Методы и подходы к моделированию распределенных систем. Подходы к моделированию систем. Статические информационные модели

⁰

Понятие о системе

Мы живем в мире, который состоит из множества разных объектов, имеющих разнообразные свойства и взаимодействующих между собой. Например, объектами окружающего мира являются планеты Солнечной системы, которые имеют разные свойства (масса, геометрические размеры и т.д.) и взаимодействуют с Солнцем и между собой по закону всемирного тяготения.

Каждая планета входит в состав более крупного объекта – Солнечной системы, которая в свою очередь входит в состав Галактики. В то же время, каждая планета состоит из атомов разных химических элементов, которые состоят из элементарных частиц. Таким образом, фактически каждый объект может состоять из совокупности других объектов, т.е. образует систему.

Важный признак системы – ее целостное функционирование. Система является не набором отдельных элементов, а совокупностью взаимосвязанных элементов. Например, персональный компьютер представляет собой систему, которая состоит из различных устройств, которые при этом связаны между собой и аппаратно (подключаются физически друг к другу) и функционально (обмениваются информацией).

Определение 1

Система является совокупностью взаимосвязанных объектов, которые называют элементами системы.

Замечание 1

Каждая система имеет свою структуру, которую характеризует состав и свойства элементов, их отношения и связи между собой. Система в состоянии сохранять свою целостность под воздействием различных внешних факторов и внутренних изменений до тех пор, пока является неизменной ее структура. В случае изменения структуры системы (например, при удалении одного из его элементов), она может прекратить свое функционирование как единое целое. Например, при удалении одного из устройств компьютера (к примеру, материнской платы), компьютер перестанет работать, т. е. прекратит свое функционирование как система.

Основные положения теории систем появились при исследовании динамических систем и их функциональных элементов. Под системой понимается группа взаимосвязанных элементов, которые действуют сообща с целью выполнить заранее поставленную задачу. С помощью анализа систем можно определить наиболее реальные способы выполнения поставленной задачи, которые обеспечивают максимальное удовлетворение поставленных требований.

Элементы, которые составляют основу теории систем, создаются не с помощью гипотез, а их получают экспериментальным путем. Для начала построения системы нужно иметь общие характеристики технологических процессов, которые необходимы и при создании математически сформулированных критериев, которым должен удовлетворять процесс или его теоретическое описание. Метод моделирования является одним из наиболее важных методов научного исследования и экспериментирования.

Системный подход

Для построения моделей объектов используют системный подход , который представляет собой методологию решения сложных задач. В основе этой методологии лежит рассмотрение объекта как системы, которая функционирует в некоторой среде. Системный подход позволяет раскрыть целостность объекта, выявить и изучить его внутреннюю структуру, а также связи с внешней средой. При этом объект является частью реального мира, которую выделяют и исследуют в связи с решаемой задачей построения модели. Кроме того, при использовании системного подхода предполагается последовательный переход от общего к частному, в основе которого лежит рассмотрение цели проектирования, а объект рассматривается во взаимосвязи с окружающей средой.

Сложный объект может разделяться на подсистемы, которые представляют собой части объекта и удовлетворяют таким требованиям:

подсистема – функционально независимая часть объекта, которая связана с другими подсистемами и обменивается с ними информацией и энергией;
каждая подсистема может иметь функции или свойства, которые не совпадают со свойствами всей системы;
каждая из подсистем может делиться до уровня элементов.

Под элементом здесь понимают подсистему нижнего уровня, которую далее делить не представляется целесообразным с позиции решаемой задачи.

Замечание 2

Таким образом, система представляется как объект, состоящий из набора подсистем, элементов и связей для его создания, исследования или усовершенствования. При этом укрупнение представления системы, которое включает основные подсистемы и связи между ними, называется макроструктурой, а детальное рассмотрение внутреннего строения системы до уровня элементов – микроструктурой.

С понятием системы обычно связано понятие надсистемы – системы более высокого уровня, в состав которой входит рассматриваемый объект, причем функция любой системы может быть определена только через надсистему. Также немаловажно понятие среды – совокупности объектов внешнего мира, которые существенно влияют на эффективность функционирования системы, но не входят в состав системы и ее надсистемы.

В системном подходе к построению моделей используют понятие инфраструктуры, которая описывает взаимосвязь системы с ее окружением (средой).

Выделение, описание и исследование свойств объекта, которые являются существенными для конкретной задачи, называется стратификацией объекта.

При системном подходе в моделировании важно определение структуры системы, которая определяется как совокупность связей между элементами системы, которые отражают их взаимодействие.

Различают структурный и функциональный подход к моделированию.

При структурном подходе определяется состав выделенных элементов системы и связи между ними. Совокупность элементов и связей составляет структуру системы. Обычно для описания структуры применяется топологическое описание, которое позволяет выделить составные части системы и определить их связи с помощью графов.

Реже применяется функциональное описание, при котором рассматриваются отдельные функции – алгоритмы поведения системы. При этом реализуется функциональный подход, который определяет функции, выполняющиеся системой.

При системном подходе возможны разные последовательности разработки моделей на основе двух основных стадий проектирования: макропроектирования и микропроектирования. На стадии макропроектирования строят модель внешней среды, выявляют ресурсы и ограничения, выбирают модель системы и критерии для оценки адекватности.

Стадия микропроектирования зависит от типа выбранной модели. Эта стадия предполагает создание информационного, математического, технического или программного обеспечения системы моделирования. При микропроектировании устанавливают основные технические характеристики созданной модели, оценивают время работы с ней и затраты ресурсов для получения необходимого качества модели.

При построении модели, независимо от ее типа, необходимо придерживаться принципов системного подхода:

последовательно продвигаться по этапам создания модели;
согласовывать информационные, ресурсные, надежностные и другие характеристики;
правильно соотносить различные уровни построения модели;
придерживаться целостности отдельных стадий проектирования модели.

Статические информационные модели

Любая система продолжает свое существование в пространстве и во времени. В разные моменты времени система определяется своим состоянием, которое описывает состав элементов, значения их свойств, величина и характер взаимодействия между элементами и т.д.

Например, состояние Солнечной системы в определенные моменты времени описывается составом объектов, которые входят в нее (Солнце, планеты и др.), их свойствами (размер, положение в пространстве и др.), величиной и характером их взаимодействия (сила тяготения, электромагнитные волны и др.).

Модели, которые описывают состояние системы в определенный момент времени, называют статическими информационными моделями.

Например, в физике статическими информационными моделями являются модели, которые описывают простые механизмы, в биологии – модели строения растений и животных, в химии – модели строения молекул и кристаллических решеток и т.д.

Динамические информационные модели

Система может изменяться с течением времени, т.е. происходит процесс изменения и развития системы. Например, при движении планет изменяется их положение относительно Солнца и между собой; изменяется химический состав Солнца, излучение и т.д.

Модели, которые описывают процессы изменения и развития систем, называют динамическими информационными моделями.

Например, в физике динамическими информационными моделями описывается движение тел, в химии – процессы прохождения химических реакций, в биологии – развитие организмов или видов животных и т.д.

На протяжении всей истории развития теории систем предлагались и применялись различные подходы к представлению (отображению), анализу и проектированию систем.

Традиционный подход, применяющийся в математических исследованиях: определить элементы (переменные, константы) и связать их соответствующим соотношением (формулой, уравнением, системой уравнений), отображающим принцип взаимодействия элементов.

Когда задачи усложнились и такое соотношение не удавалось сразу получить, то предлагалось формировать "пространство состояний" элементов и вводить "меры близости" между элементами этого пространства. Такой подход вначале пытались применить для исследования сложных систем.

Предлагалось обследовать систему, выявить все элементы и связи между ними. Этот подход называли иногда "перечислением" системы. При обследовании применялись разные способы: 1) архивный (изучение документов и архивов предприятия); 2) опросный, или анкетный (опрос сотрудников, в том числе с помощью специально разработанных вопросников - анкет).

Однако первые же попытки применить такой подход к исследованию систем управления предприятиями и организациями показали, что "перечислить" сложную систему практически невозможно.

Учитывая трудности "перечисления" систем, предлагались различные подходы к их исследованию и проектированию.

Применение философских категорий - индуктивный и дедуктивный подходы, анализ и синтез - позволяет определить основные принципы исследования. Однако эти категории могут трактоваться и реализовываться по-разному.

Поэтому с самого начала возникновения системных теории предлагались подходы, в большей мере ориентированные на прикладные задачи. Приведем основные из них:

в начальный период становления теории систем развивался бихевиористский подход (поведение), основанный на исследовании поведения (т.е. функционирования) систем; однако этот подход весьма трудоемок и не всегда реализуем;
американский ученый М. Месарович предложил подходы, которые назвал целенаправленным и терминальным (от терм - элементарная частица, интересующая исследователя);
польский ученый Р. Куликовски предложил называть аналогичные подходы декомпозицией и композицией системы;
швейцарский астроном Ф. Цвикки предложил и развил морфологический подход, который помогает искать полезные объединения элементов путем их комбинаций;
американская корпорация /ММ) предложила подход к созданию сложных программ и проектов, названный "дерево целей";
в практике проектирования сложных технических комплексов возникли термины "язык моделирования", "язык автоматизации проектирования", применяющиеся для отображения взаимосвязей между компонентами проекта; при разработке языков моделирования применяют математическую логику и математическую лингвистику, в которой есть удобный термин для описания структуры языка - "тезаурус" (см. гл. 4), и подход называют иногда лингвистическим или тезаурусным;
при исследовании и формировании структур были предложены следующие подходы: путем поиска связей между элементами или, напротив, путем устранения лишних связей (, ).

С учетом рассмотренных подходов на основе обобщения предшествующего опыта сформировалось два основных подхода к отображению систем, первоначально предложенных для формирования структур целей5:

а) "сверху" - методы структуризации или декомпозиции, целевой или целенаправленный подход;
б) "снизу" - подход, который называют морфологическим (в широком смысле), лингвистическим, тезаурусным, терминальным, методом "языка" системы. С помощью этого подхода определяется "пространство состояний" системы и реализуется поиск взаимосвязей (мер близости) между элементами.

Подход "снизу" можно реализовать, применяя не только комбинаторные приемы (морфологический и т.п.), но и бихевиористский подход, вариант которого при автоматизации моделирования поведения объектов в настоящее время иногда называют процессным, статистические методы, лежащие в основе бизнес-аналитики, методы представления и извлечения знаний, основанные на применении математической логики и математической лингвистики.

Подходы "сверху" и "снизу" называют также аксиологическим и каузальным соответственно.

Аксиологическое представление системы - отображение системы в терминах целей и целевых функционалов. Этот термин используют в тех случаях, когда необходимо выбрать подход к отображению системы на начальном этапе моделирования и противопоставить это отображение описанию системы в терминах "перечисления" элементов системы и их непосредственного влияния друг на друга, т.е. каузального представления.

Каузальное представление системы - описание системы в терминах влияния одних переменных на другие, без употребления понятий цели и средств достижения целей. Этот термин происходит от понятия "cause" - причина, т.е. подразумевает причинно-следственные отношения. Применяют каузальное представление в случае предварительного описания системы, когда цель сразу не может быть сформулирована и для отображения системы или проблемной ситуации не может быть применено аксиологическое представление.

В 1970-1980-е гг. при проектировании организационных структур были предложены три подхода к решению этой проблемы.

Нормативно-функциональный подход направлен на унификацию организационных форм управления в рамках отрасли. Разработка типовых организационных структур явилась первым шагом на пути внедрения принципов их научно обоснованного построения. Однако ориентация на типовую номенклатуру функций управления и структурных управленческих подразделений не позволяет учесть особенностей конкретных предприятий и условий их деятельности.
Функционально-технологический подход основан па рационализации потоков информации и технологии ее обработки, на формировании и анализе организационно-технологических процедур подготовки и реализации управленческих решений. Этот подход обеспечивает возможность достаточно полно учесть особенности конкретного предприятия (организации), отличается гибкостью и универсальностью. Вместе с тем он характеризуется высокой трудоемкостью, использованием стабильной номенклатуры сложившихся функций управления, подчинением оргструктуры схеме документооборота.
Системно-целевой подход заключается в построении структуры целей, определении на ее основе функций управления и их организационном оформлении. Преимущества этого подхода заключаются в возможности учитывать особенности объекта управления и условия его деятельности, изменять и расширять состав функций, проектировать разнообразные организационно-правовые формы предприятий. Трудности в использовании подхода связаны с проблемой перехода от совокупности целей и функций к составу и подчиненности структурных звеньев, обеспечивающих их реализацию.

Обобщающий подход "сверху", называемый целевым, целенаправленным, системно-целевым, основан на структуризации или декомпозиции системы в пространстве. Этот подход позволяет расчленить исходную большую неопределенность на более обозримые и выбрать методы их анализа и проектирования, сохраняя целостность представления об исследуемой системе или решаемой проблеме на основе иерархической структуры (древовидной, стратифицированной).

Подход "снизу", основанный на анализе пространства состояний, поиске "мер близости" между компонентами с помощью различных, в том числе статистических, методов, морфологического моделирования, отличается большой трудоемкостью. В настоящее время для анализа пространства состояний разработаны методы представления и извлечения знаний, основанные на применении статистических методов, математической логики и математической лингвистики.

В настоящее время для проектирования систем широкое применение нашел подход, кратко называемый процессным. Этот подход, который можно считать развитием функционально-технологического подхода, основан на структуризации во времени, на представлении процессов в форме графов.

Применение функционально-технологического подхода долгое время было практически нереализуемым из-за большой трудоемкости, отсутствия правил и средств автоматизации формирования графов, отображающих процессы в системах. В 1990-е гг. была разработана методология SADT (Structured Analysis and Design - структурный анализ и проектирование; предложена Дугласом Россом), представляющая собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели объекта какой-либо предметной области. На ее основе разработаны и стали широко применяться функционально-ориентированные и объектно-ориентированные CASE-2 и RAD-3 технологии. Компьютерная реализация методологии SADT получила название IDEF (Icam Definition). Основными структурными моделями являются модели процессов IDEF0 и IDEF3, модель данных IDEF1X4. Созданы стандарты IDEF и DFD, ориентированные на анализ процессов (в том числе бизнес-процессов). Для реализации моделей применяются автоматизированные средства - BPWin, ARIS, язык UML (Unified Modeling Language - унифицированный язык моделирования). Популярность САБЕ-метододогии и технологий базируется на разработке принципов и автоматизации формирования процессов, на развитии методов их формирования (на основе анализа "жизненного цикла" производства, обслуживания или других процессов, причинно-следственных связей и т.п.), что и обеспечило развитие процессного подхода, преимущества которого заключаются в возможности учитывать особенности конкретного объекта и условий его деятельности.

Классический подход - изучение взаимосвязей между отдельными частями, и разработка модели системы рассматривается как суммирование отдельных компонент в общую модель. Целесообразен для реализации сравнительно простых моделей с разделением отдельных функций реального объекта и принятия решения о независимости этих функций.

Процесс синтеза модели М на основе классического (индуктивного) подхода представлен на рис. 1.1, а. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на отдельные подсистемы, т. е. выбираются исходные данные Д для моделирования и ставятся цели Ц, отображающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных Д ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента К будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель М. Таким образом, разработка модели М на базе классического подхода означает суммирование отдельных компонент в единую модель, причем каждая из компонент решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели.

Системный подход -- это элемент учения об общих законах развития природы и одно из выражений диалектического учения. Можно привести разные определения системного подхода, но наиболее правильно то, которое позволяет оценить познавательную сущность этого подхода при таком методе исследования систем, как моделирование. Поэтому весьма важны выделение самой системы S и внешней среды Е из объективно существующей реальности и описание системы исходя из общесистемных позиций.

Системный подход позволяет решить проблему построения сложной системы с учетом всех факторов и возможностей, пропорциональных их значимости, на всех этапах исследования системы и построения модели.

Системный подход означает, что каждая система S является интегрированным целым даже тогда, когда она состоит из отдельных разобщенных подсистем. Таким образом, в основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного -- формулировки цели функционирования. Процесс синтеза модели М на базе системного подхода условно представлен на рис. 1.1, б. На основе исходных данных Д, которые известны из анализа внешней системы, тех ограничений, которые накладываются на систему сверху либо исходя из возможностей ее реализации, и на основе цели функционирования формулируются исходные требования Т к модели системы. На базе этих требований формируются ориентировочно некоторые подсистемы П, элементы Э и осуществляется наиболее сложный этап синтеза -- выбор В составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора КВ.

Классический подход при построении моделей - подход к изучению взаимосвязей между отдельными частями модели предусматривает рассмотрение их как отражение связей между отдельными подсистемами объекта. Такой (классический) подход может быть использован при создании достаточно простых моделей.

Таким образом, разработка модели М на базе классического подхода означает суммирование отдельных компонент в единую модель, причем каждая из компонент решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Поэтому классический подход может быть использован для реализации сравнительно простых моделей, в которых возможно разделение и взаимно независимое рассмотрение отдельных сторон функционирования реального объекта.

Можно отметить две отличительные стороны классического подхода:

Наблюдается движение от частного к общему,

Создаваемая модель образуется путем суммирования отдельных ее компонент и не учитывается возникновение нового системного эффекта.

Системный подход - это элемент учения об общих законах развития природы и одно из выражений диалектического учения.

При системном подходе к моделированию систем необходимо прежде всего четко определить цель моделирования. Поскольку невозможно полностью смоделировать реально функционирующую систему, создается модель (система-модель, или вторая система) под поставленную проблему. Таким образом, применительно к вопросам моделирования цель возникает из требуемых задач моделирования, что позволяет подойти к выбору критерия и оценить, какие элементы войдут в создаваемую модель М. Поэтому необходимо иметь критерий отбора отдельных элементов в создаваемую модель.

Важным для системного подхода является определение структуры системы - совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие.

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы S и связи между ними. Совокупность элементов и связей между ними позволяет судить о структуре системы. Последняя в зависимости от цели исследования может быть описана на разных уровнях рассмотрения. Наиболее общее описание структуры - это топологическое описание, позволяющее определить в самых общих понятиях составные части системы и хорошо формализуемое на базе теории графов.

При функциональном подходе рассматриваются отдельные функции, т. е. алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система, причем под функцией понимается свойство, приводящее к достижению цели. Поскольку функция отображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы S с внешней средой Е, то свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов Si(j)и подсистем Si,- системы, либо системы S в целом.

Основные этапы оценивания сложных систем.

Этап1. Определение цели оценивания. В системном анализе выделяют два типа целей. Качественной называют цель, достижение которой выражается в номинальной шкале или в шкале порядка. Количественной называют цель, достижение которой выражается в количественных шкалах.

Этап2. Измерение свойств системы, признанных существенными для целей оценивания. Для этого выбираются соответствующие шкалы для измерения свойств и всем исследуемым свойствам систем присваивается определенное значение на этих шкалах.

Этап3. Обоснование предпочтений критериев качества и критериев эффективности функционирования систем на основе измеренных на выбранных шкалах свойств.

Этап4. Собственно оценивание. Все исследуемые системы, рассматриваемые как альтернативы, сравниваются по сформулированных критериям и в зависимости от целей оценивания ранжируются, выбираются, оптимизируются.