Теория систем и системный анализ, Лабораторная рабоа №1, 3 вариант

Лабораторная работа No1. Построение модели "чёрный ящик".
Цель работы: освоить построение модели типа "чёрный ящик".
1.1 Теоретические сведения.
Модель есть отображение свойств какого-либо объекта при его
изучении. При моделировании свойства одного объекта переносятся на
другой таким образом, чтобы взаимосвязь свойств модели и свойств
изучаемого объекта была аналогичной. Отображения объектов называются
моделями, а процесс их создания – моделированием. Модель "чёрный ящик"
– это система, в которой внешнему наблюдателю доступны лишь входные и
выходные величины, а структура и внутренние процессы не известны.
Любая вещь, любой предмет, любое явление, любой познаваемый
объект – всегда первоначально выступает как "чёрный ящик". Название
модели "чёрный ящик" образно подчёркивает полное отсутствие сведений о
внутреннем содержании "ящика": в этой модели задаются, фиксируются,
перечисляются только входные и выходные связи системы со средой (обычно
не описываются даже "стенки ящика", т.е. границы между системой и средой,
они лишь подразумеваются, признаются существующими). Графическая
модель типа "черный ящик" отображает только связи системой со средой, в
виде перечня "входов" и "выходов" (Рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Графическая модель "черного ящика".
Модель типа "чёрный ящик", несмотря на внешнюю простоту и
отсутствие сведений о внутренности системы, часто оказывается полезной.
Во многих случаях эксплуатации системы достаточно содержательного
словесного описания входов и выходов; тогда модель "чёрного ящика"
является просто их списком.
Например, бытовая модель телевизора такова: входы – шнур
электропитания, антенна, ручки управления и настройки; выходы – экран
кинескопа и звуковые динамики. В других случаях требуется количественное
описание некоторых или всех входов и выходов. Пытаясь максимально
формализовать модель "чёрного ящика", мы приходим к заданию двух
множеств X и Y входных и выходных переменных, но никаких других
отношений между этими множествами фиксировать невозможно.
При изучении систем модель "чёрного ящика" в ряде случаев
оказывается не только очень полезной, но и единственно применимой.
Например, при исследовании психики человека или влияния лекарства на
живой организм мы лишены возможности вмешательства в систему иначе,
как только через её входы, а выводы делаем только на основании наблюдения
за её выходами. Это вообще относится к таким исследованиям, в результате
проведения которых нужно получить данные о системе в обычной для неё
обстановке, где следует специально заботиться о том, чтобы измерения как
можно меньше влияли на саму систему. Другая причина того, что приходится
ограничиваться моделью "чёрного ящика", – действительное отсутствие
данных о внутреннем устройстве системы. Например, мы не знаем, как
"устроен" электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическими и
магнитными полями (а также с гравитационным полем). Это и есть описание
электрона на уровне модели "чёрного ящика".
Проблема построения модели типа "чёрный ящик" заключается в
правильном определении цели исследуемой системы. Цель – это
субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого
состояния среды, которое решило бы возникшую проблему. Вся
последующая деятельность, способствующая решению этой проблемы,
направлена на достижение поставленной цели, т.е. это работа по созданию
системы. Приведём несколько упрощённых примеров систем,
предназначенных для реализации определённых целей (см. Табл. 1.1).
Таблица 1.1 – Системы и цели.
No Цель Система
1 В произвольный момент указать время Часы
2 Обеспечить выпечку хлеба в заданном ассортименте для
большого количества людей
Пекарня
3 Передать зрительную и звуковую информацию на
большое расстояние практически мгновенно
Телевидение
4 Обеспечить перемещение людей в городе Городской
транспорт
Отметим, что далеко не просто сформулировать цели так, чтобы имелось
действительно очевидное соответствие между целями и системами.
Например, только слова "практически мгновенно" в примере 3 Табл. 1.1
отличают цель телевидения от цели кино или пересылки видеокассет. В то же
время, между целью (абстрактной и конечной моделью) и реальной системой
нет и не может быть однозначного соответствия: для достижения заданной
цели могут быть избраны разные средства – системы. С другой стороны,
заданную систему можно использовать и для других целей, прямо на
предусмотренных при её создании. В инженерной практике момент
формулирования цели – один из важнейших этапов создания систем. Обычно
цели уточняются итеративно, с многократными изменениями и
дополнениями. Любая модель, в том числе модель "чёрный ящик", должна
отвечать следующим требованиям:
1) адекватности модели, т.е. – соответствовать действительности
предсказаний, сделанных на основе моделей, и соответствовать
целям проектов, сделанных на основе моделей;
2) экономичности с точки зрения расхода, энергии, материалов,
времени и др.
Сложность построения модели "чёрный ящик" заключается в
множественности входов и выходов. Главной причиной множественности
входов и выходов в модели "чёрного ящика" является то, что всякая реальная
система, как и любой объект, взаимодействует с объектами окружающей
среды неограниченным числом способов. Строя модель системы, мы из этого
бесчисленного множества связей отбираем конечное их число для включения
в список входов и выходов.
Критерием отбора при этом является целевое назначение модели,
существенность той или иной связи по отношению к этой цели. То, что
существенно, важно – включается в модель, то, что несущественно, неважно
– не включается. Именно здесь возможны ошибки. Тот факт, что мы не
учитываем в модели, исключаем из рассмотрения остальные связи, не лишает
их реальности, они всё равно действуют независимо от нас. И нередко
оказывается, что казавшееся несущественным или неизвестным для нас на
самом деле является важным и должно быть учтено.
Особое значение этот момент при задании цели системы, т.е. при
определении её выходов. Это относится и к описанию существующей
системы по результатам её обследования, и к проекту пока ещё не
существующей системы. Реальная система неизбежно вступает во
взаимодействия со всеми объектами окружающей среды, поэтому важно как
можно раньше, лучше всего ещё на стадии построения (проектирования)
модели, учесть всё наиболее важное.
Главную цель приходится сопровождать заданием дополнительных
целей. Важно подчеркнуть, что выполнения только основной цели
недостаточно, что невыполнение дополнительных целей может сделать
ненужным или даже вредным и опасным достижение основной цели. Этот
момент заслуживает особого внимания, так как на практике часто
обнаруживается незнание, непонимание или недооценка важности
указанного положения. Между тем оно является одним из центральных во
всей системологии.
1.2. Пример выполнения работы.
Выполним построение модели "чёрный ящик" системы "наручные
часы". Главной целью данной системы является показание времени в
произвольный момент и удобство ношения на запястье. Учитывая, что
выходы соответствуют конкретизации цели, фиксируем в качестве выхода
показание времени в произвольный момент, а в качестве входа – зрение
человека и циферблат.
Данный вход и выход относятся ко всем часам, а не только к нашим
наручным часам. Чтобы выполнить цель полностью, вносим следующее
добавление
(вход): запястье – ремешок или браслет и
(выход): удобство ношения часов на запястье.
Можно добавить и ещё один
вход: химический состав материалов и
выход: удовлетворение требований санитарии и гигиены, так
как не любое крепление часов на руке допустимо с этой
точки зрения.
Далее, представив себе условия эксплуатации часов, можно добавить
вход: механические удары, влага, пыль;
выход: достаточная в бытовых условиях прочность,
пылевлагопроницаемость.
Затем, расширив понятие "условия эксплуатации часов", добавим ещё два
выхода: достаточную для бытовых нужд точность; лёгкость
прочтения показания часов при беглом взгляде на
циферблат.
Можно ещё более расширить круг учитываемых требований к часам, что
позволит добавить несколько входов и выходов:
соответствие стилю;
соответствие цены часов покупательной способности
потребителя.
Очевидно, что список желаемых, т.е. включаемых в модель, входов и
выходов можно продолжать. Например, можно потребовать, чтобы
имелась возможность прочтения показаний часов в полной
темноте, и реализация этого входа приведёт к
существенному изменению конструкции часов, в которой
могут быть различные варианты подсветки, считывания на
ощупь или подачи звуковых сигналов (последние две
возможности особенно полезны для людей с
ограниченными возможностями).
Можно рассмотреть ещё и другие выходы, такие как
габариты,
вес
и многие другие физические,
химические,
экономические и
социальные аспекты использования наручных часов.
Пример построения графической модели "чёрный ящик" системы
"наручные часы" показан на Рис. 1.2.

2023, ДО СИБГУТИ, оценка зачет