1.2. Структура системы

Понятие структуры происходит от латинского слова structure, означающего строение, расположение, порядок. Структура отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство (строение). Структура отражает наиболее существенные подсистемы и компоненты системы и связи между ними, которые мало меняются при функционировании системы и обеспечивают существование системы и ее основных свойств.

Расчленение системы на группы элементов может иметь материальную (вещественную), функциональную, алгоритмическую и другую основу.

Приведем примеры структур.

Структура сборного моста состоит из его отдельных, собираемых на месте секций. Грубая структурная схема укажет только эти секции и порядок их соединения. Последнее и есть связи, которые здесь носят силовой характер. Пример функциональной структуры – это деление двигателя внутреннего сгорания на подсистемы питания, смазки, охлаждения, передачи силового момента. Пример системы, где вещественные и функциональные структуры слиты, – это отделы проектного института, занимающиеся разными сторонами одной и той же проблемы.

Типичной алгоритмической структурой является алгоритм (схема) программного средства, указывающий последовательность действий. Также алгоритмической структурой будет инструкция, определяющая действия при отыскании неисправности технического объекта. Примерами структур других типов являются календарь (временная структура) или деление книги на главы. Ситуация с книгой интересна тем, что здесь основа деления может быть информационной (в научной литературе), вещественной (для типографии глава – это количество бумаги и рабочего труда) или более сложной, основанной на наборе эстетических воздействий на читателя (для художественной литературы).

Обычно понятие структура связывают с графическим отображением. Однако это не обязательно. Структура может быть представлена в матричной форме, в форме теоретико-множественного описания, с помощью языка топологии, алгебры и других средств моделирования систем. В зависимости от связей между элементами различают следующие виды структур:

*  последовательные,

*  параллельные,

*  с обратной связью,

*  сетевые,

*  иерархические

Простейшими из них являются последовательное, параллельное соединения и обратная связь, изображенные на рис. 1.2 – 1.4.

Рис. 1.2. Последовательное соединение

Обратная связь означает, что результат функционирования элемента влияет на поступающие на него воздействия. Как правило, обратная связь выступает важным регулятором в системе. Крайне редко встречается система без того или иного вида обратной связи.

Рис. 1.3. Параллельное соединение

Рис. 1.4. Обратная связь

Сетевая структура или сеть представляет собой декомпозицию (структуризацию) системы во времени (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Сетевая структура

В данной сетевой модели системы пронумерованы вершины сети (состояния системы), а стрелками – дуги сети, которые задают переходы системы из состояния в состояние и определяют поведение системы.

Такие структуры могут отображать порядок действия системы (электрическая сеть, телефонная сеть, последовательность выполнения задач в вычислительной системе и др.).

Иерархические структуры – это структуры с наличием подчиненности, то есть неравноправных связей между элементами, когда воздействия в одном из направлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другом. Они представляют декомпозицию системы в пространстве. Все компоненты системы (вершины, дуги) существуют в этих структурах одновременно.

Рис. 1.6. Древовидная структура

Виды иерархических структур разнообразны. Среди них встречаются такие экзотические, как кольцевые (первый элемент доминирует над вторым, второй – над третьим и т.д., последний – над первым!), или меняющие направление доминирования.


Но основных, важных для практики иерархических структур всего две: древовидная (рис. 1.6) и ромбовидная (рис.1.7).

В данных структурах каждый элемент уровня i подчинен одной или нескольким вершинам вышестоящего уровня i-l. Здесь наиболее высокий уровень — нулевой. Структуры типа рис. 1.6 называют структурами с сильными связями (вершина уровня i подчинена одной и только одной вершине уровня i-l). В свою очередь, структуры типа рис. 1.7 называют структурами со слабыми связями, поскольку вершина уровня i может быть подчинена нескольким вершинам уровня i-l.

Рис. 1.7. Ромбовидная структура

Близким к понятию структуры является термин «декомпозиция».

Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой. Основным стимулом декомпозиции является упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком.

Модульное строение системы и информация

Модулем называется группа элементов системы, описываемая только своими входами и выходами и обладающая определенной цельностью. Входы представляют собой воздействия на элемент, а выходы — воздействия, которые элемент оказывает на другие элементы (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Модуль с входами и выходами

Система может представляться набором модулей и сама рассматриваться как модуль. Модульное построение системы, как правило, определяет ее декомпозицию. Нередко оно определяет и структуру системы. Однако значение понятия модуля в системном анализе шире. Именно модульное строение системы в сочетании с принципами введения все более крупных модулей позволяет рассматривать в принципе сколь угодно сложные системы.

Примерами реализации этого положения является устройство компьютера, а также создание информационных систем и вычислительных сетей, охватывающих целый ряд стран, включая их многоуровневое программное обеспечение. Разработка таких систем обычно идет «сверху», с продумыванием назначения, входов и выходов модулей верхнего уровня и далее спускается вниз, все в большей степени детализируя систему.

Понятие модуля близко к концепции «черного ящика» в кибернетике – так называют объект, в котором известна только зависимость выходов от входов. Важность понятия модуля, входа, выхода подчеркивается большим количеством синонимов в различных разделах науки и техники.

Например, синонимом модуля в технике являются «агрегат», «блок», «узел», «механизм», в программировании – «подпрограмма», «программный модуль», «логический блок», в организации и управлении – «подразделение», «отдел», «цех».

Типичными входами и выходами являются пары: «сигнал – отклик», «воздействие (раздражение) – реакция», «запрос – ответ», «аргумент – решение», «информация – принятие решения», «управление – движение».

Перейдем к анализу понятия информации. Для сложных искусственных систем следует особо выделить информационные связи между элементами. Эти связи часто являются преобладающими в системе. Кроме того, вещественные и энергетические воздействия, как правило, фиксируются и в качестве информации. Так, в гибкой производственной системе информационный характер носит основной системный элемент — комплексы управляющих программ.

В целом информация в системе выступает как собирательный термин для обозначения всех нужных сведений. Информация может изучаться с точки зрения ее получения, хранения, передачи, преобразования, свертки. На практике используется ряд способов количественного описания информации: число сообщений, число файлов в программных средствах, число операторов, объем информации в знаках или двоичных кодах.

В сложных системах особенно важна передача информации. В этом случае выделяют потоки информации, которым соответствуют информационные графы или информационные структуры системы. Информационный граф может быть исследован с целью минимизации потоков или сокращения их длины, с точки зрения наличия или отсутствия дублирования путей передачи информации и т.д.