Использование системного анализа для определения свойств, связей и метода моделирования технических систем

УДК 303.732.4

Использование системного анализа

для определения свойств, связей

и метода моделирования технических систем

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2012

В.В.Овчинников, С.П.Чумак, Е.А.Вдовиченко, А.В.Якутов

Аннотация

В статье рассматриваются основные понятия системного анализа. Показано использование системного анализа для определения свойств, связей и метода моделирования технических систем. Особое место занимают вопросы связанные с моделированием систем, определением понятия модели и моделирования, рассмотрены виды моделей, а также приведены этапы, включающие построение статистической модели и использование результатов моделирования.

Ключевые слова: системный анализ; моделирование систем; модель; требования; свойства.

The Application of Systems Analysis to Define Characteristics, Links and Simulation Mode of Engineering Systems

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2012

V. Ovtchinnikov, S. Chumak, E. Vdovichenko, A. Yakutov

Abstract

The article considers the key concepts of systems analysis. It shows the application of systems analysis to define characteristics, links and simulation mode of engineering systems. It emphasizes the problems of system simulation, definition of model and modeling; it examines the types of models and gives the stages including the construction of statistic models and the application of the modeling results.

Key words: systems analysis; system simulation; model; demands; features.

Системный анализ начал складываться в самостоятельную научную дисциплину в рамках общего направления системных исследований. Надо отметить, что для всех направлений прикладных системных исследований характерны следующие особенности:

применяются они в тех случаях, когда задача не может быть сразу представлена и решена с помощью формальных, математических методов, т.е. имеет место большая начальная неопределенность проблемной ситуации;

помогают уделить серьезное внимание процессу постановки задачи и позволяют применять не только формальные методы;

для организации процесса исследования и принятия решения при проведении системного анализа разрабатывается алгоритм, показывающий последовательность этапов проведения анализа и методы их выполнения;

окончательное суждение о правильности и полезности системного анализа можно сделать лишь на основании результатов его практического применения.

Системный анализ возник в эпоху разработки компьютерной техники. Успех его применения при решении сложных задач во многом определяется современными возможностями информационных технологий. Академик Моисеев Н.Н. приводит, по его выражению, довольно узкое определение системного анализа: «Системный анализ — это совокупность методов, основанных на использовании ЭВМ и ориентированных на исследование сложных систем — технических, экономических, экологических и т.д. Результатом системных исследований является, как правило, выбор определенной альтернативы: плана развития региона, параметров конструкции и т.д. Поэтому источники системного анализа, его методические концепции лежат в тех дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений: исследование операций и общая теория управления».

Системный анализ используется как один из важнейших методов в системном подходе, как эффективное средство решения сложных научных задач. Системный анализ — совокупность методов и средств исследования и конструирования сложных объектов, прежде всего, методов обоснования решений при создании и управлении техническими системами.

Системный подход ориентирует исследователя на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину. В настоящее время под системным подходом понимают направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем.

В основу теории оценки технических средств (ТС) могут быть положены следующие принципы системного анализа. Применительно к решаемой задаче рассмотрим один из необходимых принципов

системного анализа — принцип оптимальности. Известно, что характерной чертой современного развития является выбор наиболее подходящего варианта ТС. В ходе технического освоения научных достижений важно выбирать такие творческие решения, которые являются лучшими по комплексу показателей для заданных условий. С точки зрения системного анализа в такой задаче наиболее интересным становится методологический аспект. Если раньше оптимизация была связана в основном только с анализом, то в настоящее время она невозможна без использования методов синтеза.

Необходимость синтетических методов вытекает из принципа эмерджентности. Этот принцип системного анализа выражает следующее важное свойство системы: чем больше система и чем больше различие в размерах между частью и целым, тем выше вероятность того, что свойства целого могут сильно отличаться от свойств частей. Данный принцип подчеркивает возможность несовпадения локальных оптимумов целей отдельных частей с глобальным оптимумом цели системы. Поэтому он указывает на необходимость в целях достижения основных результатов принимать решения и вести разработки по совершенствованию систем не только на основе данных анализа, но и их синтеза.

Принцип системности выступает как одна из граней диалектической философии, как конкретизация. Чтобы действительно знать предмет, надо охватить, изучить все его стороны, все связи. Принцип системности предполагает подход к новой технике как к комплексному объекту, представленному совокупностью взаимосвязанных частных элементов (свойств), реализация которых обеспечивает достижение нужного эффекта, в минимальные сроки и при минимальных трудовых, финансовых и материальных затратах, с минимальным ущербом окружающей среды... Он предполагает исследование объекта, с одной стороны, как единого целого, а с другой стороны, как части более крупной системы, в которой анализируемый объект находится с остальными системами в определенных отношениях. Таким образом, принцип системности охватывает все стороны объекта в пространстве и во времени.

Принцип иерархии есть тип структурных отношений в сложных многоуровневых системах, характеризуемых упорядоченностью, организованностью взаимодействий между отдельными уровнями по вертикали. Иерархические отношения имеют место во многих системах, для которых характерна как структурная, так и функциональная дифференциация, т. е. способность к реализации определенного круга функций. В реальных системах иерархическая структура никогда не бывает абсолютно жесткой в силу того, что иерархия сочетается с большей или меньшей автономией нижележащих уровней по отношению к вышележащим, и в управлении исполь-

зуются присущие каждому уровню возможности самоорганизации.

Принцип интеграции (интеграция — от лат. целостность) направлен на изучение интегративных свойств и закономерностей. А интегративные свойства появляются в результате совмещения элементов до целого, совмещения функций во времени и в пространстве. Синергетический эффект — эффект совмещения действий. (Например, в роторно-конвейерных линиях совмещаются транспортные и обрабатывающие функции — эффект их всем известен).

Принцип формализации (формальный — относящийся к форме) нацелен на получение количественных и комплексных характеристик.

Рассмотрим техническое средство с позиций системного анализа. Нетрудно видеть, что в зависимости от выбора подхода одни и те же средства можно относить к различным системам. Так, все без исключения ТС можно объединять по признакам собственности, принадлежности к определенным организационным структурам (министерствам, ведомствам, компаниям). При этом входящие в систему ТС имеют такие важные признаки как: функциональная общность средств, функциональная взаимосвязь элементов системы и функциональная взаимозаменяемость.

Функциональная общность средств предполагает общую область применения, т.е. совокупность работ, для выполнения которых используются ТС, входящие в данную систему, и только эти средства.

Функциональная взаимосвязь элементов системы означает, что при выполнении всех или части функций отдельные элементы системы используются совместно и являются по отношению к данным функциям обобщенным техническим средством. Заметим, что элементы системы, входящие в состав обобщенного технического средства (комплекса) для одних работ, могут быть самостоятельным средством выполнения других работ. Как правило, при формировании комплексов ТС имеется определенная свобода выбора компонент (в пределах их технической совместимости), что создает потенциальную возможность рассмотрения множества вариантов таких комплексов при выборе состава средств для выполнения работ. При этом свойство функциональной общности ТС, входящих в систему, является определяющим, поскольку оно отражает объективно существующие первопричины создания и функционирования системы.

Функциональная взаимозаменяемость предполагает возможность для любого вида работы, которая входит в область применения системы, предложить, как правило, не один, а несколько вариантов выбора отдельных ТС или их комплектов, пригодных для выполнения этой работы. Необходимость количественной оценки целесообразности указанного выбора составляет первую объективную причину математических методов для исследования вопросов развития и использования ТС.

Развитие системного анализа потребовало развития прикладных системных исследований. Но надо иметь в виду, что ключевым в системологии является понятие «система».

Существует множество определений понятия системы. Рассмотрим одно из них, которое наиболее полно раскрывает свойства данного понятия.

«Система представляет собой определенное множество взаимосвязанных элементов, образующих устойчивое единство и целостность, обладающее интегральными свойствами и закономерностями».

Мы будем использовать понятие системы, которое учитывает такие важные составляющие любого материального объекта, как элемент, связь, взаимодействие, целеполагание (рис. 1).

Рис. 1. Схема компонентов системы

Элемент — это составная часть сложного целого. В нашем случае сложное целое — система, которая представляет собой целый ряд взаимосвязанных элементов.

Элемент — неделимая часть системы, обладающая самостоятельностью по отношению к данной системе. Неделимость элемента рассматривается как нецелесообразность учета в пределах модели данной системы его внутреннего строения.

Сам элемент характеризуется только его внешними проявлениями в виде связей и взаимосвязей с остальными элементами.

Множество А элементов системы можно описать в виде

А = {а}, I = 1, ..., п,

где аг — г-й элемент системы; п — число элементов в системе.

Каждый а1 элемент характеризуется т конкретными свойствами ..., (производительность, маневренность, надежность, транспортабельность,

живучесть, эргономика и др.), которые определяют его в данной системе однозначно.

Внешняя среда — это набор существующих в пространстве и во времени объектов (систем), которые, как предполагается, действуют на систему. Внешняя среда представляет собой совокупность естественных и искусственных систем, для которых данная система не является функциональной подсистемой.

Совокупность всех т свойств элемента а^ будем называть состоянием элемента 21

2{ = (2п, 2Й, 2в, • • •, 2а, • • •, 2тШ).

Состояние элемента, в зависимости от различных факторов (времени, пространства, внешней среды и т.д.) может изменяться. Последовательные изменения состояния элемента будем называть движением элемента.

Связь — совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы. Установить связь между двумя элементами — это значит выявить наличие зависимостей их свойств.

Множество Q связей между элементами а¡, и аj можно представить в виде

Q = {Яij}, ¡, j = 1 ..., «.

Зависимость свойств элементов может иметь односторонний и двусторонний характер. Двусторонняя зависимость свойств одного элемента от свойств других элементов системы называется взаимосвязью.

Взаимодействие — совокупность взаимосвязей и взаимоотношений между свойствами элементов, когда они приобретают характер взаимосодействия друг другу.

Структура системы — совокупность элементов системы и связей между ними в виде множества

В = {А, Q}.

Структура является статической моделью системы и характеризует только строение системы, не учитывая множества свойств (состояний) ее элементов. Система существует среди других материальных объектов, которые не вошли в нее. Они объединяются понятием «внешняя среда» — объекты внешней среды. По сути дела, очерчивание или выявление системы есть разделение некоторой области материального мира на две части, одна из которых рассматривается как система — объект анализа (синтеза), а другая — как внешняя среда.

Процессы, происходящие в сложных системах, как правило, сразу не удается представить в виде математических соотношений или алгоритмов. Поэтому

для того чтобы охарактеризовать ситуацию или ее изменения, используются специальные термины, заимствованные теорией систем из теории автоматического регулирования.

Состояние. Понятием состояние обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты).

Состояние системы — совокупность состояний ее п элементов и связей между ними (двусторонних связей не может быть более чем п (п — 1) в системе с п элементами). Если связи в системе неизменны, то ее состояние можно представить в виде

2 = (2Ь 2г, 2г, •.., 2Ъ •.., 2т).

Поведение. Если система способна переходить из одного состояния в другое (например, ^ ^ ...),

то говорят, что она обладает поведением. Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности (правила) перехода из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает каким-то поведением и выясняют его характер, алгоритм.

С учетом введенных обозначений поведение можно представить как функцию

ад = №-1), у(о, х(0].

В зависимости от степени изменчивости свойств системы делятся на статические и динамические. Статическая система — это система с одним состоянием. В отличие от статических, динамические системы имеют множество возможных состояний, которые могут меняться как непрерывно, так и дискретно.

Указанные выше характеристики неразрывно связаны со всеми видами разрабатываемых требований к системе.

Системные требования — это комплекс качественных характеристик и количественных показателей, которым должна соответствовать совокупность свойств элементов, взаимодействующих между собой через механизм прямой и обратной связи в процессе выполнения определенного круга мероприятий и задач, взаимосвязанных друг с другом функционально и обеспечивающих требуемую технико-экономическую эффективность функционирования.

Системный подход не есть какое-то открытие, позволяющее делать принципиально новое, это лишь систематизация здравого смысла, объединение элементов (свойств машины) или знаний о них путем установления существующих связей между ними. При таком синтезе требуется мудрая дальновидность, умение связать близкие цели с дальними, технические и экономические перспективы. Системная оценка является основой для принятия управленче-

ского решения. Для того чтобы определить место аварийно-спасательной машины в системе технического оснащения министерства, рассмотрим структуру оснащения сил МЧС России техническими средствами для проведения спасательных и неотложных аварийно-восстановительных работ (АСДНР), показанную на рис. 2.

При анализе причин возникновения и формулирования целей при системном анализе АСМ нужно учитывать, что на цель влияют как внешние по отношению к системе факторы, так и внутренние факторы. Цели могут возникнуть на основе взаимодействия противоречий между внешними и внутренними факторами. На цели системного анализа при обосновании ТТТ не могут не влиять конкретные требования министерства (МЧС России) к данному типу аварийно-спасательных машин.

Исходя из вышесказанного, главной целью является повышение эффективности АСМ при выполнении аварийно-спасательных работ за счет улучшения показателей свойств рассматриваемой машины.

Декомпозиция свойств (элементов), представляющих возможности машины при выполнении АСР, как состояние системы АСМ в данный момент времени, проведенная по функциональному признаку, показана на рис. 3.

Методы системного анализа включают широкое использование моделирования как средства отображения реальной системы, позволяющего оценивать в конкретном виде изменения функциональной системы (АСМ), в зависимости от изменений характеристик системы, связанных с изменениями во внешней среде либо в элементах самой системы.

Важной концептуальной особенностью системного анализа является представление модели как совокупности связей, объединяющих цели системы со стратегией ее создания, развития и эксплуатации в зависимости от изменений во внешней среде.

Рассмотрим процесс формализации и моделирования. Для этого построим структурную схему связей факторов, требований и свойств аварийно-спасательной машины, показанную на рис. 4.

Первый этап — это определение целей моделирования. Цели моделирования совпадают с целями выполняемой работы: повышение эффективности аварийно-спасательных машин. Модель нужна для того, чтобы прогнозировать возможную обстановку при чрезвычайных ситуациях, последствиях ЧС, прогнозировать технологии ведения аварийно-спасательных работ, влияние условий выполнения АСР на работоспособность АСМ и др.

После этого можно переходить к формализации процесса, результатом которой и будет в нашем случае математическая модель.

Приведем выдержку из работы Н.П. Бусленко, где, на наш взгляд, отражены основные особенности этого процесса: «Формализации любого реального процесса предшествует изучение структуры составляющих его явлений. В результате этого появляется так называемое содержательное описание процесса, которое представляет собой первую попытку четко изложить закономерности, характерные для исследуемого процесса, и постановку прикладной задачи. Содержательное описание является исходным материалом для последующих этапов формализации: построения формализованной схемы процесса и модели для него».

Постановка любой задачи заключается в том, чтобы перевести ее словесное, вербальное описание в формальное (рис. 5, а). Если полученная формальная модель (математическая зависимость между величинами в виде формулы, уравнения, системы уравнений) опирается на фундаментальный закон или подтверждается экспериментом, то этим доказывается ее адекватность отображаемой ситуации, и модель рекомендуется для решения задач соответствующего

Рис. 2. Структура оснащения сил МЧС России техническими средствами АСДНР с представлением разновидностей машин спасательных специальных

Рис. 3. Схема декомпозиции свойств (элементов) аварийно-спасательной машины

класса. На рис. 5, б показаны известные методы моделирования систем.

Перевод вербального описания в формальное, осмысление, интерпретация модели и получаемых результатов становятся неотъемлемой частью практически каждого этапа моделирования сложной развивающейся системы.

Под математической моделью процесса реальной системы (например, аварийно-спасательной машины) понимается совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий и др.), определяющих характеристики состояния машины в зависимости от параметров состояния и управления, начальных и конечных условий.

Математическая модель в оптимизационных задачах необходима для выражения или определения, а в итоге — вычисления критерия оптимальности через известные и оптимизируемые параметры систе-

мы. Выражение критерия оптимизации через эти параметры обычно называют целевой функцией или функцией качества.

Вид математических моделей определяется, главным образом, характером связей между параметрами рассматриваемых (оптимизируемых свойств) элементов системы и приемлемым методом поиска экстремальных значений целевой функции. Таким образом, составление математической модели и выбор метода поиска оптимального процесса (режима работы машины) являются связанными между собой этапами, которые достаточно точно (с требуемой точностью) выражают функционирование системы и позволили бы найти минимум или максимум целевой функции, определенной на основе этой модели при имеющихся связях и ограничениях.

Исходя из рис. 5, а, б, обоснованно приемлемыми

Рис. 4. Структурная схема связей факторов, требований и свойств аварийно-спасательной машины

а)

Вербальное описание I-Ь-

I

Мозговая Сценарий Экспертные Дерево атака оценки целей

I

_1_

Формальная модель

б)

Мата маги- Теория Статист- Аналитическая множеств ческие веские логика методы методы

Методы, направленные на активизацию интуиции и опыта специалистов

1

Методы моделирования систем

Специальные методы. Методики постепенной формализации задачи

Методы формализованного представления систем

Методы организации сложных экспертиз

Экспертные оценки

Морфологические методы

Имитационное

динамическое..

моделирование*

Методы структуризации {типа'дерева ' целей , сети и др.)

Методы типа "Дельфи*

Методы типа 'сценариев'

Методы типа "мозговой атаки* или коллективной генерации идеи

^ ы

Струюурно-к лингвистическое ,

\ моделирование/ * *

Ситуационное моделирование

\

V: \ *

х

т

т

Графические

Семиотические

Комплек-сиро-ванные д методы |

^ЧГрафо-оемио-тическое моделирование

Лингвистические

АЫЪ- \ ига! ™

Логические

Топология

тико-ственные

Статистические

Аналитические

/

Комбинаторика

Рис. 5. Модели и моделирование систем

для моделирования функционирования многих технических систем (в том числе и отдельных ТС) с произвольными потоками событий являются статистические методы. Статистические методы анализа сложных систем базируются на имитационном экспериментировании с моделями этих систем с помощью ЭВМ.

Для такого эксперимента необходима математическая модель анализируемого технического средства, которая должна отражать все реальные связи между элементами ТС и позволяла бы путем арифметических и логических действий над числами имитировать функционирование ТС. Эксперимент с имитационной моделью в определенной степени подобен экспериментированию с реальным ТС.

Правила, по которым производится моделирование на ЭВМ функционирования реального ТС, выраженные набором определенных обозначений, называются моделирующим алгоритмом. Вид и структура моделирующих алгоритмов статистических моделей в каждом конкретном случае различны. Однако несмотря на разнообразие в этих алгоритмах, можно выделить четыре блока, общих для многих типов моделей: моделирование текущего времени; моделирование элементарных процессов; учет взаимодействия элементарных процессов и связь их в модель одной операции;

обработка результатов моделирования.

Работа по построению статистической модели и

использованию результатов моделирования включает следующие этапы:

формулировку задач и разработку методики их решения с использованием статистической модели; построение моделирующего алгоритма; определение начальных и конечных условий, а также связей между параметрами;

построение машинных программ и их отработку; проверку адекватности модели реальному объекту; получение результатов моделирования с необходимой точностью и вероятностью;

определение оптимальных параметров моделируемой технологической операции, процесса или моделируемого технического средства.

Имитационное моделирование является эффективным методом определения оптимальных параметров систем и анализа качества их функционирования. Имитационные статистические модели во многих случаях предпочтительнее моделей других типов. Их можно использовать для моделирования потоков с любыми статистическими закономерностями с одновременным получением большого числа показателей качества функционирования систем.

Конечно, метод имитационного моделирования обладает и некоторыми недостатками. Так, он пригоден только для рассмотрения систем с конкретными численными исходными данными. Для статистического моделирования сложных систем требуется мощная вычислительная техника. И все же необходи-

мо отметить, что имитационное моделирование открывает широкие возможности анализа и оптимизации сложных систем.

Литература

1. Акимов В.А., Дурнев Р.А., Соколов Ю.Н. Основные гидрометеорологические явления на территории России. М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) 2009. 316 с.

2. Акимов В.А., ЛесныхВ.В., Радаев Н.Н. Риски в природе, техносфере, обществе и экономике. М.: Деловой экспресс, 2004. 352 с.

3. Анфилатов В.С. Системный анализ в управлении: Учеб. пособ. М.: Финансы и статистика, 2002. 368 с.

4. Бусленко Н.П. и др. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). М.: Физматгиз, 1962. 226 с.

5. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. 398 с.

6. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа: Учеб. для вузов. 3-е изд. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2003.

7. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. М.: Энергия, 1980. Т.1

8. Злобин Г.П., Симонов Ю.А. Суда на воздушной подушке. Л.: Судостроение, 1971.

9. Клейд Э. Анализ сложных систем. М.: Советское радио, 1969.

10. Клир Д. Системология. М.: Радио и связь, 1973. 262 с.

11. Мещеряков Е.М., Батырев В.В. О последовательности разработки научно-методических основ для выработки требований к системам и средствам // Технологии гражданской безопасности. 2012. Т. 9. № 1.С. 40—46.

12. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981. 526с.

13. Овчинников В.В., Чумак С.П., Якутов А.В. Оценка опасностей природных процессов, происходящих в Арктической зоне России // Технологии гражданской безопасности. 2012. Т. 9. № 1. с. 46.

14. Опнер С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М.: Советское радио, 1969.

15. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989. 367 с.

16. Саркисян С.А., Ахундов В.М., Минаев Э.С. Анализ и прогноз развития больших технических систем. М.: Наука, 1982. 280 с.

17. Тараканов К.В., ОвчаровЛ.А., Тырышкин А.Н. Аналитические методы исследования систем. М.: Советское радио, 1974. 360 с.

18. Тараканов Н.Д., Овчинников В.В. Комплексная механизация спасательных и неотложных аварийно-восстановительных работ. М.: Энергоатомиздат, 1984. 304 с.

19. Теория прогнозирования и принятия решений / Под ред. С.А. Саркисяна. М.: Высшая школа, 1977. 351с.

20. Тодосейчук С.П., Самойлов К.И., Климачева Н.Г., Переяслов А.Н., Земцов О.Э. Параметрический статус аварийно-спасательных средств для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций// Технологии гражданской безопасности. 2011. Т. 8. № 3. С. 30—35.

21. Чернышов В.Н., Чернышов А.В. Теория систем и системный анализ, учебное пособие. Тамбов: Издательство Тамб. гос.-техн. ун-та, 2008. 96 с.

Сведения об авторах:

Овчинников Валентин Васильевич: д. т. н., проф., ФГВУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), глав. н. с. 121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7. E-mail:avo6911@rambler.ru

Чумак Сергей Петрович: к. т .н., доц., ФГВУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), нач. научно-исслед. центра. 121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7. E-mail: 7centr_09@mail.ru

Вдовиченко Евгений Александрович: к. в. н., ФГВУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с. 121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7. E-mail: EAVdovichenko@yandex.ru

Якутов Александр Викторович: ФГВУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), аспирант.

121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7. E-mail: Yakutoff@yandex.ru