17350

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Лекция 8. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ 1. Концепция существования реального объекта во времени и пространстве Дадим некоторые определения. Объект системы Ob – это сущность реального мира воспринимаемая интеллектом системного аналитика САн че

Русский

2013-07-01

633 KB

3 чел.

Лекция 8. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

1. Концепция существования реального объекта во времени и пространстве

Дадим некоторые определения.

Объект системы (Ob) – это сущность реального мира, воспринимаемая интеллектом системного аналитика (САн) через систему органов чувств в форме образа Obr_Ob, являющегося отображением его внутреннего состояния через систему показателей, параметров и индикаторов.

Полагаем, что объект имеет внутреннюю структуру, изолированную от внешнего мира  с помощью оболочки (границы), проникновение через которую внутрь объекта Ob для исследователя (СМысл или САн) невозможно или нецелесообразно по условиям задачи исследования (проекта).

Факт существования Ob – феномен, воспринимаемый исследователем как установленный набор атрибутов, связанный с Ob, позволяющий отличать данный вид объектов от других видов объектов, а также данный конкретный  объект от других объектов данного вида (типа).

Объекту приписывается наличие конечного множества внутренних состояний {Z} с элементами zi  Z, i=1,2,...,r.

Существование реального объекта проявляется в его способности находиться в одном из возможных внутренних состояний zi  Z, а его функционирование как элемента системы проявляется  в способности принимать различные состояния z(t) в последовательные моменты t1, t2 ,..., T, которое полагается дискретным.

Будем различать две основные фазы существования Ob: 

фаза покоя Φ0, в которой на интервале наблюдения T[0,T] для любого tT  

Obr_Ob(t)) = Jc = CONST;       (1)

и фаза активности Φa, если (1) не имеет место. Активность проявляется в процессе функционирования Ob.

Будем называть T  горизонтом наблюдения. 

В данный момент, сейчас – это интервал, включающий данный момент наблюдения t и его окрестность:

«Tn» = [ti-m, ...,  ti-2,  ti-1, ti, ti+1, ti+2,..., ti+n]    (2)

«СЕЙЧАС» = [ ti,] ;

«ПРОШЛОЕ»= определяется выражением (2) со значением m определяемым горизонтом наблюдения поведения Ob в прошлом, рассматриваются интервалы tk  ti;

«БЛИЖАЙШЕЕ БУДУЩЕЕ»= определяется выражением (2) со значением n, определяемым горизонтом прогнозирования поведения Ob, рассматриваются интервалы ti+r >tk  ti; r –горизонт ближайшего будущего.

«БУДУЩЕЕ»= определяется выражением (2) со значением n, определяемым горизонтом предвидения поведения Ob на интервале  t  ti;

«ДАЛЕКОЕ БУДУЩЕЕ»= определяется выражением (2) со значением n, определяемым горизонтом предвидения поведения Ob на интервале T =[ti, t].

С точки зрения САн  объект существует (присутствует) в реальном мире постольку, поскольку является наблюдаемым его образ в форме описания его состояния C_Ob(t).

Если для рассматриваемого объекта состояние Ψ0  сохраняется на интервале [t-, ti], а также может прогнозироваться на интервал [ti, t], такой объект следует считать статичным по природе, в противном случае объект следует считать функционирующим (функционировавшим).

2. Концептуальная модель объекта, наделенного способностью образовывать системные структуры

Функционирование объекта связано с наличием заложенного ресурса при его создании, либо в начальный момент его функционирования, а также пополняемый из вне в процессе функционирования. Пример последнего, тип самолета, обладающего способностью дозаправки в полете (воздухе).

Полагаем, что Ob обладает специфическими каналами «Входы» и «Выходы», через которые возможно получение извне («Входы») некоторого ресурса (вещества, энергии, информации) , а также выдача аналогичного ресурса через «Выходы». На рис.1 представлена концептуальная модель объекта системы.

Полагаем далее, что всякий объект системы имеет свою внутреннюю структуру, изолирующую Ob от внешнего мира  с помощью оболочки (границы), проникновение через которую внутрь объекта для системного аналитика  (Сан) невозможно или нецелесообразно по условиям задачи исследования (проекта).

Объекту приписывается наличие конечного множества внутренних состояний {Z} с элементами zi  Z, i=1,2,...,r.

Существование реального объекта проявляется в его способности находиться в одном из возможных внутренних состояний zi  Z, а его функционирование как элемента системы проявляется  в способности принимать различные состояния z(t) в последовательные моменты t1, t2 ,..., T, которое полагается дискретным.

Особый интерес для практики представляют прикладные объекты, создаваемые, как правило, на основе проекта для решения определенных практических задач. Для таких объектов обычно  определены следующие общие свойства:

  •  наличие миссии (предназначения) как обобщенной цели создания объекта;
  •  система функций {Φ}, результатом реализации которой является вектор выходных продуктов {Prod} на соответствующем выходе объекта «Продукты»;
  •  система обеспечения функционирования объекта, поддерживаемая наличием входов для ввода ресурсов (вектор {Res} и исходного сырья (вектор {Sr};

Таким образом, функционирование Ob во времени связано с действием одного из следующих факторов:

(a) протеканием внутренних процессов в Ob, запрограммированных при его создании;

(b) состояниями вектора сигналов на входах Х1 , Х2, ...., Хn, а также векторов в {Res} и {Sr} в моменты ti  T;

(c) состоянием внешней среды, находящейся за пределами оболочки;

(d) либо совместным действием любой пары, тройки факторов или всех четырех факторов.

Полагаем также, что переход из состояния zi(t1) в состояние zj(t2), zizj в реальной системе связан с расходованием вектора ресурсов Res (res1, res1, ..., resf). Соответствующий ресурс resj Res должен быть заложен либо при создании Ob (фактор (a), либо загружаться из вне в соответствующие емкости, Vres1, ..., Vresf (случаи (b,c).

3. Функциональность прикладного объекта

Функциональность реального прикладного объекта может быть описана в виде системы зависимостей:

Prod = Φ(Sr, Res, X, Y, t),      (3)

где:

Prod = {Prodi, i=1,2,...,p}, {Sr i, i=1,2,...,s}, {Resi, i=1,2,...,r}, {Xi, i=1,2,...,m}, {Yi, i=1,2,...,n}, t – дискретное время.

Выражение (3) можно трактовать как производственную функцию объекта (ПФО), которая является описанием способности объекта выдавать один продукт, или вектор, как правило, весьма ограниченного числа (p =1,2)  простых продуктов (полупродуктов). Для обеспечения p>1, как правило, из объектов множества {Ob} создается система Ŝ.

4. Способность объекта к объединению в систему

Синтез системы (системообразование) по сути  заключается в следующем. Определяется множество объектов {}, обладающих свойством вступать в объединения.

.    (4)

Всякий элемент Obi  {Obco} обладает  следующими свойствами:

  •  наличие технологических модулей для выполнения определенных локальных технологических процессов (МДПр) либо технологических операций (МТОп);
  •  наличие интерфейсов для приема:
  •  установленного набора  ресурсов;
  •  установленного набора сырья;
  •  конечных продуктов;
    •  наличие внутренних накопителей:

ресурсов;

сырья;

  •  установленного набора конечных продуктов;
  •  наличие интерфейсов для приема значений внешних параметров (входных переменных Х);
  •  наличие интерфейсов для выдачи значений выходных параметров (выходных переменных Y).

Каждому объекту, включаемому в систему Ŝ приписываются собственные атрибуты Sri, Resi, Xi, Yi , iI, i=1,2,...ks, ks- число объектов системы.

В каждый момент t за образ системы  Obr_Ŝ(t) и состояние системы C(Ŝ(t) могут быть соответственно приняты:

Obr_Ŝ(t) = Obr_Ob1(t) Obr_Ob2(t) ..., Obr_Obks(t),   (5)

C(Ŝ(t)) = Z1(t) Z2(t) .... Zks (t).       (6)

Системообразование, на наш взгляд, заключается в  создании специфической структуры из некоторого множества выбранных объектов Ob путем создания:

  •  объединительных каналов (ОКан), связывающих выходы данного  объекта Obi  с входами других объектов Obj,, ij множества {Ob}, выбранных в качестве субстрата системы;
  •  общих для системы интегрированных хранилищ ресурсов  VSres1, VSres1, ..., VSresf;
  •  внутренних коммуникаций для транспорта ресурсов из VSres в Vres отдельных объектов – STr_res;
  •  внутренних коммуникаций и системы управления ими для транспорта продуктов и полупродуктов системы из  объектов завершения технологических операций к хранилищам (складам) системы ресурсов Skl_prodj от отдельных объектов системіSTr_prod;
  •  системы управления ресурсами распределением и транспортом ресурсов (учет, планирование, распределение, перемещение) в системе.

Общее число входов и выходов всех элементов системы определяется как Rs по формуле

,   (2)

где Ni – число объектов i-го вида, а индексы при остальных аргументах в (2) –число параметров соответствующего типа.

5. (Морфологические) Структуры сложных систем. Выбор рациональной структуры системы

Морфологическое описание позволяет создать первое представление о строении создаваемой системы. Глубина описания, уровни детализации, т.е. определение какие компоненты системы будут рассматриваться в качестве элементарных (объектов), обусловливается назначением описания системы. Морфологическое описание иерархично. Конфигурация морфологии задается на стольких уровнях, сколько их требуется для создания представления об основных свойствах системы с точки зрения САн. Морфологическое описание структуры системы может рассматриваться как модель системы нулевого уровня.

Подход к постановке и решению задач синтеза структуры основан на декомпозиции общей задачи синтеза на группу методически достаточно автономных, четко идентифицируемых более элементарных подзадач:

  1.  подзадача выбора и группировки первичных объектов, объединяемых в систему;
  2.  установление базовой архитектуры системы в целом и ее фрагментов;
  3.  определение многообразия структур и выбор рациональной (оптимальной) структуры прикладной системы.

При решении указанных подзадач может быть использован набор типовых структур, выявленных у объектов и систем различной природы:

5.1. Виды базовых структур в системах различной природы, используемых для построения структур управления

Базовыми видами структур, используемых при построении, в частности, организационных, считаются:

  •   функционально-звенная;
  •  дивизиональная;
  •  линейная;
  •   линейно-штабная;
  •   программно-целевая (проектная);
  •   матричная.

На рис. 110   приведены часто используемые в практике виды структур, «подсмотренные» исследователями систем в различных прикладных областях. Более подробно их основные свойства будут описаны, в частности, при рассмотрении административных систем (разд. )


Рис.1. Структура линейного типа.

Рис. 2. Структура иерархического (древовидного) типа.

 Рис. 3. Структура сетевого типа.

Рис. 4. Структура матричного типа.

Рис. 5. Структура типа кристаллической (пространственно-матричной).


а)

б)

в)

Рис. 6. Структуры макромолекул из кремния и кислорода (а, б, в).


5. Система межобъектных интерфейсов

Система интерфейсов, чрез которые реализуются межобъктные связи в системе может быть описаны с помощью матрицы размера Rs  Rs  или соответствующего ей графа. 

Принцип организации интегрированных хранилищ ресурсов и их распределения внутри системы приведен на рис.2. На рисунке изображениями в виде чашек обозначены хранилища ресурсов

В системе могут быть выделены объединительные каналы следующих основных типов:

  1.  каналы транспорта ресурсов – Кан_Res;
  2.  каналы транспорта сырья – Кан_Sr;
  3.  каналы транспорта продуктов – Кан_Prod.;
  4.  каналы транспорта информации, связывающие–выходы (XI) I-го объекта со  входами (XI) J-го объекта – Кан_In;
  5.  Другие.

Новые свойства система (эмержентность) может приобрести главным образом за счет создания дополнительной компоненты системы – системы управления (СУ), которая может быть создана тремя основными способами:

  •  в виде централизованной СУ– единый для всей системы узел управления – специальный объект системы;
  •  распределенный – имеется интегрированная часть СУ – отдельный объект (узел) системы и  распределенная часть – система модулей, интегрируемая в основные объекты системы (субстраты);
  •  комбинированной, с использованием обоих способов построения.

Функциональная часть системы в СС управления реализуется с помощью специфической структуры – организационной системы (синонимы: административная система, бюрократическая система и др.)

Между определенной таким образом системой и внешней средой, в качестве которой могут выступать другие системы, предусмотрены внешние магистрали, как правило, со стандартизованными интерфейсами, способными сопрягаться (стыковаться) с соответствующими системными входами (выходами), в данном случае (см. рис. 11) по передаче в систему ресурсов, а также по выводу (на рисунке не указаны) полученных в системе продуктов и отходов (продуктов утилизации).

Кроме рассмотренных,  модельное описание системы предусматривает также наличие специальных интерфейсных входов в систему для приема внешних воздействий и систему их распределения по отдельным объектам системы.

Значительная часть проблематики сложных систем связана с поиском формальных описаний рассмотренных ранее подмоделей b, - (подмодель, определяющая структуру системы) и a (подмодель, определяющая поведение системы) В частности, естественной задачей системного аналитика (САн) является получение возможной формализованной форме уравнения наблюдения y(t) = g(z(t),x(t)) и уравнения состояния системы z(t) = f(z(t0),x()); [t0,,t]. Эта задача является одной из самых сложных в СА. Ниже предлагается общий подход к формализации процесса получения таких описаний.

6. Модельное описание поведения сложного объекта

Вернемся к ранее введенным представлениям о сложной системе.

Всякому aA, являющемуся элементом системы S(A) может быть поставлен в соответствие описатель состояния элемента – вектор

,

где каждая компонента в (3) представляет компоненту описания: параметр, индикатор, переменную (выходную) и т.п.

Реальному объекту Obi ставится в соответствие  состояние – вектор Si,

каждая компонента которого является текущим значением элемента , т.е. некоторым сигналом, формируемым соответствующим рецептором.

Если, как было показано ранее описатель состояния (3) формирует вектор состояния объекта на основании показаний (значений) рецепторов, непосредственно воспринимающих значения параметров, то описатель свойств формирует то же представление на основании показаний индикатора свойств, значения которого формируются с помощью преобразователя Pr1:

Ind_Sv: Pr1(ParSv)       (5).

С понятием индикатора свойства связывается наличие регистра памяти, для запоминания значения свойства на время τ (некоторая задержка, такт). При этом полагается, что к содержимому регистра предусматривается  доступ извне, со стороны субъекта системы – системного интеллекта СИнт.

7. Специфические проблемы управления в сложных системах

Заключая изложенное выше, укажем на следующие характерные признаками сложной системы:

  •  наличие в структуре объектов, описываемых большим числом параметров (3);
  •  наличием большого количества идентифицируемых свойств, доступных для восприятия со стороны интеллекта СИнт;
  •  наличие множества различимых внутренних состояний каждого отдельного объекта и интегральных внутренних состояний системы в целом;
  •  большой номенклатурой разнотипных объектов;
  •  большим количеством связей (отношений) между объектами системы, образующими субстрат системы;
  •  разнообразием связей: на уровне сигналов, на уровне идентифицируемых свойств, на уровне связанных групп из указанных категорий;
  •  наличием большого количества входных и выходных сигналов на уровне объектов;
  •  дискретностью функционального пространства – времени T;
  •  скачкообразностью перехода системы (элемента) из состояния S(t) в состояние S(t+1) при поступлении в систему (элемент) некоторого тактового (синхронизирующего) сигнала ТС;
  •  наличием интеллекта в структуре отдельных элементов и системы в целом, ответственного за принятие управленческих решений.

В связи с указанным множеством характеристик сложности можно указать следующие основные проблемы управления в сложных системах.

П1. Построение модели поведения системы (Мод_Пов_С) в условиях:

  •  действия внешних (возмущающих) воздействий (факторов);
  •  взаимодействия элементов системы в реальном времени.

П2. Построение модели управления системой (Мод_Упр_С) по выбранному критерию эффективности в тех же условиях: оперативного У, тактического У и стратегического У.

П3. Реализация Мод_Упр_С путем построения и реализации алгоритма управления (Алг_Упр_С).

П4. Организация системы мониторинга состояния системы (Мон_С) как элемента обратной связи в контуре управления.

Следует отметить, что основным способом определения решений оперативного и тактического характера в реальных системах  является прогнозирование параметров внешних воздействий на систему и реакций ее элементов с использованием данных текущего мониторинга и их аналитической обработки. При этом Мон_С является также основным инструментом уточнения Мод_Пов_С, Мод_Упр_С и Алг_Упр_С).

Проблемы П1 и П2 могут быть решены выполнением соответствующих системных исследований и моделирования.

Проблемы П3 и П4 являются задачами концептуального проектирования и разработки проекта информационно-аналитической системы.

8. Формулировка основной  задачи  синтеза (построения) сложной системы как объекта проектирования

Создание системы связано с созданием специальных системных объектов, обеспечивающих реализацию (достижение) миссиональных (целевых) системных свойств.

К числу таких объектов могут быть отнесены многие масштабные системы, реализованные в прошлом, в частности, сеть Интернет, многие информационно-коммуникационные сети и системы. Более подробно некоторые из них будут описаны в разд.

В достаточно общей форме может быть дана ее постановка в следующих вербальных формулировках.

А. Для собственно функциональной (произвоственной) подсистемы: создание интегрирующих системы объектов и средств для объединения элементов (объектов) в интегрированную технологическую среду путем создания: общей системы накопления ресурсов – хранилищ ресурсов Хр_Resi; i I путем создания:

  1.  системы ресурсопроводов, обеспечивающих подачу Resi  на ресурсные входы элементов потребителей ресурса;
  2.  системы накопления специальных производственных ресурсов – сырья – складов сырья (Скл_Sr);
  3.  системы распределения и доставки Srj к объектам производственного потребления;
  4.  системы накопления (складирования) продуктов Prod;
  5.  системы регистрации и первичного накопления на объектах;
  6.  других интегрирующих систем.

Б.Для системы поддержки управления создание системы контуров управления (регулирования), в том числе:

  1.  создание распределенной системы управления локальными процессами на объектах, направленных на получение продуктов, или полупродуктов (полуфабрикатов);
  2.  создание централизованной системы управления глобальными процессами в системе (ее централизованной части);
  3.  систему распределения, накопления и обработки информации, связанной с функциями управления и принятием решений.
  4.  системы инфопроводов, обеспечивающих транспортировку информации (значений параметров, индикаторов и т.п.) от источников к потребителям.

В. Для обеспечения внешних связей с суперсистемой, в том числе:

  1.  системы внешних транспортных систем для подачи в систему ресурсов и сырья;
  2.  системы внешних транспортных систем для выдачи во внешние системы продуктов данной системы и др.
  3.  системы внешних инфопроводов, обеспечивающих транспортировку информации к структурам внешней суперсистемы от данной системе.
  4.  системы внешних инфопроводов, обеспечивающих транспортировку информации от внешней суперсистемы (значений параметров, индикаторов и т.п.) от источников к потребителям;
  5.  другие системы данного вида.

Унификация интерфейсов всех ресурсопроводов, продуктопроводов и инфопроводов и соответствующих транспортных систем обеспечивает исходные условия их объединения в сеть.

Целевую ориентацию системы и оптимизацию управления обеспечивает создание в структуре системы интеллектуальных центров управления (ИЦУ).

Все указанное выше образует инфраструктуру сложной системы заданной функциональности.

Вопросы для самопроверки:

  1.  Концепция существования реального объекта во времени и пространстве
  1.  Концептуальная модель объекта, наделенного способностью образовывать системные структуры
  1.  Функциональность прикладного объекта
  1.  Способность объекта к объединению в систему
  1.  Морфологические структуры сложных систем. Выбор рациональной структуры системы
  1.  Виды базовых структур в системах различной природы, используемых для построения структур управления
  1.  Система межобъектных интерфейсов
  1.  Модельное описание поведения сложного объекта
  1.  Специфические проблемы управления в сложных системах
  1.  Формулировка основной  задачи  синтеза (построения) сложной системы как объекта проектирования
  1.  Формулировка для собственно функциональной (произвоственной) подсистемы
  1.  Формулировка для системы поддержки управления создание системы контуров управления (регулирования)
  1.  Для обеспечения внешних связей с суперсистемой


Решения по созданию целевой (производственной) системы

Решения по созданию системы управления процессами

Решения для обеспечения внешних связей с суперсистемой

Другие решения, специфичные для конкретной создаваемой системы

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58416. Культура XVI-XVII вв 52.5 KB
  Памятники культуры: Церковь Вознесения в Коломенском Храм Покрова Богородицы на Рву Московский Кремль Смоленский Кремль Успенский собор Московского Кремля Благовещенский собор Московского Кремля Архангельский собор...
58417. Пожарная безопасность шахт. Виды горения 42 KB
  Материалы по степени возгораемости классифицируются на: негорючие; трудногорючие; горючие. Негорючие материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются не тлеют и не обугливаются. К искусственным – цемент бетон железобетон кирпич стекло металл...
58419. Образний зміст музики. Характер людини в музичному образі. Вступ. Образний зміст музики 431.5 KB
  Музичні образи у творчості М. Лисенка Музичні образи втілюють засобами різних жанрів фортепіанної хорової симфонічної чи оперної музики. Пригадайте які образи створив Микола Лисенко у таких знайомих вам творах: Рапсодія № 2 для фортепіано увертюра до опери Тарас Бульба€.
58420. АВТОКОРЕЛЯЦІЙНІ МОДЕЛІ ДИСКРЕТНИХ ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ 74.5 KB
  На даній лабораторній роботі ми навчились будувати автокореляційні моделі дискретних джерел інформації на основі Знакової функції ,полярної функції,нормованої функції, структурної функції ,модульної функції автокореляції.
58421. Ломаная. Замкнутая ломаная. Треугольник 86.5 KB
  – Как получить последующее число На сколько последующее число больше предыдущего Как получить предыдущее число Пройдите по числам вперед и назад. Запишите сколько здесь кривых линий. Сколько замкнутых Сколько незамкнутых Сколько всего кривых Запишите.
58422. Инфинитив и причастие как дополнение. Союзы either … or, neither … nor. Возвратные и усилительные местоимения 81.5 KB
  I want you to translate the text. Я хочу, чтобы вы перевели текст. We knew him to be busy. Мы знали, что он занят. I heard him speak. Я слышал, как он говорил. We did not see him come in. Мы не видели, как он вошел. В аналогичную конструкцию может входить не только инфинитив, но и причастие...
58423. Определение геометрических размеров проточной части компрессора, числа ступеней, геометрии лопаточных венцов 826.5 KB
  Для расчёта заданы частота вращения ротора КНД 7800 об/мин, КВД 8600 об/мин, расход рабочего тела 86,7 кг/с, полные давление и температура перед КНД 101,33 кПа, 288 К, перед КВД 423,3 кПа, 454,1 К степень повышения давления в КНД 4,26 в КВД 5,16.
58424. ПРОЕКТ СОЗДАНИЯ ТУРИСТСКОГО ПРОДУКТА «НАРОДНАЯ МЕДИЦИНА ЯКУТОВ» ДЛЯ «ИНТЕРКРОСС+» 630 KB
  Медицинский туризм интересен тем, что помимо релаксирующего отдыха и развлечений, турист получает не только занимательную историю народа и города в целом, но и качественное лечение, с использованием традиционных и нетрадиционных методик...