Какие существуют модели систем чем они различаются

Системный анализ

Исследование некоторой реальной системы состоит из двух этапов: этапа анализа и этапа синтеза.

Анализ системы — это выделение ее частей с целью прояснения состава системы. В предыдущем параграфе мы говорили, что каждая часть системы — это подсистема, и у этой подсистемы есть свои части. Однако невозможно раскладывать систему бесконечно. На чем-то придется остановиться, какие-то части принять за простые, далее неделимые элементы. Вопрос о том, на чем следует остановить «дробление» системы, зависит от цели исследования. Целью исследования системы является получение ее модели — приближенного представления об устройстве и функционировании системы. Полученная модель будет использоваться для прогнозирования поведения системы в некоторых условиях, для управления системой, для диагностики сбоев в функционировании системы и пр.

Однако невозможно понять механизм функционирования системы, выяснив только ее состав. Необходимо знать структуру связей между частями системы. Только в совокупности состава и структуры можно понять состояние и поведение системы. Поэтому анализ системы — это первый этап ее исследования. Второй этап называется синтезом. Слово «синтез» означает соединение.

Синтез — это мысленное или реальное соединение частей в единое целое. В результате синтеза создается целостное представление о системе, объясняется механизм системного эффекта.

Системным анализом называется исследование реальных объектов и явлений с точки зрения системного подхода, состоящее из этапов анализа и синтеза.

Всякое описание системы носит модельный характер, т. е. отражает ограниченное число ее свойств. Главный вопрос при построении модели системы — какие ее характеристики являются существенными с точки зрения целей использования будущей модели?

Модель «черного ящика»

В простейшем случае бывает достаточно иметь представление о взаимодействии системы с внешней средой, не вдаваясь в подробности ее внутреннего устройства. Например, при использовании сложной бытовой техники вам совсем не обязательно знать ее устройство. Достаточно знать, как ею пользоваться, т. е. какие управляющие действия можно с ней производить (что на входе) и какие результаты вы будете при этом получать (что на выходе). Все эти сведения содержатся в инструкции для пользователя. Такое описание системы называется моделью «черного ящика» (рис. 1.2).

Вход системы — это воздействие на систему со стороны внешней среды, а выход — это воздействие, оказываемое системой на окружающую среду. В такой модели внутреннее устройство системы скрыто. Поэтому ее и называют «черным ящиком».

С точки зрения человека, не связанного с системой высшего образования, университет есть «черный ящик», на входе которого — выпускники школ, а на выходе — дипломированные специалисты.

Модель состава

Как отмечалось выше, результатом анализа системы является определение ее состава. Если описание системы ограничить перечислением ее частей, то мы получим модель состава. Например, модель состава системы «Университет» представлена на рис. 1.3.

Каждая из отмеченных на рис. 1.3 составляющих системы «Университет» является подсистемой со своим составом. Поэтому для этих подсистем также можно построить свои модели состава. Разумеется, такой модели недостаточно для того, чтобы понять, как функционирует университет. И все-таки она дает более подробное представление об университете, чем модель «черного ящика».

Структурная модель системы

Структурную модель системы еще называют структурной схемой. На структурной схеме отражается состав системы и ее внутренние связи. Для отображения структурной схемы системы используются графы.

Граф состоит из вершин, обозначающих элементы системы, и ребер — линий, обозначающих связи (отношения) между элементами системы. Знакомая многим схема скоростного транспорта Москвы (рис. 1.4) является примером графа. Вершинами здесь являются станции метро, а ребрами — линии движения поездов. Такая схема позволяет пассажиру метро определить маршрут своего перемещения между любыми станциями. Схема метро отражает его радиально-кольцевую структуру.

Еще один пример графа показан на рис. 1.5. Это структурная модель молекулы углеводорода. Вершинами являются атомы водорода и углерода, ребра отображают валентные связи.

Связь между двумя станциями метро, соединенными линией движения, является двунаправленной, поскольку поезда могут двигаться в обе стороны. Валентная связь между атомами молекулы также не имеет выделенного направления. Такие графы называются неориентированными. Если же связь между двумя элементами системы действует только в одну сторону, то на графе она отображается направленной стрелкой. Такой граф называется ориентированным. Направленные линии связи на графе называются дугами.

На рис. 1.6 приведен пример ориентированного графа из области медицины. Известно, что у разных людей кровь может различаться по группе. Существуют четыре группы крови. Оказывается, что при переливании крови от одного человека к другому не все группы совместимы. Граф на рис. 1.6 показывает возможные варианты переливания крови. Группы крови — это вершины графа с соответствующими номерами, а стрелки указывают на возможность переливания крови одной группы человеку с другой группой. Например, из этого графа видно, что кровь I группы можно переливать любому человеку, а человек с I группой крови воспринимает кровь только своей группы. Видно также, что человеку с IV группой крови можно переливать любую кровь, но его кровь можно переливать только людям с той же группой.

На практике часто встречаются системы с иерархической структурой, граф которых называется деревом (рис. 1.7).

Дерево — это ориентированный граф, хотя при его изображении не всегда рисуются стрелки. Обычно вершины дерева располагаются по уровням сверху вниз. Дуги направлены от верхних вершин к нижним. Каждая вершина может быть связана с одной вершиной верхнего уровня (исходной) и множеством вершин нижнего уровня (порожденными). Такая связь называется «один ко многим». Единственная вершина самого верхнего уровня называется корнем дерева. Вершины самого нижнего уровня, у которых нет порожденных вершин, называются листьями дерева. Дерево является связным графом. Это значит, что между любыми двумя вершинами имеется хотя бы один путь, связывающий их между собой. В дереве отсутствуют петли — замкнутые траектории связей. Поэтому маршрут перемещения по дереву между любыми двумя вершинами всегда является единственным.

Структура организации файловой системы во внешней памяти компьютера является иерархической. Вершинами графа, отображающего файловую структуру, являются папки и файлы. Дуги отражают отношения вхождения одних вершин в другие. Дерево имеет многоуровневую структуру. Папка самого верхнего уровня называется корнем дерева. Конечные вершины такого дерева (листья) — это файлы и пустые папки.

Вопросы и задания

1. Какие существуют типы моделей систем? Чем они различаются?

2. Что такое граф? Из чего он состоит?

3. Какой граф называется неориентированным? Приведите примеры.

4. Какой граф называется ориентированным? Приведите примеры.

5. Нарисуйте в виде графа систему, состоящую из четырех одноклассников, между которыми существуют следующие связи (взаимоотношения): дружат — Саша и Маша, Саша и Даша, Маша и Гриша, Гриша и Саша. Анализируя полученный граф, ответьте на вопрос: с кем Саша может поделиться секретом, не рискуя, что тот станет известен кому-то другому?

6. Нарисуйте два варианта графа системы «Компьютер», содержащего следующие вершины: процессор, оперативная память, внешняя память, клавиатура, монитор, принтер:

а) линия связи обозначает отношение «передает информацию»;
б) линия связи обозначает отношение: «управляет».

Следующая страница § 3. Пример структурной модели предметной области

Источник

Модели систем

Система – сложный объект, состоящий из взаимосвязанных частей (элементов) и существующий как единое целое. Всякая система имеет определенное назначение (функцию, цель). Любой объект окружающего мира можно рассматривать как систему. Любая система определяется не только набором своих элементов, но и порядком и способом объединения этих элементов в единое целое. Все элементы системы находятся в определенных отношениях или связях друг с другом. Структуру системы (важнейшее понятие системологии) можно определить как порядок объединения ее элементов, внутреннюю организацию системы.

Структура простейшей информационной системы (ИС) включает в себя пять элементов: компьютер, человек, программа, процедуры и данные (рис. 1.1).

ЧЕЛОВЕК получает инструкции в виде ПРОЦЕДУР	КОМПЬЮТЕР получает инструкции в виде ПРОГРАММ

Чтобы ИС смогла выполнить определенную задачу, человеку и машине нужны инструкции. Компьютер получает инструкции в виде программ. Человек получает инструкции в виде процедур, которые ему следует выполнить. Связь между человеком и компьютером осуществляется посредством передачи данных, сначала в виде исходной информации, идущей от человека к компьютеру, а затем в виде полученных результатов, следующих в обратном направлении.

Таким образом, любая система нечто цельное и выделенное из окружающей среды, обладает определенным элементным составом и структурой. Свойства системы зависят от того и от другого. Даже при одинаковом составе системы с разной структурой обладают разными свойствами и могут иметь разное назначение. При этом система приобретает новые качества, не присущие ее составным частям. Появление нового качества у системы называют системным эффектом.

Модель «черного ящика» используется в тех случаях, когда внутреннее устройство системы не представляет интереса, но важно описать ее внешние взаимодействия (рис.1.2). Например, в любой инструкции по использованию бытовой техники дается описание работы с ней на уровне входов и выходов: как включить, каким образом регулировать работу, что получим на выходе. Такого представления возможно достаточно для пользователя данной техникой, но недостаточно для специалиста по ее обслуживанию и ремонту.

Другой пример. С точки зрения человека, далекого от системы высшего образования, университет есть «черный ящик», на входе которого – выпускники (например, среднеобразовательных) школ, а на выходе – дипломированные специалисты.

Модель состава системы дает описание входящих в нее элементов и подсистем, но не рассматривает связей между ними.

Каждая из представленных на рисунке составляющих системы «Университет» (рис.1.3) является подсистемой со своим составом. Для них можно построить свои модели состава. Понимаем, что такой модели недостаточно, чтобы понять, как функционирует университет.

Структурная модель системы отражает состав и ее внутренние связи. Структурную модель системы часто называют структурной схемой и для ее отображения удобно использовать графы – графическое изображение состава и структуры системы. Составными частями графа являются вершины (обозначение элементов системы) и соединяющие их линии (обозначение связей – отношений между элементами). Например, граф (рис.1.4) позволяет легко понять структуру дорожной системы и ответить на вопрос, через какие поселки нужно проехать, чтобы добраться из поселка A в поселок D при условии, что автомобильная дорога проложена между B и C, B и E, E и C, C и D, A и E.

А также показывает, что существует два возможных пути, обозначим:

2) A – E – B – C – D.

Очевидно, что первый путь более выгодный, потому что короче. Однако если дорога между E и C окажется непроезжей, единственным остается второй путь.

Разновидность такого графа, называют сетью. Для сети характерна возможность множества различных путей перемещения по ребрам между некоторыми парами вершин и наличие замкнутых путей, которые называются циклами. На рисунке 1.4 имеется цикл: E – B – C – E.

Линии, соединяющие вершины неориентированного графа, называют ребрами. Каждое ребро обозначает в рассматриваемом примере наличие дорожной связи между двумя пунктами. Связь действует одинаково в обе стороны: если по дороге можно проехать от C к D, то по ней можно проехать от D к C. Такую связь называют симметричной.

Граф, содержащий симметричные (ненаправленные) связи-ребра, называется неориентированным.

Рассмотрим следующий пример. Граф на рисунке 1.5 показывает возможные варианты переливания крови.

Группы крови обозначены вершинами графа с соответствующими номерами, а стрелки указывают на возможность переливания крови одной группы человеку с другой группой крови.

Из этого графа видно, что кровь первой группы можно переливать любому человеку, а человек с первой группой крови воспринимает только кровь своей группы. Человеку с четвертой группой крови можно переливать любую кровь, но его собственную кровь можно перелить только человеку с той же группой крови.

Связи между вершинами данного графа несимметричны и поэтому изображаются направленными линиями со стрелками. Такие линии принято называть дугами (в отличие от ребер неориентированных графов). Граф с такими свойствами называется ориентированным. Линия, выходящая из некоторой вершины и входящая в нее же, называется петлей.

Вершины и ребра графа могут характеризоваться некоторыми числовыми величинами. Например, может быть известна длина ребра или «стоимость прохождения» по нему. Такие характеристики называют весом, а граф взвешенным. Вес вершины и ребра часто задается в виде сопровождающей надписи на вершине или линии, можно ввести условные обозначения, их можно задать формой или цветом вершины, толщиной, типом или цветом линии и т.п.

Формализация системы в виде графа легко воспринимается и запоминается.

Иерархическая модель системыприменяется тогда, когда элементы моделируемого объекта находятся в состоянии какого-либо подчинения и соподчинения, между ними существует отношение иерархичности. Например, система административного управления. Иерархическую структуру имеют также системы, между элементами которых существуют отношения вхождения одних в другие. Например, родословное древо. Граф, отражающий иерархическую структуру системы, называется деревом. Обычно у дерева выделяется одна главная вершина – корень дерева, от нее идут ветви дерева (ребра графа). От корня начинается отсчет уровней дерева. Вершины, непосредственно связанные ребрами с корнем, образуют первый уровень. От них идут связи к вершинам второго уровня и т.д. Каждая вершина дерева (кроме корня) имеет одну исходную вершину на предыдущем уровне и может иметь множество порожденных вершин на следующем уровне. Такой принцип связи называется «один ко многим». Вершины, не имеющие порожденных, называются листьями.

В курсе информатики вы неоднократно встречались с иерархическими системами. Например, система хранения файлов на жестком магнитном диске, система доменных адресов в Интернете. Иерархическими являются различные системы классификации в науке, социально-экономической сферах деятельности.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

• ← Какие существуют механизмы образования ковалентной связи чем они отличаются
• Какие существуют науки в биологии и что они изучают список →