Методология системных исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методология системных исследований

План

1. Формирование общих представлений о системе

2. Углубленное изучение системы

3. Моделирование системы как этап исследования

4. Сопровождение системы

5. Особенности создания новой системы

1. Формирование общих представлений о системе

Усвоив основные определения системного анализа и принципы системного подхода, можно переходить к методологии системных исследований. Обобщенная методика его проведения выражается в виде последовательных стадий и приемов, которые выполняются в большинстве случаев. Это достаточно абстрактная схема, поэтому при работе с конкретной системой можно приведенной последовательности придерживаться не очень строго.

Работа по системному анализу начинается с формирования общих представлений о системе. Здесь возможны следующие этапы.

1. Выявление главных функций (свойств, целей, предназначения) системы. Формирование или выбор основных предметных понятий, используемых в системе.

На этой стадии речь идет об уяснении основных выходов в системе - именно с этого лучше всего начинать ее исследование. Должен быть определен тип выхода: материальный, энергетический, информационный. Они должны быть отнесены к некоторым понятиям: физическим или иным.

Так, выход системы лесхоз - это продукция. Сразу определяем - какая. Или это прирост запаса древесины, или сбережение леса, или кубометры заготовленных деловых сортиментов и т.д. Скорее всего, все вместе. В этом плане работать с системой «лесхоз» даже сложнее, чем с системой «завод», особенно однопрофильной. Хотя объемы выходов в лесхозе обычно меньше, но сами выходы весьма разнородны, причем часто не однозначны с наличием противоречий между разными выходами. В качестве примера назовем заготовку древесины и сохранение биоразнообразия. Известно, что вырубка древесины по главному пользованию, особенно при сплошнолесосечной системе ведении хозяйства, видет к снижению биоразнообразия. Нам же его требуется сохранить.

Выходом АСУ являются сигналы. Сразу ставим вопрос - какие? Выход проектного учреждения (того же лесоустроительного предприятия) - проектная документация. Тот же вопрос - какая, для чего? Выход системы «двигатель» -мощность - какая - механическая, электрическая и т.д.

2. Выявление основных частей (модулей) системы и ее функций. Понимание единства этих частей в рамках системы.

На этой стадии происходит первое знакомство с внутренним содержанием системы, выявляется из каких крупных частей она состоит и какую роль играет каждая часть в системе. Это стадия получения первичных сведений о структуре и характере основных связей.

Такие сведения удобно представлять и изучать при помощи структурной схемы системы. Для этого находим характер соединения частей (последовательный или параллельный), определяем его преимущества и недостатки. Рассматриваем взаимодействие между частями системы. Смотрим, каковы они: взаимные взаимодействия или преимущественно односторонние.

На этой стадии надо обратить внимание на системообразующие факторы, т.е. на связи, взаимообусловленности, которые и делают систему системой.

Продолжим рассматривать в качестве примера лесхоз. Какие части или модули есть в системе «лесхоз»? Видимо, это лесничества. Сюда в большинстве лесхозов добавятся цеха по переработке древесины, а в некоторых из них и по заготовке и переработке недревесной продукции леса. Модулем можно считать отделы лесхоза и лесничества. Ключевую роль в нашей системе играют лесничества. Именно от их работы зависит основной результат деятельности лесхоза.

Нарисуем схему системы «лесхоз» (рис. 4.1).

На приведенной схеме «лесхоз» видим последовательные и параллельные соединения частей. Проанализировав их взаимодействие, заметим, что влияния в основном односторонние при наличии обратной связи.

3. Выявление основных процессов в системе, их роли, условий осуществления; выявление стадийности, скачков, смен состояний и т.п. в функционировании системы. В системах с управлением требуется выделение (выявление) основных управляющих факторов.

На этом этапе изучается динамика важнейших изменений в системе, ход событий в ней, вводятся параметры состояния, рассматриваются факторы, изменяющие эти параметры и обеспечивающие течение процессов, условия начала и конца процессов и т.д. Изучается управляемы ли процессы и способствуют ли они осуществлению системой своих главных функций. Для управляемых систем уясняются основные управляющие воздействия, их тип, источник и степень влияния на систему.

Рис. 4.1. Схема системы «лесхоз».

Продолжая анализировать взятую для примера систему «лесхоз», уточним основные процессы, идущие в системе. Основной процесс - это управление лесными ресурсами путем посадки леса, рубок ухода, рубок главного пользования, борьбы с вредителями, пожарами, охраны леса от самовольных порубок. Сюда же войдет охрана и воспроизводство фауны, лесоохотничные мероприятия, рекреационное обустройство лесов и т.д.

Затем анализируем условия осуществления этого управления: наличие кадров, техники и т.д. Стадийность, смена состояний в отдельных процессах здесь тоже видна. Так, в одних процессах (модулях) присутствует сезонность (лесовосстановление, пожары), в других этой сезонности нет, например, лесозаготовки и переработка древесины ведутся круглый год.

Основные управляющие факторы в системе «лесхоз»: проект организации и развития лесного хозяйства, текущий план, устав предприятия, где расписано, что оно делает и как управляется, приказы и распоряжения директора, лесничего. Их изучение показывает, что процессы в системе вполне управляемы.

Подробное рассмотрение какого-либо процесса в системе «лесхоз» проследим на примере главной рубки леса. Здесь есть начало процесса (подготовка лесосеки, выписка лесорубочного билета), его конец (освидетельствование лесосеки), ускорение, замедление обратная связь - все это мы можем регулировать. Каковы в лесхозе основные управляющие воздействия? Это сдельная зарплата, приказы, поощрения, наказания (какие?) и т.д. и т.п.

4. Выявление основных элементов «не системы», с которыми связана изучаемая система и их связей.

На этой стадии изучают основные внешние воздействия на систему - входы. Устанавливают их тип, т.е. являются ли они вещественными, энергетическими, информационными. Определяют степень входа каждого влияния на систему, основные их характеристики. Фиксируют границы системы, находят элементы «не системы», на которые направлены основные выходные воздействия.

Здесь же можно проследить путь формирования системы и ее эволюцию. Иногда именно это ведет к пониманию структуры и особенностей функционирования системы. Такой анализ важен при изучении естественных систем. На этой стадии мы должны хорошо уяснить главные функции системы, ее зависимость и уязвимость или относительную независимость во внешней среде.

Продолжим пример с рассмотрением системы «Лесхоз». Каковы здесь будут основные элементы «не системы», с которыми наиболее связана наша система? Это Министерство лесного хозяйства, ПЛХО, местные органы управления Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды, инспекция по охране животного и растительного мира при Администрации Президента Республики Беларусь, различные иные контролирующие органы, администрация района, те предприятия, которые расположены на территории, где протекает деятельность лесхоза, потребители продукции, милиция и суд, пожарная охрана и т.д.

Степень влияния большинства из них на работу лесхоза высокая. Иерархия этого влияния соответствует месту каждого элемента «не системы» в иерархической государственной структуре управления. В то же время нельзя преуменьшать роль потребителей продукции лесхоза. Хотя они могут и не занимать высокого положения в иерархической структуре управления, от потребителей древесины и другой продукции лесхоза зависит его экономическое положение.

Основные элементы «не системы», на которые направлены основные выходные воздействия системы «лесхоз»: население (потребители), предприятия, ПЛХО, местная администрация и контролирующие органы и т. д. Таким образом, система «лесхоз» зависит от многих элементов «не системы» (каких?), в то же время имеет устойчивость, основанную на использовании местного сырья, ее нужности людям (народному хозяйству), наличию подготовленных местных кадров и т.д.

Рассмотрим теперь взаимодействие естественной системы с «не системой». Для примера возьмем лесное насаждение. На него влияют многие биотические, абиотические и антропогенные факторы. Вряд ли следует подробно описывать зависимость роста и развития древостоя от температуры, увлажненности (осадки), влияние ураганов и сильных морозов. Все эти воздействия зарождаются и существуют вне системы «лес», «лесное насаждение».

Примером биотических воздействий «не системы» может служить выпас скота в лесу, что приводит к деградации подроста. Домашний скот не входит в систему «лес». Правда, в настоящее время в Беларуси выпас скота в лесу встречается редко. Но в прежние годы он был широко распространен. Во многих странах, особенно развивающихся, это настоящий бич лесных насаждений. Значительное воздействие на лес оказывают дикие парнокопытные животные: лоси, олени, косули, кабаны. Их очень высокая численность ведет к деградации лесных биоценозов. На территории Уссурийского края России значительный урон лесным насаждениям наносят обильные там мышевидные грызуны, почти целиком уничтожающие семена и плоды деревьев и кустарников.

К антропогенному влиянию «не системы» отнесены промышленные выбросы, рекреационные нагрузки и главное - рубки леса. При анализе системы «лес», «лесное насаждение» эти важные воздействия требуется учитывать.

5. Выявление неопределенностей и случайностей, если они могут оказывать существенное влияние на систему.

Рассмотрим подробнее неопределенности и случайности в системе «лесхоз». Их в работе лесхоза много, и они оказывают существенное влияние на работу этой системы. Назовем некоторые из них.

Погодные условия. Мы точно не можем сказать, будут ли они нам благоприятны в текущем году. От погоды зависит успешность выращивания посадочного материала, рост и приживаемость лесных культур, количество и площадь пожаров. По большому счету от погоды зависит и текущий прирост, но в работе лесничего и директора лесхоза он пока не учитывается так, как это должно было бы быть. От погоды зависят условия лесозаготовок и вывозки древесины.

Второе - политическое положение, законодательство и т.д. В общем, это должны быть достаточно определенные и стабильные вещи, что имеет место в нашей стране. В Беларуси принят Лесной кодекс, разработана четкая система нормативных документов по ведению лесного хозяйства.

Второй неопределенностью в системе «лесхоз» являются условия финансирования. Здесь тоже все должно быть четко прописано. Но той определенности как в первом случае здесь нет и, как правило не бывает. Это связано с тем, что финансирование в значительной мере зависит от спроса и предложения на продукцию лесхоза, организацию им менеджмента, покупательной способности потребителей и многих других причин. С развитием рыночных отношений финансовое положение лесхозов становится лучшим, но и неопределенность возрастает. Бюджетное финансирование было более скудным, но устойчивым и определенным.

В естественных системах, например биологических, неопределенность проявляется в неполной детерминированности происходящих процессов. Для примера можно взять размножение и происходящую при этом передачу наследственных признаков. Велика неопределенность и при влиянии различных элементов «не системы», на будущее потомство: его выживаемость, условия развития и т.д.

Кадровые и социологические проблемы часто тоже бывает не всегда определенными: отношения в иерархии начальник - подчиненный и т.д. Все это нам надо учитывать, планируя получить желаемый выход системы, т. е. чтобы достичь поставленной цели.

Этой стадией заканчивается формирование общих представлений о системе. Как правило, этих представлений оказывается мало. Поэтому дальше идет углубленное изучение системы.

2. Углубленное изучение системы

Оно складывается из нескольких позиций, а именно:

Выявление разветвлений структуры, иерархии, рассмотрение системы как совокупности модулей, связанных входами - выходами.

Выявление элементов и связей, важных для рассмотрения. Их отнесение к структуре иерархии в системе. Ранжирование элементов и связей по их значимости.

Стадии 1 и 2 при углубленном изучении системы тесно связаны между собой. Стадия 1 - это предел познания «внутрь» достаточно сложной системы для лица, оперирующего с нею целиком. Более углубленные знания (стадия 2) будет иметь уже только специалист, отвечающий за отдельные части системы. Для не очень сложного объекта уровень стадии 2 - знание системы целиком - достижим и для одного человека.

Таким образом, обе стадии говорят об одном и том же, но в первой из них мы ограничиваемся тем разумным объемом сведений, который доступен одному исследователю.

При углубленном изучении нужно выделить именно существенные для нас элементы (модули) и связи, отбрасывая все то, что не является важным. Это сделать не всегда просто, т. к. нередко заранее не известно, что окажется более, а что менее важным. Поэтому процесс отделения важного от второстепенного часто протекает трудно. Детализация должна затронуть и уже рассмотренную связь системы с «не системой». На стадии 2 совокупность внешних связей считается проясненной настолько, что мы имеем право говорить о доскональном знании системы.

Перечисленные выше две стадии углубленного анализа системы подводят итог общему, цельному ее изучению. Дальнейшие стадии рассматривают только отдельные стороны системы. Поэтому, закончив изучение в рамках описанных стадий, надо еще раз обратить внимание на системообразующие факторы, на роль каждого элемента и каждой связи, на понимание, почему они именно таковы или должны быть именно таковы с точки зрения единства системы.

Пример системы «лесхоз» для обоих стадий углубленного рассмотрения слишком прост. Здесь один человек вполне может охватить взглядом всю систему - вплоть до лесников и рабочих. В лесхозах Беларуси обычно 6-12 лесничеств, имеющих по 2-3 мастерских участка, в которые входит по 4-6 лесников. Всего средний лесхоз занимает около 70-80 тыс. га, имеет 100-150 лесников, 60-120 ИТР и служащих лесничеств, 12-16 работников лесхоза. В цехах переработки древесины трудятся в среднем 40-100 человек. Рабочих во всех лесничествах насчитывается от 40 до 200 человек. Итак, всего в лесхозе работает примерно 400-600 человек.

Но уже проанализировать все элементы (детали) в системе всего лесного хозяйства Беларуси, даже в конкретном ПЛХО одному человеку невозможно. Поэтому на высшем иерархическом уровне управления лесным хозяйством нашей страны необходимо при анализе системы «лесное хозяйство» ограничиваться стадией 1. Сказанное подтверждается сведениями о структуре отрасли «лесное хозяйство» и численности ее работников. В состав Министерства лесного хозяйства входит 6 ПЛХО, 92 лесхоза, примерно 850 лесничеств, проектные учреждения: Белгослес, Белгипролес, и другие организации и службы. Всего в системе «лесное хозяйство» трудятся около 40 тысяч работников.

Ранжирование элементов в системе «лесхоз» достаточно просто и идет по иерархии: директор - лесничий - мастер - лесник с разветвлением: инженер, рабочий и т. д. Поэтому деление системы для ее детального анализа отдельными исполнителями будет целесообразны при рассмотрении или создании других, более сложных чем лесхоз систем. Ранжирование элементов системы необходимо и при решении исследовательских задач, связанных с природными объектами.

Если мы рассматриваем систему управления отраслью (пусть того же лесного хозяйства), то здесь руководитель может успешно владеть только общими сведениями и в случае необходимости углубляться в отдельные частности. Например, в Министерстве могут анализировать какое-либо крупное нарушение или достижение в конкретном лесхозе. Дойти до знания всех деталей работы подведомственных предприятий руководитель отрасли физически не в состоянии, да это и не требуется.

Изучая сложную природную систему «лес», один человек может получить только весьма общие знания о ней: деревья, кустарники, трава, почва, фауна и т. д. В зависимости от решаемой задачи при рассматривании системы необходим анализ стадии 1 или 2 при углубленном изучении. Можно подойти к декомпозиции леса и но другому: изучать древесину, пни, сучья, живицу, ягоды, грибы, охоту и т. д. Но вникнуть в суть, изучить досконально каждый модуль (элемент) системы одному человеку трудно. Поэтому деревьями занимаются дендрологи, ассимиляционным аппаратом - физиологи, травами - ботаники, почвой - почвоведы, фауной - зоологи и т. д.

Если смотреть на лес как на систему в потребительском плане, то древесина и пни интересуют лесозаготовителя, ягоды - потребкооперацию и население, звери - охотников и т. п.

Таких примеров очень много из всех областей знания.

3. Учет изменений и неопределенностей в системе. На этой стадии исследуется медленное, как правило, нежелательное изменение свойств системы, которое принято называть «старением», а также возможности замены отдельных частей (модулей) на новые, позволяющие не только противостоять старению, но и повысить качество системы по сравнению с ее первоначальным состоянием. Такое совершенствование искусственной системы называют развитием. К нему также относят улучшение характеристик модулей, подключение новых модулей, накопление информации с целью ее лучшего использования, а иногда и перестройку структуры, иерархии, связей.

Основные неопределенности в стохастической системе считаются исследованными при формировании общих сведений о системе (раздел 4.1., п. 5). Однако недетерминированность всегда присутствует и в системе, не предназначенной работать в условиях случайного характера входов и связей. О приемах учета неопределенностей и случайностей мы говорили, когда обсуждали принципы системного анализа. Здесь только добавим, что учет неопределенностей в этом случае превращается в исследование чувствительности важнейших свойств (выходов) системы. Под чувствительностью понимаем степень влияния изменения входов на изменение выходов.

В подобных случаях наиболее удобно брать примеры из техники или из опыта создания автоматизированных систем управления. Но есть примеры и из нашей отрасли. Приведем те и другие.

Рассмотрим систему «автомобиль». При его проектировании и разработке обязательно учитывают, что узлы и агрегаты, отдельные детали (модули, элементы) изнашиваются, т. е. стареют. От этого система (автомобиль) приобретает нежелательные свойства: увеличивается расход топлива, снижается надежность, безопасность и т. д., вплоть до остановки. Поэтому через какое-то время предусматривается замена деталей и узлов, т. е. модулей и элементов системы. При этом более простые и дешевые детали меняют скорее и чаще, чем более дорогие и сложные. Так, свечи меняют чаще, чем блок цилиндров; резину - чаще, чем задний мост и т. д. В ряде случаев замена модулей приводит к лучшей работе системы, чем исходная. Скажем, замена двигателя на очень старых автомобилях на моторы от современных автомобилей (такая практика есть) повышает экономичность автомобиля и улучшает другие его качества. Иногда это требует перестройки всей структуры и связей системы. Например увеличение мощности двигателя требует усиления ходовой части.

Автомобиль должен быть прогнозируемой системой. Здесь нежелательны неопределенности типа - заведется или нет, послушается руля или нет, т.е. наша автомашина (система) не предназначена работать в условиях случайного характера и выходов. Но все же иногда главные закономерности нарушаются, т.е. детерминированность системы вдруг не проявляется, и в самый нужный момент автомобиль не заводится, или еще хуже - отказывает рулевое управление. Поэтому такие варианты должны быть предусмотрены и исследованы. Для того, чтобы избежать названных случайностей, делают профилактические ремонты и техосмотры.

Рассматривая в этом же плане систему «лесхоз», видим, что основные закономерности, касающиеся изменений и неопределенностей в системе есть и здесь. Работники стареют. При долгой работе свыкаются с какими-то недостатками. Чтобы исправить погрешности в работе, иногда нужна «новая метла». Старение и выбытие (уход) кадров, а также их замену мы должны предусматривать и планировать при рассмотрении работы лесхоза на достаточно отдаленную перспективу При этом иногда приходится менять целый «блок», например, директора, его заместителей и т. д.. Если дела идут плохо, то, чаще всего, именно новые люди значительно улучшают работу предприятия. система модуль моделирование изучение

Иногда нужна не только замена людей, но и структурная перестройка. Это бывает, когда какая-то часть системы (или она вся) выработала свой ресурс и не может эффективно работать. Так, в лесном хозяйстве России уже произошла замена больших блоков и модулей в системе управления отраслью. Исчезло Министерство лесного хозяйства, практически исчезают лесхозы. Фактически в России уже почти произошла (завершается) замена системы «лесное хозяйство» на другую при сохранении старого названия. Реакция лесной общественности на проведенную замену неоднозначна, а какова ее эффективность покажет будущее.

В лесхозе иногда надо укрупнить или, наоборот, разукрупнить лесничество, отдел, цех. Особенно часто такие смены происходят при проведении макроэкономических реформ. Например, в Литве после распада СССР изменилась вся структура управления лесной отраслью. Лесничества стали небольшими. Появилась система управления частными лесами и т.д.

Хотя система «лесхоз» не должна давать сбои в управлении, но в работе случается всякое: проявляется недисциплинированность, кто-то не в состоянии решить поставленные задачи и т. д. Потому должна быть (и есть) профилактика: проверки, ревизии, поощрения, наказания. Все это делается для того, чтобы система была надежной.

4. Следующий этап - это исследование функций и процессов в системе с целью управления ими. Сюда относится введение управления и процедур принятия решения и анализ управляющих воздействий как системы управления.

Для целенаправленных и других систем с управлением данная стадия имеет большое значение. Основные управляющие факторы рассмотрены были раньше, когда выявляли основные процессы в системе и происходящие в связи с этим изменения (см. 4.1., п. 3). Но там это носило характер общей информации о системе. Для эффективного введения или изучения их воздействий на функции системы и процессы в ней необходимо глубокое знание системы. Именно поэтому мы говорим об анализе управлений только сейчас, после всестороннего рассмотрения системы.

Вспомним, что управление может быть очень разнообразным по содержанию - от команд управляющего компьютера (где-то в производственном процессе или на технологический линии) до приказов министра. Возможность единообразного рассмотрения всех целенаправленных вмешательств в поведение системы позволяет говорить уже не об отдельных управленческих актах, а о системе управления, которая тесно переплетается с основной системой, но четко выделяется в функциональном отношении.

На данной стадии выясняется где, когда и как (в каких точках системы, в какие моменты, в каких процессах, скачках, выборах из совокупности, логических переходах и т. д.) система управления воздействует на основную систему, насколько это эффективно, приемлемо и удобно реализуемо. При введении управлений в системе должны быть исследованы варианты перевода входов и постоянных параметров в управляемые, определены допустимые пределы управления и способ их реализации.

В качестве примера можем взять составление лесоустроительного проекта. Здесь система управления будет заключаться в подаче определенных управляющих сигналов (распоряжений) на разных этапах работы. В эту систему входит и первое техническое совещание и, особенно, первое лесоустроительное совещание, на котором принимаются ответственные решения о том как, каким образом и с какой детализацией будет проведено лесоустройство, какие нормативы будут использованы, схема деления лесхоза на составные части (лесничества, кварталы) и т. д. При проведении подготовительных работ к лесоустройству делается корректировка тех или иных действий и решений, если оказывается, что так будет лучше. Затем организуют полевые работы: назначается один или два начальника партий, подбираются исполнители, организуется база (табор), даются команды на закупку и завоз продуктов, инструментов, оборудования, документации и т. д. В процессе полевых работ ведется постоянный контроль за объемами и качеством работ со стороны начальника партии и руководства лесоустроительного предприятия, а также и по линии лесхоза. Оперативно принимаются и проводятся в жизнь управляющие решения: переделать низкокачественную работу, провести дополнительное обследование спорных объектов, добавить исполнителей, если лесоустроительная партия не укладывается в отведенные сроки, и т. д.

Эта же система управления функционирует и на стадии камеральных работ. Вверх (руководству предприятия) и в сторону (в «не систему», т.е. лесному хозяйству) постоянно идет информация о состоянии дел, и в соответствии с этой информацией принимаются решения. Так, в порядке вещей будет неоднократное согласование с ПЛХО и Министерством лесного хозяйства величины расчетной лесосеки и объемов других лесохозяйственных мероприятий. Делается это обычно еще на этапе проектирования и утверждается вторым лесоустроительным совещанием. Работа по согласованию продолжается, поднимаясь все выше по иерархической лестнице управления лесным хозяйством, вплоть до проведения экологической экспертизы органами Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды и утверждения проекта на научно-техническом совете Министерства лесного хозяйства.

Исследования (и публикации) по системному анализу выполнялись в основном математиками. Употребление этой дисциплины пока в большей мере сосредоточено в таких науках как кибернетика, математика, физика, программирование, в последние годы - экономика. Поэтому наиболее часто в литературе мы находим примеры по разработке систем управления (подача управляющих сигналов) в сложных системах, реализуемых в компьютере и имеющих выход на некоторый внешний модуль, т. е. на внешнюю «не систему». Так, когда оператор (диспетчер) на пульте управления вводит данные об изменении условий функционирования системы (или они поступают в виде сигналов от датчиков), то программа включает соответствующий блок (модуль), и АСУ выдает соответствующий сигнал (электрический) станку с ЧПУ, линии; а также, звуковой (на динамик) или зрительный (на табло) и т.д. Пока именно такое применение системного анализа в формализованном виде находит наиболее широкое применение.

3. Моделирование системы как этап исследования

В настоящей работе мы подробно не касаемся вопросов моделирования, разработки моделей и т.д. По этой дисциплине на лесохозяйственном факультете есть специальный курс. Поэтому вопросы моделирования студенты старших курсов и специалисты-лесоводы знают, во всяком случае, должны знать. Известно, что моделирование в системном анализе занимает центральное место. Более того, системный анализ просто немыслим без моделирования.

Имеются различные определения моделей. В лесном хозяйств наиболее употребляемой является формулировка, предлагаемая К.Е. Никитиным и А.З. Швиденко [], со ссылкой на В.А.Штоффа []. Модель определяется как мысленно представляемая или материально реализуемая система, которая, отображая или воспроизведя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте. В.А. Губанов, В.В. Захаров, и А.Н. Коваленко [] дают иное определение: "Модель - это формальное описание тех особенностей системы, которые существенны для целей исследования". Есть и другие формулировки моделей.

Модели бывают общие и конкретные. Есть модели с управлением, имитационные и т.д. Хотя подробно этот вопрос здесь не рассматривается, но надо отметить, что моделирование - это важный и специфический этап исследования сложных систем. О создании модели можно говорить только после полного изучения системы. Поэтому эту сторону системного анализа есть смысл рассмотреть, хотя бы в самом общем плане.

При введении совокупности моделей для описания системы опять повторяется ее рассмотрение с целью удобного анализа свойств сложной системы. С помощью моделей необходимо создать описание системы, пригодное для предсказания ее поведения и вывода неочевидных свойств. Надо четко осознать величину (уровень) огрубления и приближенности, которые несет в себе любая модель.

Моделирование сложных систем идет не сверху, то есть не от глобальной функции и выделения основных частей, а снизу с построения моделей для отдельных процессов, для простых модулей нижних иерархических уровней. Только потом на основе разумного усложнения моделей и перехода к их совокупностям моделируются все более крупные модули и, наконец, вся система в целом. Для последней может оказаться полезным и построение макромоделей. Следовательно, при моделировании в системном анализе предпочитают использовать индуктивный метод познания.

Например, надо сделать модельное описание древостоя. Сначала мы устанавливаем относительно простые связи:

Н=ѓ(Д)

т.е. зависимость между высотой и диаметром:

F=ѓ(H)

связь формы ствола с высотой:

G,M=ѓ(H,П)

т.е. величину суммы площадей сечения или запаса в зависимости от средней высоты и относительной полноты и др. Затем находим более сложные многомерные модели: например

F=ѓ(Н1 q2), D=(А,Б,П)

т.е. зависимость видового числа от средней высоты и второго коэффициента формы, а среднего диаметра от возраста древостоя, показателя условий произрастания и полноты и т.д. Первоначально эти и другие связи моделируем для отдельного дерева, а затем переходим к их совокупности - древостою, используя различные специфические приемы: метод среднего дерева и т.д. Лишь после установления всех более простых связей проводим их обобщение, составляя таблицы хода роста, где все закономерности между таксационными показателями должны быть смоделированы и взаимоувязаны.

Часто анализ сложных систем проводят, используя и дедуктивные методы. Берут какую-то общую модель (общее положение, закон, закономерность) для последующего вывода из нее нужной конкретной модели. Такая процедура обычно включает упрощенное, эмпирическое или вполне обоснованное (теоретическое) уточнение вида функции и ее параметров т.е. коэффициентов. Близким к дедукции является моделирование по аналогии - используют как основу сходную систему или ситуацию. Хотя здесь есть опасность перенести свойства иной системы на рассматриваемую, но метод может быть очень полезен, если провести критический анализ модели, использованной как основа.

Примером дедуктивного подхода служит исследование динамики древостоев с применением общих закономерностей роста. Например, известно, что рост древостоев в высоту описывается некоторой S - образной кривой. Это значит, что в раннем возрасте древостой растет медленно, затем рост ускоряется, а в старом возрасте он замедляется вплоть до полного прекращения. Поэтому достаточно взять некоторую общую ростовую функцию, например уравнение В.Н. Дракина и Д.И. Вуевского, вида

у=а₀(1 - e^-kA)^m

и приспособить ее для описания хода роста древостоев конкретной породы в заданных условиях местопроизрастания.

В данном случае достоинства общих моделей состоят в том, что они отражают основные стадии роста большинства организмов: рост начинается в точке начала координат, затем идет его ускорение, а в конце жизни почти полное замедление, т.е. кривые имеют S - образный вид. Путем видоизменения приведенной формулы и подбора соответствующих коэффициентов схожими функциями описывают динамику высоты древостоя, его диаметра, запаса и т.д. Здесь мы, двигаясь от общих законов роста, переходим к описанию конкретного элемента системы, скажем, выражаем величину высоты древостоя от возраста, т.е.

H = ѓ(A)

В лесном хозяйстве более широкое применение находят индуктивные модели, т.е. те общие законы и закономерности, которые выведены из частных. К ним относятся как создание принципиально новых моделей, так и эмпирическое моделирование, т.е. когда без достаточных научно-теоретических обоснований получают формальное описание некоторого процесса по экспериментальным данным.

Примеров здесь более чем достаточно. В основном все уравнения, которые выводят студенты по своему эмпирическому материалу, собранному на практике по таксации, лесоводству и другим дисциплинам, относятся к этому классу моделей. Этими же типами моделей пользуются для описания районных особенностей хода работ, связи товарности древостоя с его диаметром и высотой и т.д.

Обобщение частных моделей и выведение на этой основе общих законов, закономерностей и описывающих их моделей встречается гораздо реже и, как правило, бывает серьезным научным достижением. Например, изучение особенностей динамики и продуктивности сосны и ели при совместном произрастании, проведенное в институте леса НАН Беларуси на материал более чем 600 пробных площадей в разных типах леса, позволило установить, что названные древесные виды при совместном произрастании имеют примерно одинаковую продуктивность в мшистом, черничном и кисличном типах лесах. Более интенсивный рост сосны, выражающийся в более высоком классе бонитета этой породы против ели, компенсируется у последней лучшей полнодревесностью и густотой древостоя [].

В моделировании сложных систем надо найти грань разумной достаточности. Часто не нужны чрезмерная точность и подробность, т.к. это связано с большими затратами. Излишне подробная и точная модель обычно бывает неустойчивой. Она хорошо выражает конкретные особенности и изменения исходного материала, но далеко не всегда отражает общие закономерности. С другой стороны слишком простая модель не опишет существенные качественные особенности системы и приведет к неверным выводам.

Например, парабола второго порядка

у = а₀ + a₁x + a₂x²

оказывается слишком «жесткой» для отражения связи Н=ѓ(Д). Она обычно занижает значения функции в начале и завышает их в конце ряда []. Но и полиномы слишком высоких степеней, например

у = а₀ + a₁x + a₂x² + а₃х³ + а₄х⁴ + а₅х⁵ + а₆х⁶

очень хорошо описывая конкретный экспериментальный материал, не пригодны для корректного моделирования. Их вывод требует избыточных усилий по реализации, особенно в части проведения дополнительных замеров (это не столь важно, хотя надо учитывать), а, главное, они не будут отражать общие закономерности. Разумная грань лежит где-то посредине и выражается полиномами 3, иногда 4 порядка.

4. Сопровождение системы

Созданием системы не оканчиваются работы по ее совершенствованию. Она должна пройти опытную проверку в процессе эксплуатации. На этой стадии может быть выявлено несоответствие между ожидаемым поведением системы и результатами ее функционирования. В этом случае требуется вносить изменения. Надо заново проанализировать структуру и иерархию сложной системы, достаточность и верность связей между ними. Только опыт выявляет слабые и сильные стороны системы.

Например, при конструировании машин, например, уже ранее упомянутой лесопосадочной автоматической машины - ИЛАНА, только воплощение ее в металле и испытание на полигоне позволили устранить все погрешности конструкции и изготовления. Поэтому в подобных случаях предусматривается, чтобы были выполнены большие объемы испытательных работ до принятия решения о серийном производстве машины.

В нашем примере по конструированию автоматической лесопосадочной машины ИЛАНА были проведены предварительные, затем хозяйственные, затем ведомственные и, наконец, государственные испытания. При их проведении необходимо посадить большую площадь лесных культур. Для лесопосадочных машин критерием объема служит погонаж пройденного расстояния во время посадки. Это затягивает сроки ввода машины в работу, но является гарантией качества изделия. Поэтому упомянутая лесопосадочная машина доводилась более 10 лет, хотя этот срок следует считать слишком долгим.

Еще большие сроки испытаний и доводки требуются для разработки методов лечения больных и внедрения новых лекарственных препаратов, т.к. это связано со здоровьем и жизнью людей.

В процессе эксплуатации каждая система должна быть испытана на ее пограничные возможности. Этим мы получим информацию о работоспособности системы, ее потенциале, ресурсах, возможных отказах, выходах из строя, незапланированных режимах, катастрофах. Все проверки выполняют непосредственно или тестированием.

Общеизвестно, что двигатель новой конструкции "гоняют" на стенде до отказа. Новые автомобили испытывают на специальных неровных дорогах и даже разбивают. До полного износа проверяют новые бензопилы и т.д.

Недостаточная проверка, не полностью установленные пределы возможного в очень сложной системе приводят к страшным последствиям. Пример: катастрофа на Чернобыльской АЭС, Она явилась следствием многих причин, но одной из главных явились недостатки конструкции, которая не была должным образом проверена на ее предельные возможности, и не обеспечивала защиту от нерегламентированных действий персонала, которую в практике именуют «защита от дурака».

Важным моментом при эксплуатации сложных систем является расширение ее функций. Эта необходимость обычно возникает при изменении круга задач, появлении новых условий работы, что требует расширения функций системы. Иногда новые условия требуют функции системы сократить в целях экономичности.

Так, первоначально лесопосадочная машина ИЛАНА предназначалась для работы только на сельскохозяйственных землях, переданных для облесения из-за высокой плотности радиоактивного загрязнения после аварии на Чернобыльской АЭС. Но в процессе опытной эксплуатации выявилось, что возможности машины можно расширить, и она с успехом стала работать на нераскорчеванных вырубках.

Если какой-то трактор (скажем К-750, Т-150, МТЗ-82) нам нужен только как транспортный тягач (при работе геологической экспедиции в пустыне, тундре), то целесообразно не ставить на него гидравлическую навеску для прикрепления почвообрабатывающих орудий, т.е. функцию системы можно сократить для экономичности.

Итак, на этой стадии работы со сложной системой речь идет о частичной перестройке функционирования (назначения) системы или изменения задач ее исследования. При этом большая часть знаний о системе остается нужной. Поэтому нет смысла относится к усовершенствованной системе как совершенно новой. Как и при моделировании по аналогии, здесь полезно улучшать некоторый ранее созданный образец, экономя на этом средства, силы и время. Именно так и поступили конструкторы Института леса НАН Беларуси, совершенствуя лесопосадочную машину «ИЛАНА».

Включение системы элементом в некоторую макросистему требует пересмотра основных ее связей с «не системой». Здесь надо обратить особое внимание на все существенные связи с внешней средой. Примером такого включения в макросистему является подключение областной энергосистемы к общегосударственной. В этом же плане можно рассматривать подключение Беларуси к единой информационной (или транспортной) сети Россия - Беларусь и т.д.

Иногда выдвижение требований к системе со стороны макросистемы может привести к необходимости пересмотра всех основных системных понятий (выходы, управление и т.д.) и тем самым затронуть все стадии исследования системы.

Например, объединение таможенного пространства Беларуси и России привело к значительной перестройке таможенных правил (унификации)как в Беларуси, так и в России.

На этом можно закончить описание методики исследования сложных систем. Но эта методика пригодна и к созданию новых систем.

5. Особенности создания новой системы

Создание новых систем делится на стадии проектирования (предварительного, детального), собственно создания и эксплуатации Последнее делиться на: опытную, опытно-производственную, производственную.

Проектирование обычно идет от продумывания глобальной цели вниз к проектированию элементов системы. Создание сложной системы начинается с подгонки друг к другу простейших элементов. Далее идет согласование работы модулей все более высоких иерархических уровней, и, наконец, обеспечение всей системы целиком.

Для примера возьмем создание газопровода. Сначала (на стадии проектирования) продумывают откуда он берет начало и куда следует. Рассчитывают его пропускную способность, места расположения и мощность станций поддерживания давления и т.д. Строительство начинают сваркой труб (элементов системы), укладкой их, затем согласовывают работу больших участков и т.д., вплоть до полного функционирования газопровода.

Подобным образом поступают и в лесном хозяйстве. Например, проектирование и создание нового базового лесного питомника начинается с определения потребности в посадочном материале для лесхоза или группы лесхозов. Затем выбирают оптимальный район размещения питомника и определяют его величину, придерживаясь принципа минимизации затрат на выращивание 1000 штук сеянцев и их перевозку. Только после этого находят конкретное место под питомник, исходя из почвенно-грунтовых и иных природных и экономических соображений. Затем разрабатывают проект и выполняют все необходимые остальные работы: раскорчевку площади, организацию территории, строительство водных резервуаров, компостников, вспомогательных сооружений, закупку и завоз оборудования и т.д.

Конечно, приведенная схема очень огрублена, в реальной практике все бывает сложнее и труднее, но в любом случае изложенных принципов придерживаются все разработчики новых систем.

Размещено на Allbest.ru