Что такое система сложный объект
Что такое система?
Описание разработки
Системология – наука о системах.
В чём разница между простым и сложным объектами?
Сложный состоит из множества простых объектов.
Всякая система имеет определённое назначение – функцию, цель.
Всякой системе свойственны новые качества, не присущие её частям.
Целое больше суммы своих частей!
Задача всякой науки – найти системные закономерности в той области, которую она изучает.
Содержимое разработки
§5. Что такое система?
Рыженко Е. В. МБОУ г. Астрахани » СОШ №64″
Системология – наука о системах.
В чём разница между простым и сложным объектами?
это сложный объект, состоящий их взаимосвязанных частей (элементов) и существующий как единое целое.
Всякая система имеет определённое назначение – функцию, цель.
внутренней организацией системы.
Являются ли части компьютера простыми объектами?
Любой реальный объект бесконечно сложен!
Задача всякой науки – найти системные закономерности в той области, которую она изучает.
а) костюм; б) автомобиль; с) компьютер;
д) городская телефонная сеть; е) школа; ж) армия;
Учитель информатики
Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.
§ 5. Системы объектов
Информатика. 6 класса. Босова Л.Л. Оглавление
Разнообразие систем.
Ключевые слова:
Состояние сложного, составного объекта определяется не только значениями его собственных признаков, но и состояниями объектов-частей. Например, автомобиль переходит в состояние торможения, когда нажата педаль тормоза.
Подход к описанию сложного объекта, при котором не просто называют его составные части, но и рассматривают их взаимодействие и взаимовлияние, принято называть системным подходом. При этом сложный объект называют системой, а его части — компонентами (элементами) системы.
Любой реальный объект достаточно сложен. Поэтому его можно рассматривать как систему.
Различают материальные, нематериальные и смешанные системы. В свою очередь, материальные системы разделяют на природные и технические (рис. 15).
Примеры природных систем вам хорошо известны: Солнечная система, растение, живой организм и прочее.
Технические системы создаются людьми. Примеры технических систем: автомобиль, компьютер, система вентиляции.
Примеры нематериальных систем: разговорный язык, математический язык, нотные записи.
Смешанные системы содержат в себе материальные и нематериальные компоненты. Среди них можно выделить так называемые социальные системы. Социальные системы образуют люди, объединённые одним занятием, интересами, целями, местом проживания и т. д. Примеры социальных систем: оркестр, футбольный клуб, население города.
Состав и структура системы
Любая система определяется не только набором и признаками её элементов, но также взаимосвязями между элементами. Одни и те же элементы, в зависимости от объединяющих их взаимосвязей, могут образовывать различные по своим свойствам системы. Например, из деталей одного и того же конструктора ребёнок собирает разные сооружения.
Из одного и того же набора продуктов (мясо, капуста, картофель, морковь, лук, помидоры) мама может приготовить первое (щи) или второе (рагу) блюдо.
Из молекулы одного и того же химического вещества. (углерода) состоят алмаз и графит. Но алмаз — самое твёрдое вещество в природе, а графит — мягкий, из него делают грифели для карандашей. А всё потому, что в алмазе молекулы углерода образуют кристаллическую структуру, а у графита — слоистую.
Структура — это порядок объединения элементов, составляющих систему.
Состав и структуру системы описывают с помощью схемы состава. В состав системы может входить другая система. Первую называют надсистемой, вторую — подсистемой. Имя надсистемы на схеме состава всегда располагают выше имён всех её подсистем. В этом случае говорят о многоуровневой структуре системы, в которой один и тот же компонент может одновременно быть надсистемой и подсистемой. Например, головной мозг — подсистема нервной системы птицы и надсистема, в состав которой входят передний мозг, средний мозг и т. д. (рис. 16).
Во многих случаях связь между объектами очевидна, но не сразу понятно, в составе какой надсистемы их нужно рассматривать.
Например, дорожное покрытие изнашивается оттого, что по городу ездят автомобили, автобусы, троллейбусы и прочие наземные транспортные средства. Наземные транспортные средства и дороги — составные части транспортной системы города.
Дерево может погибнуть от насекомых-вредителей, если уменьшится численность птиц. Насекомые, птицы, деревья — компоненты системы «Парк» или «Лес» (рис. 17).
Главное свойство любой системы — возникновение системного эффекта. Заключается оно в том, что при объединении элементов в систему у системы появляются новые признаки, которыми не обладал ни один из элементов в отдельности.
В качестве примера системы рассмотрим самолёт. Главное его свойство — способность к полёту. Ни одна из составляющих его частей в отдельности (крылья, фюзеляж, двигатели и т. д.) этим свойством не обладает, а собранные вместе строго определённым способом, они такую возможность обеспечивают. Вместе с тем, если убрать из системы «самолёт* какой-нибудь элемент (например, крыло), то не только это крыло, но и весь самолёт потеряет способность летать.
Система и окружающая среда
Выделив некоторую систему из окружающей среды, мы как бы проводим вокруг неё замкнутую границу, за пределами которой остаются не вошедшие в систему объекты. Эти объекты оказывают влияние на систему. Сама система также оказывает влияние на окружающую среду. Поэтому говорят, что система и среда взаимодействуют между собой.
Если, например, рассмотреть в качестве системы ученический коллектив одного класса, то весь остальной коллектив школы будет относиться к среде этой системы.
Воздействия среды на систему называют входами системы, а воздействия системы на среду — выходами системы. На рисунке 18 эти связи изображены стрелками.
Например, дерево можно выделить из окружающей среды как систему, состоящую из корня, ствола, веток и листьев. Входы этой системы — вода, солнечный свет, углекислый газ, минеральные вещества и т. д. Выходы — кислород, тень от кроны, древесина, молодые побеги и многое другое (рис. 19).
Для большинства реальных систем список входов и выходов бесконечен.
Система как «чёрный ящик»
Очень часто человек не знает, как «внутри» устроена система, с которой он имеет дело. Человеку куда важнее знать, к каким результатам на выходе приведут определённые воздействия на входе системы. В таких случаях говорят, что система рассматривается как «чёрный ящик».
Представить некоторую систему в виде «чёрного ящика» — это значит указать её входы и выходы, а также зависимость между ними. Такое описание позволяет целенаправленно использовать данную систему. Например, всякие инструкции для пользователей сложной бытовой техники являются описаниями «чёрного ящика». В них объясняется, что нужно сделать на входе (включить, нажать, повернуть и пр.), чтобы достичь определённого результата на выходе (постирать белье, получить фруктовый сок, выполнить вычисления и пр.). Однако, что при этом происходит «внутри», не объясняется.
Самое главное
Система — это целое, состоящее из частей, взаимосвязанных между собой. Части, образующие систему, называются её компонентами.
Структура — это порядок объединения элементов, составляющих систему.
При системном подходе учитывается взаимодействие и взаимовлияние всех компонентов системы.
Всякая система приобретает новые качества, которыми не обладал ни один из её элементов в отдельности (свойство системного эффекта).
Воздействия среды на систему называют входами системы, а воздействия системы на среду — выходами системы.
Понятие системы и конструкции. Их место в проектировании информационных систем
После прочтения комментариев к предыдущей статье Классификация конструкций: примеры и заблуждения, посвященной классификации конструкций, я понял, насколько разное представление мы имеем относительно термина конструкции. Когда я писал статью, мне казалось, что этот термин трактуется довольно просто. Но, почитав комментарии, понял, что стоит поговорить о нем отдельно.
Конструкция
Толковый словарь Ефремовой определяет два разных понятия, которые обозначаются одним термином конструкция:
Поскольку состав – это множество, то первое понятие переводится так: конструкция — это множество объектов, связанных между собой связями. При этом, судя по определению, объекты должны быть рукотворным и неживыми. То есть, нельзя представить Землю в виде конструкции, если не предположить, что ее сделали инопланетяне. Нельзя представить ДНК в виде конструкции, если только эта ДНК не создана кем-то. То есть, в определение конструкции надо добавить, что объекты рукотворные. Например, множество объектов: <фюзеляж, крылья, хвост>состоит из рукотворных объектов, и, потому, может называться конструкцией. Конструкцией под названием самолет. Замечу, что в данном контексте самолет – это не объект, а множество объектов <фюзеляж, крылья, хвост>. Можно назвать это множество самолет(к).
Сколько объектов может быть в конструкции? В определении нет ответа на этот вопрос. Но мы можем предположить, что их конечное число, большее одного, потому что в определении говорится о связях. Итого получилось: рукотворное множество объектов, созданное человеком, объекты объединены связями, множество конечное, количество элементов больше одного.
При этом нет обязательного условия, чтобы конструкция имела название, или явно был указал объект, чья конструкция рассматривается. Можно моделировать и безымянную конструкцию.
Второе понятие термина «конструкция» значит следующее: конструкция — это объект, который может быть представлен в виде множества объектов. Например, поскольку самолет как объект может быть представлен в виде множества объектов, состоящего из фюзеляжа, крыльев и хвоста, его также называют конструкцией. В данном тексте, чтобы отличить обозначение самолета как объекта от обозначения самолета как множества, можно написать: самолет(о) может быть представлен в виде множества объектов — самолета(к).
Любой объект может быть разделен на части. Неделимых объектов мы не знаем. То есть, любой объект можно назвать конструкцией? Нет. Потому что не всякий рукотворный объект можно поделить на рукотворные части. Например, отливка (болванка), являясь рукотворным объектом, не может быть поделена на рукотворные части. Поэтому болванку нельзя назвать конструкцией.
Разбирая термин «конструкция», мы обнаружили одну важную особенность языка: объект и его конструкция называются одним именем. То есть, самолет(о) и самолет(к) в быту называют одним именем: самолет. Понятно, что объект и множество объектов – это разные концепты. В словаре Ефремовой эти концепты различаются, но в быту название одно, и потому, люди часто путают их и не могут разделить эти два понятия, обозначенные одним термином. Та же проблема была в процессном подходе, в котором понятия функция, функциональная структура, сценарий и тд. назывались одним термином — процесс. Из-за этого многим аналитикам казалось, что функция и сценарий – одно и то же.
Путаница, которая возникает из-за того, что два понятия названы одним словом, проявляет себя в ответе на следующий вопрос: что такое тот или иной объект? Ответы можно разделить на два типа:
Другой пример: поезд – состав, сцепленных между собою железнодорожных вагонов, приводимых в движение локомотивным или моторным вагоном. В данном контексте дается определению поезду(к). Можно сказать, что поезд — это длинное транспортное средство для перевозки пассажиров или грузов по железной дороге. Это – определение поезда(о). Интересно, что в словарях можно найти определения как тем, так и другим понятиям.
В быту мы не замечаем разницы между такого рода определениями. Например, группе аналитиков показывается макет производственной линии. Каждый при этом может увидеть совершенно разные картины. Один увидит объект под названием «производственная линия», другой – конструкцию, имеющую то же название. Поскольку, объект и его конструкция – совершенно разные понятия, то увидят они совершенно разные вещи. До тех пор, пока они не договорятся о едином взгляде на этот макет, они будут говорить о разных объектах. Хорошо, если контекст заставит их сойтись на одной точке зрения. Однако, это происходит не всегда. Этап, на котором выясняется предмет обсуждения обычно пропускается. Из-за этого возникают ошибки в понимании. Та же проблема возникает, когда мы хотим строить онтологическую модель. Например, если мы хотим выяснить сложность конструкции самолета при помощи атрибута: «количество конструктивных элементов самолета», то надо найти объект в модели, которому приписать этот атрибут. Приписать его самолету(о) нельзя, потому что разделить самолет на части можно множеством способов. Поэтому, это атрибут должен быть отнесен ко множеству объектов, но не к объекту.
Система
Посмотрим, как справляется с данным терминологическим парадоксом системная инженерия. Системная инженерия дает определение системы так:
Если для конструкций отношение между объектом и его конструкцией называлось так: «конструкция объекта», то для обозначения отношения между объектом и его системой используется другой термин: «строение объекта». Например, строение человека связывает человека(о) с человеком(с). Кстати, интересно, почему нет термина «система объекта» по аналогии с термином «конструкцией объекта»?
Можно ли назвать системой объект, а не множество объектов? То есть можно ли применить термин система к объекту так же, как термин конструкция применить к объекту? Скорее всего, — можно. Например, говорят, что система обладает эмерджентностью. Формально этот тезис переводится так: свойства объекта, строение которого представлено в виде исследуемой системы, отличны от свойств элементов этой системы. Поскольку в данном контексте объект назван системой, то объект тоже можно назвать системой.
Поскольку любой объект может быть разделен на части, то любой объект может быть назван системой. Это отличает термин система от термина конструкция, потому что не любой объект может быть назван конструкцией.
Мне кажется, чтобы ликвидировать коллизии, которые могут возникнуть у инженера, читающего книги по системной инженерии, в словари стоит внести второе определение термина система по аналогии со вторым значением термина конструкция:
Можно ли распространить на системы тезис о том, что любой объект может иметь разные структуры в зависимости от наблюдателя? Да, можно. Мы прекрасно знакомы с двумя разными парадигмами строения человека, которые порождают разные структуры: внутреннее строение и внешнее строение человека.
В системной инженерии также существует требование, которое накладывает ограничения на множества возможных объектов. Речь об эмерджентности. Объект, чья структура представлена в виде системы, должен обладать свойствами, отличными от свойств элементов системы. При этом возникает два вопроса:
Обобщение понятия конструкция
Теперь попробуем обобщить понятие конструкция(к) и система(с) на более широкий класс объектов и множеств. В своей статье я именно это и хотел сделать. Видимо, без текущего вступления это было не понятно. Я ввел понятие обобщенной конструкции(к), которая отличается от общепринятого понятия конструкции следующим:
Получилась такая иерархия классов: Обобщенная конструкция – это самое широкое множество, подмножеством которого являются системы и конструкции.
Введение обобщенной конструкции понадобилось мне для приведения к единому виду всех структур, которые мы создаем для описания различных конструкций, а также для описания тех ограничений, которые возникают при упрощении этих структур.
Например, чаще всего, моделирование конструкций производится при помощи связей «часть-целое». При этом информацию о конструкции (средняя масса элементов конструкции, например) мы передаем в модель объекта, конструкцию которого мы моделируем. Ограничения такого способа моделирования в том, что мы не можем создать несколько различных конструкций одного объекта, будь то конструкций в разных парадигмах, будь то конструкций в одной парадигме, но отличающихся версиями.
Однажды мне была поставлена задача смоделировать различные версии конструкции одного космического аппарата. Версии существовали одновременно во времени и моделировали различные версии конструкторских решений. К тому же сами версии менялись во времени, потому что конструкторские решения эволюционировали с течением времени. Без введения понятия конструкция решить такую задачу было можно, но выглядело это очень странно. Похожая задача решалась мной при моделировании планов производства работ, которых одновременно было несколько версий: оптимистичный, пессимистичный и реальный. При этом план производства работ, в свою очередь, был частью другого плана производства работ. И таких этажей было 5. До ввода в модель объектов, моделирующих конструкции, моделирование выглядело так: множество связей «часть-целое», «раскрашенных» в разные цвета. «Красные» связи моделировали одну конструкцию объекта, «зеленые» — другую. «Цветов» было много и существовала проблема стыковки разных цветов. Фактически, эти «цвета» моделировали различные точки зрения на конструкцию объекта, не называя это явно. То же приходилось делать со свойствами объекта, которому были переданы свойства конструкции: у нас были «красные» значения свойств и «зеленые». Так мы выходили из положения до введения понятия «конструкция». Мне интересно, как моделируется подобный кейс в стандарте ИСО 15926?
Другой практический кейс: ЛЭП с одной стороны, может быть поделена на трассы, каждая трасса — на провода. С другой стороны, каждая трасса может быть поделена на участки трассы между опорами и тд.
Таким образом, ЛЭП можно разобрать на части разными способами. И каждый способ решает конкретную практическую задачу. Как в данном случае должен смоделировать эти конструкции аналитик, руководствуясь стандартом ИСО 15926?
Есть интересный прием деления одного и того же объекта на части разными способами. Этот прием работает, когда объекты, на которые мы делим объект, относятся к разным предметным областям. Например, один и тот же объект мы можем назвать предприятие, а можем назвать функция. Это две разные парадигмы представления одного и того же. Тогда функции мы делим отдельно, предприятие – отдельно. В принципе, если можно добавлять новые типы объектов, то та часть проблем, которая связана с моделированием объектов в разных парадигмах, закрывается этим способом.
Моделирование конструкций при помощи связей «часть-целое» довольно распространено, потому что сильно сокращает объем модели и упрощает алгоритмы работы с ней. Поэтому часто, аналитики используют такой способ моделирования. Однако, этот способ накладывает ограничения на количество одновременно существующих версий конструкций, заставляет все отрасли предприятия работать с одной моделью конструкций, даже, если для кого-то эта модель является контрпродуктивной. При этом, если речь идет о конструкции объектов, то разные отрасли предприятия еще могут как-то договориться, то при моделировании функциональных структур, подобная договоренность становится, на мой взгляд, невозможной. Поэтому, возвращаясь к стандарту ИСО 15926, боюсь предположить, что он был заточен для моделирования только двух точек зрения на происходящее и существующее. Для этого в нем есть два типа объектов: физические и функциональные. При этом каждый раз при моделировании двух точек зрения модельеру приходится делать непростой выбор между тем, что назвать физическим, а что назвать функциональным объектом. Потому что и та и другая конструкции могут одновременно оказаться функциональными, или одновременно физическими объектами. Например, участок ЛЭП между опорами – это физический, или функциональный объект? Можно сказать, что физический, но, если заказчик скажет, что функция этого участка – перенос энергии на расстояние, то участок ЛЭП между опорами станет функциональным объектом, и смоделировать две разные конструкции одной ЛЭП не удастся. Или, более очевидный пример: молекула водорода, с одной стороны, состоит из атомов (одна система), а, с другой стороны – из ядер и электронов (другая система). Понятно, что природа этих систем одинаковая – физическая. Как ИСО 15926 будет моделировать эти две разные физические конструкции?
Проблема с ООП программированием та же: конструкция в ООП моделируется при помощи агрегации объектов, фактически, связей «часть-целое» Я не могу представить себе в ООП объект, который может быть представлен в виде разных конструкций. Потому что ООП также заточен под моделирование конструкций, но только с одной точки зрения. В ООП нельзя построить даже двух разных конструкций одного объекта. Как в ООП смоделировать тот факт, что ЛЭП состоит из трасс и одновременно состоит из участков ЛЭП между опорами?
Место конструкции в процессе мышления
Еще несколько слов о месте конструкции в нашем мышлении, а, следовательно, моделировании. Есть два пути достижения понимания – синтез и анализ. Когда мы делаем анализ, мы представляем себе объекты в виде обобщенных конструкций, когда синтез, наоборот, обобщенные конструкции представляем в виде объектов. Совершая анализ, мы пытаемся понять, как устроен объект, совершая синтез, мы пытаемся упростить модель, генерализируя ее. Получается цепочка: …объект – его конструкция – объект (элемент этой конструкции) – конструкция объекта – объект (элемент этой конструкции) – конструкция объекта… Далее я не буду повторять «обобщенная», потому что буду подразумевать всегда этот класс конструкций. Начинать моделирование можно как с объекта, так и с конструкции. Двигаться можно как вниз, так и вверх по иерархии объектов, совершая анализ, или синтез. По-другому это можно представить, как приближение к объектам или удаление от них. Приближаясь, мы делаем анализ, делая описание более подробным, удаляясь – синтез, или обобщение. Довольно забавно, но в современных стандартах моделирования я много читал про декомпозицию, но очень мало про композицию. Если встречается что-то, посвященное композиции, об этом пишется непонятными словами, которые довольно сложно трактовать. Например, когда мы собираем статистику по операциям в соответствии с методологией Шухарта, мы получаем параметры объектов (функций), но сами объекты при этом не называем. Когда мы моделируем процессы и декомпозируем операции, почему-то мы не можем делать обратной операции – композиции процессов в операции. Или сам процесс описания предметной области почему-то назван «анализ». Но почему не «синтез»? На мой взгляд, аналитик занимается и тем и другим процессом: и синтезом, и анализом. Строя статистические отчеты, мы занимаемся синтезом, разбирая объекты на части, — анализом.
Но даже с анализом, который вроде, должен быть хорошо описан в стандартах, возникают сложности при реализации.
Конструкция должна помочь нам узнать об объекте что-то новое. Например, рассмотрим плоскую фигуру, частями которой тоже будут плоские фигуры. Возможность такого деления позволяет нам ввести понятие меры Жордана, которая, в свою очередь, позволяет нам ввести понятие площади. Благодаря делению объекта на себе подобные объекты, мы смогли ввести понятие меры. Таким образом, деление воды на воду позволяет нам узнать о воде что-то новое – ее объем. Поэтому деление воды на воду я бы тоже назвал конструкцией, а в определение конструкции зашил тезис о том, что она служит инструментом для достижения понимания.
Ограничения стандартов моделирования
Чего не хватает в стандартах моделирования? Прежде всего, описание класса задач, которые они решают. Стандарты хороши тем, что позволяют разным субъектам создать модель, понимаемую ими одинаково в рамках задач, которые они решают, автоматизировать решения этих задач, наладить обмен информацией между разными информационными системами в рамках решаемых задач и тд. Что плохого в них? Плохо, что в стандартах плохо, а зачастую никак не описаны границы их применения. Поэтому стандарты, заточенные под решение одного класса задач, стремятся распространить на решение другого класса. Если круг задач очерчен, то попытка решить задачу, выходящую за этот круг, должна приводить к изменению стандарта, или отказу от него.
Сейчас становится популярна задача создания единой информационной модели на основе единого онтологического базиса. При этом в качестве основы часто берут какой-то отраслевой стандарт и пытаются отмаппить решение всех задач на этот стандарт (то есть пытаются использовать его как базис, чтобы потом расширить). Но это невозможно, хотя бы потому что разные отрасли деятельности человека производят деление объектов разным способом. Поэтому добавление в единую информационную модель новых знаний связано с созданием новых конструкций и новых объектов, которые надо маппить на уже существующие объекты и конструкции.