"Информатика (базовый уровень)", Гейн А.Г., Юнерман Н.А.
Системный подход помогает описывать сложные объекты не как набор отдельных частей, а как целостные системы. При моделировании определяют элементы, связи между ними, границы системы, внешнюю среду, входы, выходы и функции. Один объект можно представить по-разному: состав и свойства модели зависят от цели исследования. Такой подход нужен для построения информационных моделей, анализа процессов и разработки алгоритмов управления.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Система — совокупность взаимосвязанных элементов, образующих целостный объект. Например, компьютер является системой, потому что его устройства работают не изолированно, а обмениваются данными. Это понятие нужно, чтобы изучать объект как единое целое.
Элемент системы — часть системы, рассматриваемая как неделимая в рамках поставленной задачи. В компьютере элементами могут быть процессор, память или клавиатура. Такое упрощение помогает выбрать подходящий уровень подробности.
Структура системы — состав элементов и связи между ними. Она показывает, из чего состоит система и как её части взаимодействуют. Одного перечня элементов недостаточно: без связей нельзя понять устройство и работу объекта.
Системный подход в моделировании — рассмотрение объекта как системы с учётом его элементов, связей, функций и взаимодействия со средой. Он помогает построить модель, отражающую не случайные детали, а существенные свойства объекта. Поэтому модель становится удобной для анализа и решения конкретной задачи.
Один и тот же объект можно представить как систему разного уровня, потому что степень детализации зависит от задачи. Например, компьютер в школьной сети может быть одним элементом сети, а при изучении его устройства он превращается в систему из процессора, памяти и устройств ввода-вывода. Процессор, в свою очередь, тоже можно рассматривать как систему из функциональных частей. Поэтому понятие элемента означает не «неделимую часть вообще», а часть, которую на данном уровне решили дальше не раскрывать.
Границы системы выделяют для того, чтобы отделить исследуемый объект от всего, что на него влияет. Внутрь границ помещают элементы и связи, которые нужно рассматривать подробно, а за границы выносят внешнюю среду. Например, для школьной библиотеки читатели могут быть внешней средой, если изучается только движение книг, но частью системы — если исследуется обслуживание читателей. Значит, границы задаются не только физически, но и целью моделирования.
Структура формируется из состава элементов и связей между ними. Связь может передавать информацию, материальные объекты, энергию или управляющее воздействие. Два объекта с одинаковым набором частей могут быть разными системами, если их элементы соединены по-разному или выполняют разные роли. Поэтому схема связей часто объясняет работу объекта лучше, чем длинный список его частей.
При построении модели не требуется переносить в неё все свойства реального объекта. Отбирают характеристики, которые влияют на ответ поставленного вопроса: для прогноза пассажиропотока важны маршруты и число пассажиров, а цвет автобусов обычно не важен. Такой отбор делает модель проще и понятнее. Если включить слишком много несущественных сведений, анализ замедлится, а главное может потеряться среди деталей.
Системный подход описывает не только устройство, но и поведение объекта. Функции показывают, какие действия выполняет система, состояние — в каком положении она находится сейчас, а входы и выходы — что система получает и что выдаёт. Например, банкомат получает запрос и данные карты, обрабатывает их и выдаёт деньги или сообщение об ошибке. Учёт среды позволяет понять, какие внешние условия изменяют работу системы.
| Характеристика | Что описывает | Вопрос для анализа |
|---|---|---|
| Цель моделирования | Задачу и нужный результат исследования | Что хотим узнать или предсказать? |
| Границы системы | То, что входит в систему, и то, что остаётся за её пределами | Какие объекты рассматриваем подробно? |
| Элементы системы | Состав частей, участвующих в работе | Из чего состоит система? |
| Связи между элементами | Взаимодействие и обмен воздействиями между частями | Как элементы влияют друг на друга? |
| Внешняя среда | Объекты и условия, воздействующие на систему извне | Что находится за границами и влияет на систему? |
| Входы и выходы | Поступающие воздействия и результаты работы | Что система получает и что выдаёт? |
| Функции и состояние системы | Действия системы и её положение в определённый момент | Что система делает и в каком состоянии находится? |
Таблицу удобно заполнять в указанном порядке: сначала определить цель, затем границы и состав системы. После этого описывают связи, среду, входы, выходы и текущее состояние. Если на какой-то вопрос нет ответа, модель, вероятно, ещё недостаточно проработана.
Условие: определить элементы, связи, внешнюю среду и границы системы. Нужно описать библиотеку так, чтобы было понятно, как она получает, хранит и выдаёт книги.
Ответ: элементами являются фонд, каталог, библиотекарь, помещение и правила работы; связи передают сведения и книги между ними. Внешняя среда включает школу и пользователей. Границы проходят вокруг объектов и процессов, выбранных для изучения работы библиотеки.
Условие: указать процессор, память, устройства ввода и вывода, а также связи между ними. Требуется показать не просто список устройств, а направление обмена данными.
Ответ: структурная модель содержит цепочку «ввод — процессор и память — вывод», дополненную двусторонним обменом процессора с памятью. Такая схема показывает и состав, и взаимодействие основных элементов компьютера.
Условие: построить модели для анализа пассажиропотока и планирования ремонта дорог. Нужно объяснить, почему в них будут разные значимые элементы и связи.
Ответ: один городской транспорт описывается двумя разными системами моделей, потому что цель определяет границы, элементы и связи. Одинаковые детали могут оказаться важными в одной модели и несущественными в другой.
Ошибка — считать системой простой набор объектов без взаимосвязей. Её допускают, когда перечисляют части, но не выясняют, как они взаимодействуют. Проверьте себя: можно ли по описанию понять, что передача данных, ресурсов или воздействий объединяет элементы в целое?
Ошибка — не указывать границы системы и смешивать её элементы с внешней средой. Так происходит, если в описание включают все объекты, связанные с системой хоть каким-либо образом. Проверьте себя вопросом: какие объекты я исследую подробно, а какие только влияют извне?
Ошибка — описывать все свойства реального объекта независимо от цели моделирования. Причина обычно в стремлении сделать модель максимально полной, но лишние сведения затрудняют анализ. Проверьте каждый признак: помогает ли он получить ответ на поставленный вопрос?
Ошибка — считать элемент неделимой частью вообще. На самом деле элемент неделим только в рамках выбранной задачи и уровня рассмотрения. Проверьте себя: если изменить цель, не потребуется ли раскрыть этот элемент на более мелкие части?
До изучения системного подхода нужны понятия объекта, модели и цели моделирования, а также представление о классификации моделей. Цель определяет, какие свойства объекта считать существенными. Поэтому системный анализ продолжает работу с моделями, но добавляет к ней рассмотрение элементов и связей.
Дальше тема пригодится при построении информационных моделей сложных объектов и процессов. Она помогает выделять части системы перед разработкой алгоритмов управления, задавать входные данные и ожидаемые результаты. Такой способ рассуждения используется в информатике, технике и исследовании реальных процессов.
Чем система отличается от простого набора объектов?
Система состоит не только из элементов, но и из связей между ними. Эти связи обеспечивают взаимодействие частей и позволяют объекту работать как единое целое.
Может ли один элемент быть самостоятельной системой?
Да, может. Например, процессор является элементом компьютера, но сам состоит из частей и может рассматриваться как отдельная система.
Как определить границы системы?
Границы зависят от цели моделирования: внутрь включают то, что нужно подробно исследовать. Всё остальное относят к внешней среде, взаимодействующей с системой.
Нужно ли включать в модель все свойства реального объекта?
Нет, в модель включают только свойства, существенные для поставленной задачи. Лишние детали усложняют модель и мешают сосредоточиться на главном.
Почему для одного объекта создают разные системные модели?
Разные задачи требуют изучать разные стороны объекта. Например, для транспорта важны маршруты и пассажиропоток, а для ремонта дорог — покрытие, участки и состояние инженерных объектов.
§ 6. Системный подход в моделировании
