|
Введение в системный анализ и моделирование.Стр 1 из 9Следующая ⇒ Введение в системный анализ и моделирование. Содержание
Введение Предмет системного анализа
Системный анализ - система понятий, методов (среди которых должен быть метод декомпозиции) и технологий для изучения, описания, реализации систем различной природы и характера, междисциплинарных проблем; это система общих законов, методов, приемов исследования таких систем.
Предметная область - раздел науки, изучающий предметные аспекты системных процессов и системные аспекты предметных процессов и явлений. Это определение можно считать системным определением предметной области. Пример. Информатика - наука, изучающая информационные аспекты системных процессов и системные аспекты информационных процессов. Это определение можно считать системным определением информатики. Системный анализ тесно связан с синергетикой. Синергетика - междисциплинарная наука, изучающая общие идеи, методы и закономерности организации (изменения структуры, ее пространственно-временного усложнения) различных объектов и процессов, инварианты этих процессов. "Синергетика" в переводе - совместный, согласованно действующий.
Системный анализ предоставляет к использованию в различных науках, системах следующие методы и процедуры:
Системные ресурсы общества
1. Вещество - наиболее хорошо изученный ресурс, который в основном, представлен таблицей Д. И. Менделеева достаточно полно и пополняется не так часто. Вещество выступает как отражение постоянства материи в природе, как мера однородности материи. 2. Энергия - не полностью изученный тип ресурсов, например, мы не владеем управляемой термоядерной реакцией. Энергия выступает как отражение изменчивости материи, переходов из одного вида в другой, как мера необратимости материи. 3. Информация - мало изученный тип ресурсов. Информация выступает как отражение порядка, структурированности материи, как мера порядка, самоорганизации материи (и социума). Сейчас это понятие мы будем понимать как некоторые сообщения; ниже этому понятию мы посвятим более детальное обсуждение. 4. Человек - выступает как носитель интеллекта высшего уровня и является в экономическом, социальном, гуманитарном смысле важнейшим и уникальным ресурсом общества, выступает как мера разума, интеллекта и целенаправленного действия, мера социального начала, высшей формы отражения материи (сознания). 5. Организация (или организованность) выступает как форма ресурсов в социуме, группе которая определяет его структуру, включая институты человеческого общества и его надстройки, выступает как мера упорядоченности ресурсов. Организация системы связана с наличием некоторых причинно-следственных связей в этой системе. Организация системы может иметь различные формы, например, биологическую, информационную, экологическую, экономическую, социальную, временную, пространственную и она определяется причинно-следственными связями в материи и социуме. 6. Пространство - мера протяженности материи (события), распределения её (его) в окружающей среде. 7. Время - мера обратимости (необратимости) материи, событий. Время неразрывно связано с изменениями действительности.
Пример. Рассмотрим простую задачу - пойти утром на занятия в вуз. Эта часто решаемая студентом задача имеет все аспекты: 1. материальный, физический аспект - студенту необходимо переместить некоторую массу, например, учебников и тетрадей на нужное расстояние; 2. энергетический аспект - студенту необходимо иметь и затратить нужное количество энергии на перемещение; 3. информационный аспект - необходима информация о маршруте движения и месторасположении вуза и нужно обрабатывать по пути своего движения информацию; 4. человеческий аспект - перемещение, в частности, переезд на автобусе невозможен без человека, например, без водителя автобуса; 5. организационный аспект - необходимы подходящие транспортные сети и маршруты, остановки и т.д.; 6. пространственный аспект - перемещение на определённое расстояние; 7. временной аспект - на данное перемещение будет затрачено время (за которое произойдут соответствующие необратимые изменения в среде, в отношениях, в связях).
Пример. При сжигании дров в печке выделяется тепловая энергия, тепловая энергия используется для приготовления пищи, пища используется для получения биологической энергии организма, биологическая энергия используется для получения информации (например, решения некоторой задачи), перемещения во времени и в пространстве. Человек и во время сна расходует свою биологическую энергию на поддержание информационных процессов в организме; более того, сон - продукт таких процессов.
ГЛАВА 2. Система и системность: основные понятия
Мера сложности системы
Пример. Определим сложность иерархической системы как число уровней иерархии. Увеличение сложности при этом требует больших ресурсов для достижения цели. Определим сложность линейной структуры как количество подсистем системы. Определим сложность сетевой структуры как максимальную из сложностей всех линейных структур соответствующих различным стратегиям достижения цели (путей ведущих от начальной подсистемы к конечной). Сложность системы с матричной структурой можно определить количеством подсистем системы. Усложнение некоторой подсистемы системы приведёт к усложнению всей системы в случае линейной структуры, возможно, - в случае иерархической, сетевой и матричной структур. Пример. Для многоатомных молекул число межъядерных расстояний (оно определяет конфигурацию молекулы) можно считать оценкой сложности топологии (геометрической сложности) молекулы. Из химии и математики известна эта оценка: 3N-6, где N - число томов в молекуле. Для твёрдых растворов можно считать W равной числу перестановок местами атомов разных сортов в заданных позициях структуры; для чистого кристалла W=1, для смешанного - W>1. Для чистого кристалла сложность структуры S=0, а для смешанного - S>0, что и следовало ожидать.
Пример. В эколого-экономических системах сложность системы может часто пониматься как эволюционируемость, сложность эволюции системы, в частности, мера сложности - как мера, функция изменений, происходящих в системе в результате контакта с окружающей средой и эта мера может опредляться сложностью взаимодействия между системой (организмом, организацией) и средой, её управляемости. Эволюционную сложность эволюционирующей системы можно определить как разность между внутренней сложностью и внешней сложности (сложности полного управления системой). Решения в таких системах должны приниматься (для устойчивости систем) таким образом, чтобы эволюционная сложность равнялась нулю т.е. чтобы совпадали внутренняя и внешняя сложности. Чем меньше эта разность, тем устойчивее система, например, чем более сбалансировано внутрирыночные отношения и регулирующие их управляющие государственные воздействия - тем устойчивее рынок и рыночные отношения. Пример. В математических, формальных системах сложность системы может пониматься как алгоритмизируемость, вычислимость оператора системы S, в частности, как число операции и операндов, необходимых для получения корректного результата при любом допустимом входном наборе. Пример. Сложность программного комплекса L может быть определена как логическая сложность и измерена в виде: где L1 - общее число всех логических операторов, L2 - общее число всех исполняемых операторов, L3 - показатель сложности всех циклов (определяется с помощью числа циклов и их вложенности), L4 - показатель сложности циклов (он определяется числом условных операторов на каждом уровне вложенности), L5 - определяется числом ветвлений во всех условных операторах.
Пример. Рассматривается трагедия В. Шекспира «Ромео и Джульетта». Выделим и опишем 3 совокупности: А - пьеса, акты, сцены, мизансцены; В - действующие лица; С - комментарии, пьеса, сюжет, явление, реплики. Определим иерархические уровни и элементы этих совокупностей. 1. А: уровень N+2 - Пьеса; 2. В: все уровня N - Действующие лица{c1,c2,...,c25}={Ромео, Джульетта,...}. 3. С: уровень N+3 - Пролог (адресованы непосредственно зрителю и лежат вне действий разворачивающихся в пьесе);
В этом комплексе K(Y,X) все три сюжета становятся отдельными компонентами только на уровне связности q=8. Это означает, что сюжетные линии могут быть различны только зрителями, следящими за 9 действующими лицами. Аналогично, при q=6 имеются всего 2 компоненты {p1,p2}, {p3}. Следовательно, если зрители могут отслеживать только 7 персонажей, то они видят пьесу, как бы состоящую из двух сюжетов, где p1, p2 (мир влюблённых и вражда семейств) объединены. В комплексе K(Y, X) при q=5 имеются 3 компоненты. Следовательно, зрители видевшие только 6 сцен воспринимают 3 сюжета, не связанные друг с другом. Сюжеты р1 и р2 объединяются при q=4 и поэтому зрители могут видеть эти два сюжета как один, если следят только за 5 сценами. Все 3 сюжета сливаются, когда зрители следят лишь за 3 сценами. В комплексе K(Y, X) явление u8 доминирует структуру при q=35, u3 - при q=26, u6 - при q=10. Следовательно, u8 вероятнее всего поймут те зрители, которые прослушали 36 реплик, хотя для понимания u3 необходимо 27 реплик, а для понимания u6 - только 11 реплик. Таким образом, проведённый анализ даёт понимание сложности системы. Лабораторная работа №3
Историческая справка
“Важность целого превыше важности его составляющих” сменился через много столетий на новый постулат (Галилея): “Целое объясняется свойствами его составляющих”. Историческая справка
Основные понятия моделирования
Проблема моделирования состоит из трех задач:
Свойства любой модели таковы:
Жизненный цикл моделируемой системы: 1. Сбор информации об объекте, выдвижение гипотез, предмодельный анализ; 2. Проектирование структуры и состава моделей (подмоделей); 3. Построение спецификаций модели, разработка и отладка отдельных подмоделей, сборка модели в целом, идентификация (если это нужно) параметров моделей; 4. Исследование модели - выбор метода исследования и разработка алгоритма (программы) моделирования; 5. Исследование адекватности, устойчивости, чувствительности модели; 6. Оценка средств моделирования (затраченных ресурсов); 7. Интерпретация, анализ результатов моделирования и установление некоторых причинно - следственных связей в исследуемой системе; 8. Генерация отчетов и проектных (народно - хозяйственных) решений; 9. Уточнение, модификация модели, если это необходимо, и возврат к исследуемой системе с новыми знаниями, полученными с помощью моделирования. Основными операциями используемыми над моделями являются: 1. Линеаризация. Пусть М=М(X,Y,A), где X - множество входов, Y - выходов, А - состояний системы. Схематически можно это изобразить: X ® A ® Y
2. Идентификация. Пусть М=М(X,Y,A), A={ai }, ai=(ai1,ai2,...,aik) - вектор состояния объекта (системы). Если вектор ai зависит от некоторых неизвестных параметров, то задача идентификации (модели, параметров модели) состоит в определении по некоторым дополнительным условиям, например, экспериментальным данным, характеризующим состояние системы в некоторых случаях. Идентификация - решение задачи построения по результатам наблюдений математических моделей, описывающих адекватно поведение реальной системы. 3. Агрегирование. Операция состоит в преобразовании (сведении) модели к модели (моделям) меньшей размерности (X, Y, A). 4. Декомпозиция. Операция состоит в разделении системы (модели) на подсистемы (подмодели) с сохранением структур и принадлежности одних элементов и подсистем другим. 5. Сборка. Операция состоит в преобразовании системы, модели, реализующей поставленную цель из заданных или определяемых подмоделей (структурно связанных и устойчивых). 6. Макетирование. Эта операция состоит в апробации, исследовании структурной связности, сложности, устойчивости с помощью макетов или подмоделей упрощенного вида, у которых функциональная часть упрощена (хотя вход и выход подмоделей сохранены). 7. Экспертиза, экспертное оценивание. Операция или процедура использования опыта, знаний, интуиции, интеллекта экспертов для исследования или моделирования плохо структурируемых, плохо формализуемых подсистем исследуемой системы. 8. Вычислительный эксперимент. Это эксперимент, осуществляемый с помощью модели на ЭВМ с целью распределения, прогноза тех или иных состояний системы, реакции на те или иные входные сигналы. Прибором эксперимента здесь является компьютер (и модель!).
1. Обучение (как моделям, моделированию, так и самих моделей). 2. Познание и разработка теории исследуемых систем - с помощью каких - то моделей, моделирования, результатов моделирования. 3. Прогнозирование (выходных данных, ситуаций, состояний системы). 4. Управление (системой в целом, отдельными подсиситемами системы, выработка управленческих решений и стратегий). 5. Автоматизация (системы или отдельных подсистем системы).
Основные функции компьютера при моделировании систем: · выполнять роль вспомогательного средства для решения задач, решаемых обычными вычислительными средствами, алгоритмами, технологиями;
1. Постановка задачи. a. Формулировка задачи. b. Определение цели моделирования и их приоритетов. c. Сбор информации о системе, объекте моделирования. d. Описание данных (их структуры, диапазона, источника и т. д.). 2. Предмодельный анализ. a. Анализ существующих аналогов и подсистем. b. Анализ технических средств моделирования (ЭВМ, периферия). c. Анализ программного обеспечения(языки программирования, пакеты программ, инструментальные среды). d. Анализ математического обеспечения(модели, методы, алгоритмы). 3. Анализ задачи (модели). a. Разработка структур данных. b. Разработка входных и выходных спецификаций, форм представления данных. c. Проектирование структуры и состава модели (подмоделей). 4. Исследование модели. a. Выбор методов исследования подмоделей. b. Выбор, адаптация или разработка алгоритмов, их псевдокодов. c. Сборка модели в целом из подмоделей. d. Идентификация модели, если в этом есть необходимость. e. Формулировка используемых критериев адекватности, устойчивости и чувствительности модели. 5. Программирование (проектирование программы). a. Выбор метода тестирования и тестов (контрольных примеров). b. Кодирование на языке программирования(написание команд). c. Комментирование программы. 6. Тестирование и отладка. a. Синтаксическая отладка. b. Семантическая отладка (отладка логической структуры). c. Тестовые расчеты, анализ результатов тестирования. d. Оптимизация программы. 7. Оценка моделирования. a. Оценка средств моделирования. b. Оценка адекватности моделирования. c. Оценка чувствительности модели. d. Оценка устойчивости модели. 8. Документирование. a. Описание задачи, целей. b. Описание модели, метода, алгоритма. c. Описание среды реализации. d. Описание возможностей и ограничений. e. Описание входных и выходных форматов, спецификаций. f. Описание тестирования. g. Описание инструкций пользователю. 9. Сопровождение. a. Анализ использования, периодичности использования, количества пользователей, типа использования (диалог, автономно и др.), анализ отказов во время использования модели. b. Обслуживание модели, алгоритма, программы и их эксплуатация. c. Расширение возможностей: включение новых функций или изменение режимов моделирования, в том числе и под модифицированную среду. d. Нахождение, исправление скрытых ошибок в программе, если таковые найдутся. 10. Использование модели. Лабораторная работа №6
Компьютерное моделирование.
Страница “Регион” - для ввода информации по региону эксперимента. Страница “Эксперимент” выглядит следующим образом.
![]() ![]() Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... ![]() Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор... ![]() Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)... ![]() Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|