного зв'язку приводить до саморегулювання.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4.  Класифікація властивостей систем

 

Інший спосіб класифікації ґрунтується на взаємодії із зовнішнім середовищем.

Ізольована система. Границі такої системи закриті для експорту і імпорту речовини і енергії (або інформації).

Закрита система. Її границі перешкоджають експорту і імпорту речовини, але відкриті для енергії (або інформації).

Відкрита система. Така система обмінюється і речовиною, і енергією (інформацією) із зовнішнім середовищем. Всі управлінські системи є відкритими, хоча при аналізі ми іноді розглядаємо їх як закриті, ігноруючи всяку взаємодію із зовнішнім середовищем.

Крім того, ми розглядаємо системи або їх оточення як статичне або динамічне в залежності від швидкості зміни їх характеристик у часі. Адаптивна система може реагувати на зміни середовища способом, відповідно її звичайним діям. Зрозуміло, це відноситься до тих змін, які відбуваються у зовнішньому середовищі і не стосуються внутрішніх проблем. Таким чином, ми говоримо про релевантне середовище, тобто про події або об'єкти, не пов'язані з тим, що відбувається усередині системи.

 

2.ПРЕДМЕТ ТА МЕТОДИ ЗАСТОСУВАННЯ  СИСТЕМНОГО АНАЛІЗУ

В сучасному розумінні, системний аналіз - це наукова дисципліна, яка займається проблемами прийняття рішень в умовах аналізу великої кількості інформації різної природи.

Системний аналіз – це метод дослідження предметної області за допомогою системного підходу.

Предметна область – частина реального світу, в якій функціонує система (існує проблема).

Предметом теорії систем та системного аналізу є вивчення великих (складних) систем навколишнього світу на основі системного підходу, вивчення внутрішніх і зовнішніх найбільш загальних характеристик системи, розробка методів аналізу систем  та методів вирішення проблем, котрі виникають у цих системах під час практичної діяльності людини.

Системний підхід – методологія дослідження сукупності елементів в техніці, науці, природі, суспільстві, при якому система або проблема розглядається в цілому, а не розглядаються ізольовано окремі її підсистеми.

Використовуючи системний підхід, дослідник (системотехнік), або їх групи, вирішують визначену проблему. З цією метою, серед множини об’єктів матеріального світу, ними виділяється певна цілісність (система), котра призначена для розвязання цієї проблеми. Тобто, вирішення певної проблеми повинно обов’язково бути системним. Однак вирішити проблему у загальному випадку, зазвичай можна декількома способами, іноді взаємовиключними. Ці способи рішення проблеми називають альтернативами.

Альтернатива – необхідність вибору між двома або більше можливостями, що виключають одна одну; кожна з цих можливостей.

Саме аналіз можливих альтернатив та послідуючий вибір найкращої з них і буде системним підходом до вирішення певної проблеми.

Метою застосування системного аналізу до конкретної проблеми є підвищення ступеня обґрунтованості рішення, що приймається, розширення множини варіантів, серед яких провадиться вибір з одночасною указівкою способів відкидання тих з них, які демонстративно поступаються іншим. У максимально спрощеному виді, системний аналіз - це певна методика, котра дозволяє не пропустити з розгляду важливі сторони і зв'язки досліджуваного об'єкта, процесу, явища.

Компонентами системного аналізу є:

• методологія;
• апаратна реалізація;
• досвід застосування у різних областях знань і практики.

Методологія – сукупність прийомів дослідження, котрі застосовують у будь-якій науці відповідно до специфіки об’єкту її пізнання.

Методологія системного аналізу включає визначення використовуваних понять, принципи системного підходу, а також постановку і загальну характеристику основних проблем організації системних досліджень.

Визначення у методології зазвичай даються на словесно-інтуїтивному рівні і, як правило, є конструктивними. Загальноприйняті визначення створюють мову даної науки, впливають на наукове мислення. В системному аналізі, процес створення єдиних формулювань не є закінченим, і є досить актуальним у зв'язку з міждисциплінарним характером досліджень.

У центрі методології системного аналізу знаходиться операція кількісного і якісного порівняння альтернатив, яка виконується з метою вибору альтернативи, котра підлягає реалізації. Якщо  вимога рівноякісності альтернатив виконана, тоді можуть бути отримані і кількісні оцінки. Цього можна досягти, якщо враховані всі альтернативи і є правильні оцінки кожного елемента. Так реалізується ідея виділення „всіх елементів пов’язаних з даною альтернативою”, тобто ідея, яка на побутовій мові виражається як „всебічне урахування усіх обставин”. Виділювана цим визначенням цілісність і називається в системному аналізі повною системою або просто системою.

Системний аналіз – це методологія розв’язання проблем, яка заснована на концепції систем. Об’єкт пізнається як система тоді і тільки тоді, коли відносно нього вирішується задача певного (системного) типу.

Але як виділити цю цілісність, „систему”, як встановити, входить даний елемент в дану альтернативу чи ні? Єдиним критерієм може бути участь даного елемента у процесі, що призводить до появи вихідного результату даної альтернативи. Тому, поняття процесу виявляється центральним поняттям системного аналізу.

Таким чином, те, що передусім повинно бути виділено, якщо ми намагаємось думати і діяти системно, є процес.

Принципи системного підходу – це положення загального характеру, котрі є узагальненням досвіду роботи людини із складними системами. Часто їх вважають ядром методології. Постановка і характеристика проблем системних досліджень (наприклад, цілеспрямована структуризація, оптимальне чергування виконавських та управлінських операцій, задача про систему з плаваючою межею між нею і зовнішнім середовищем і т. ін.) складають в даний час найменш висвітлену частину методології системного аналізу.

Досвід застосування в різних областях - надзвичайно великий по змісту. Найважливішими розділами є науково-технічні розробки і різноманітні задачі економіки.

Проектування складного технічного об'єкта, створення та удосконалення сучасних автоматизованих систем становлять собою полігон для демонстрації системного аналізу в дії та ілюстрації практично усіх його положень і формальних структур.

В процесі наукових досліджень і технічних розробок, на виробництві і в суспільному житті ми постійно маємо справу із сукупностями об'єктів, які прийнято називати складними системами. Їх відмітними особливостями є чисельні та різноманітні зв'язки між окремо існуючими елементами системи і наявність у системи емерджентної функції, яка відсутня у елементів, що складають систему. Зв'язки між елементами складної системи характеризуються певним порядком, внутрішніми властивостями, спрямованістю на виконання функції системи. Такі особливості даної конкретної системи називаються її організацією.

Тенденцією розвитку систем є постійне їх ускладнення. Складні системи характеризуються:

• багатовимірністю – величезна кількість елементів, з яких складається система;
• багатокритеріальністю – використання декількох (багатьох) критеріїв;
• різноманіттям природи елементів;
• різноманіттям процесів управління.

Основним питанням при аналізі та синтезі складних систем, незалежно від їх області застосування, змісту і характеру – є питання вибору найбільш прийнятної альтернативи рішення.  У свою чергу, вибір альтернативи залежить від здатності оцінити ефективність кожної альтернативи, можливості вибору оптимальної альтернативи та розрахунку необхідних для її реалізації коштів.

Таким чином, аналіз та синтез складних систем потребує нових підходів, які суттєво відрізняються від методів дослідження простих елементів. Дослідження складних систем грунтується на системному підході.

Системний аналіз має декілька аспектів:

• системно-компонентний – відображає вивчення системи шляхом розчленування її на компоненти;
• системно-структурний відображає вивчення внутрішніх зв’язків системи та взаємодію її елементів;
• системно-функціональний – передбачає вивчення функціональних залежностей між елементами, між елементами та системою в цілому, між системою і зовнішнім середовищем, у тому числі і з іншими системами. При цьому може відбуватись як координація так і субординація компонентів. Координація – узгодження компонентів по горизонталі. Субординація – узгодження компонентів по вертикалі (визначає підпорядкованість елементів) ;
• системно-інтегративний – вивчення системи з точки зору можливості об’єднання аналогічних систем;
• системно-комунікаційний – потребує вивчення системи у взаємодії із зовнішнім середовищем (визначає вплив зовнішнього середовища на систему, а також вплив системи на зовнішнє середовище);
• системно-історичний – потребує вивчення системи в історичному плані: коли була створена система, який шлях пройшла, який її сучасний рівень і чи є перспективи її розвитку.

По визначенню, система складається із компонентів та зв'язків між ними, а також їх зв'язків із зовнішнім середовищем. Система визначається завданням системних об'єктів, властивостей і зв'язків.  В подальшому, компоненти і зв’язки ми будемо називати ланками системи.

Компонент – неподільний елемент системи (матеріальний, енергетичний або інформаційний), який володіє певними особливостями, складова будь-якої системи. Елементи можуть, в свою чергу, представляти собою системи, тобто бути підсистемами. Тому при аналізі або складанні моделі, дуже важливо розчленувати цільну систему на кінцеву кількість елементів, щоб уникнути зайвої складності і не втратити при цьому адекватність моделі.

Входом називається дискретна або безупинна множина контактів, через які дія середовища передається системі. Вхід – це те, що змінюється в процесі  протікання процесу. В багатьох випадках компонентами входу є „робочий вхід”, тобто те що „обробляється  і процесор, тобто те, що „обробляє”.

Процес перетворює вхід на вихід.

Здатність перетворювати даний вхід на даний вихід, називається властивістю даного процесу. Будь-який елемент системи має як мінімум один вхід і один вихід. Вплив може складатися із передачі речовини, енергетичного чи інформаційного обміну між системою і середовищем.

Входи і виходи можуть бути просторовими і часовими, причому часовий вхід завжди є причиною, а вихід – наслідком. Виділити систему в реальному світі – значить вказати усі процеси, які дають даний вхід.