Методы и подходы к моделированию распределенных систем. Основные подходы к моделированию систем. Основные этапы оценивания сложных систем

Тема 5. МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД

Модель представляет собой абстрактное описание системы (объекта, процесса, проблемы, понятия) в некоторой форме, отличной от формы их реального существования

Моделирование начинается с формирования предмета исследований - сис­темы понятий, отражающей существенные для моделирования характеристи­ки объекта. Эта задача является достаточно сложной, что подтверждается различной интерпретацией в научно-технической литературе таких фундамен­тальных понятий, как система, модель, моделирование. Подобная неоднознач­ность не говорит об ошибочности одних и правильности других терминов, а отражает зависимость предмета исследований (моделирования) как от рас­сматриваемого объекта, так и от целей исследователя. Отличительной особен­ностью моделирования сложных систем является его многофункциональность и многообразие способов использования; оно становится неотъемлемой частью всего жизненного цикла системы. Объясняется это в первую очередь технологичностью моделей, реализованных на базе средств вычислительной техники: достаточно высокой скоростью получения результатов моделирования и их сравнительно невысокой себестоимостью.

Подходы к моделированию систем

В настоящее время при анализе и синтезе сложных (больших) систем получил развитие системный подход, который отличается от классического (или индуктивного) подхода. Последний рассматри­вает систему путем перехода от частного к общему и синтезирует (конструирует) систему путем слияния ее компонент, разрабатыва­емых раздельно. В отличие от этого системный подход предполага­ет последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, причем исследуемый объект выделяется из окружающей среды.

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

Важным для системного под­хода является определение структуры системы - совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодейст­вие. Структура системы может изучаться извне с точки зрения состава отдельных подсистем и отношений между ними, а также изнутри, когда анализируются отдельные свойства, позволяющие системе достигать заданной цели, т. е. когда изучаются функции системы. В соответствии с этим наметился ряд подходов к ис­следованию структуры системы с ее свойствами, к которым следует, прежде всего, отнести структурный и функциональный.

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

Менее общим является функциональное описание, когда рассматриваются отдельные функции, т.е. алгоритмы поведения систе­мы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система, причем под функцией понимается, свойство, приводящее к достижению цели. Поскольку функция от­ображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы S с внешней средой W , то свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов s i и подсистем S j , либо системы S в целом.

При наличии некоторого эталона сравнения можно ввести количественные и качественные характеристики систем. Для количест­венной характеристики вводятся числа, выражающие отношения между данной характеристикой и эталоном. Качественные харак­теристики системы находятся, например, с помощью метода экс­пертных оценок.

Проявление функций системы во времени S (t ), т. е. функци­онирование системы, означает переход системы из одного состояния в другое, т. е. движение в пространстве состояний C . При эксплу­атации системы S весьма важно качество ее функционирования, определяемое показателем эффективности и являющееся значением критерия оценки эффективности. Существуют различные подходы к выбору критериев оценки эффективности. Система S может оце­ниваться либо совокупностью частных критериев, либо некоторым общим интегральным критерием.

Следует отметить, что создаваемая модель М с точки зрения системного подхода также является системой, т. е. S "= S " (М ), и мо­жет рассматриваться по отношению к внешней среде W . Наиболее просты по представлению модели, в которых сохраняется прямая аналогия явления. Применяют также модели, в которых нет прямой аналогии, а сохраняются лишь законы и общие закономерности поведения элементов системы S . Правильное понимание взаимосвя­зей как внутри самой модели М , так и взаимодействия ее с внешней средой W в значительной степени определяется тем, на каком уровне находится наблюдатель.

Процесс синтеза модели М на основе системного подхода представлен на рис.5.1.

При моделировании необходимо обеспечить максимальную эффективность модели системы. Эффективность обычно определяется как некоторая разность между какими-то показателями ценности результатов, полученных в итоге эксплуатации модели, и теми затратами, которые были вложены в ее разработку и создание.

Независимо от типа используемой модели М при ее построении необходимо руководствоваться рядом принципов системного под­хода: 1) пропорционально-последовательное продвижение по эта­пам и направлениям создания модели; 2) согласование информаци­онных, ресурсных, надежностных и других характеристик; 3) пра­вильное соотношение отдельных уровней иерархии в системе моде­лирования; 4) целостность отдельных обособленных стадий постро­ения модели.

Модель М должна отвечать заданной цели ее создания, поэтому отдельные части должны компоноваться взаимно, исходя из единой системной задачи. Цель может быть сформулирована качественно, тогда она будет обладать большей содержательностью и длитель­ное время может отображать объективные возможности данной системы моделирования. При количественной формулировке цели возникает целевая функция, которая точно отображает наиболее существенные факторы, влияющие на достижение цели.

Построение модели относится к числу системных задач, при решении которых синтезируют решения на базе огромного числа исходных данных, на основе предложений больших коллективов специалистов. Использование системного подхода в этих условиях позволяет не только построить модель реального объекта, но и на базе этой модели выбрать необходимое количество управляющей информации в реальной системе, оценить показатели ее функци­онирования и тем самым на базе моделирования найти наиболее эффективный вариант построения и выгодный режим функциониро­вания реальной системы S .

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

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

Можно отметить две отличительные стороны классического подхода:

Наблюдается движение от частного к общему,

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

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

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

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

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

Системный подход означает, что каждая система S является интегрированным целым даже тогда, когда она состоит из отдельных разобщенных подсистем. Таким образом, в основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного - формулировки цели функционирования.

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

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

Основные этапы оценивания сложных систем.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Понятие о системе

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

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

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

Определение 1

Система является совокупностью взаимосвязанных объектов, которые называют элементами системы.

Замечание 1

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

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

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

Системный подход

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

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

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

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

Замечание 2

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

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

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

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

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

Различают структурный и функциональный подход к моделированию.

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

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

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

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

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

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

Статические информационные модели

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

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

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

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

Динамические информационные модели

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

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

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

В настоящее время при анализе и синтезе сложных (больших) систем получил развитие системный подход, который отличается от классического (или индуктивного) подхода. Классический подход рассматривает систему путем перехода от частного к общему и синтезирует (конструирует) систему путем слияния ее компонент, разрабатываемых раздельно. В отличие от этого системный подход предполагает последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, причем исследуемый объект выделяется из окружающей среды.

Объект моделирования . Специалисты по проектированию и эксплуатации сложных систем имеют дело с системами управления различных уровней, обладающими общим свойством - стремлением достичь некоторой цели. Эту особенность учтем в следующих определениях системы.

Система или объект S - целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы.

Внешняя среда Е - множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием.

В зависимости от цели исследования могут рассматриваться разные соотношения между самим объектом S и внешней средой Е. Таким образом, в зависимости от уровня, на котором находится наблюдатель, объект исследования может выделяться по-разному и могут иметь место различные взаимодействия этого объекта с внешней средой.

С развитием науки и техники сам объект непрерывно усложняется, и уже сейчас говорят об объекте исследования как о некоторой сложной системе, которая состоит из различных компонент, взаимосвязанных друг с другом. Поэтому, рассматривая системный подход как основу для построения больших систем и как базу создания методики их анализа и синтеза, прежде всего необходимо определить само понятие системного подхода.

Системный подход - это элемент учения об общих законах развития природы и одно из выражений диалектического учения. При системном подходе к моделированию систем необходимо прежде всего четко определить цель моделирования. Поскольку невозможно полностью смоделировать реально функционирующую систему (систему-оригинал, или первую систему), создается модель (система-модель, или вторая система) под поставленную проблему.

Таким образом, применительно к вопросам моделирования цель возникает из требуемых задач моделирования, что позволяет подойти к выбору критерия и оценить, какие элементы войдут в создаваемую модель М. Поэтому необходимо иметь критерий отбора отдельных элементов в создаваемую модель.

Подходы к исследованию систем . Важным для системного подхода является определение структуры системы - совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие. Структура системы может изучаться

1. извне с точки зрения состава отдельных подсистем и отношений между ними,

2. а также изнутри , когда анализируются отдельные свойства, позволяющие системе достигать заданной цели, т. е. когда изучаются функции системы.

В соответствии с этим наметился ряд подходов к исследованию структуры системы с ее свойствами, к которым следует прежде всего отнести структурный подход и функциональный подход .

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

Менее общим является функциональное описание , когда рассматриваются отдельные функции, т. е. алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход , оценивающий функции, которые выполняет система, причем под функцией понимается свойство, приводящее к достижению цели. Поскольку функция отображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы S с внешней средой Е, то свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов и подсистем системы, либо системы S в целом. При наличии некоторого эталона сравнения можно ввести количественные и качественные характеристики систем . Для количественной характеристики вводятся числа, выражающие отношения между данной характеристикой и эталоном. Качественные характеристики системы находятся, например, с помощью метода экспертных оценок.

Проявление функций системы во времени S(t), т. е. функционирование системы, означает переход системы из одного состояния в другое, т. е. движение в пространстве состояний Z.

Системный подход получил применение в системотехнике в связи с необходимостью исследования больших реальных систем, когда сказалась недостаточность, а иногда ошибочность принятия каких-либо частных решений. На возникновение системного подхода повлияли увеличивающееся количество исходных данных при разработке, необходимость учета сложных стохастических связей в системе и воздействий внешней среды Е. Все это заставило исследователей изучать сложный объект не изолированно, а во взаимодействии с внешней средой, а также в совокупности с другими системами некоторой метасистемы. Системный подход позволяет решить проблему построения сложной системы с учетом всех факторов и возможностей, пропорциональных их значимости, на всех этапах исследования системы S и построения модели М.

Системный подход означает, что каждая система S является интегрированным целым даже тогда, когда она состоит из отдельных разобщенных подсистем. Таким образом, в основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного - формулировки цели функционирования.

Процесс синтеза модели М на базе системного подхода условно представленна рис. б. На основе исходных данных Д, которые известны из анализа внешней системы, тех ограничений, которые накладываются на систему сверху либо исходя из возможностей ее реализации, и на основе цели функционирования формулируются исходные требования Т к модели системы S. На базе этих требований формируются ориентировочно некоторые подсистемы П , элементы Э и осуществляется наиболее сложный этап синтеза - выбор В составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора КВ. При моделировании необходимо обеспечить максимальную эффективность модели системы.

Эффективность обычно определяется как некоторая разность между какими-то показателями ценности результатов, полученных в итоге эксплуатации модели, и теми затратами, которые были вложены в ее разработку и создание.