3. “Системний аналіз та проектування комп’ютерних інформаційних технологій”
ПОНЯТТЯ СИСТЕМИ, ЕЛЕМЕНТУ, ВІДНОШЕННЯ, ЗВ’ЯЗКУ.
СИСТЕМА (SYSTEM) — сукупність об`єктів і відношень між ними, що утворюють єдине ціле в процесі системогенезу. Аналізуються, оцінюються, проектуються та керовані оптимально за алгоритмом ситемогенезу. Формалізований опис систем за алгоритмом системогенезу дозволяє порівнювати та класифікувати системи, віводячи та використовуючи основоположні базові критерії систем та системності.
КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ СИСТЕМ.
СВОЙСТВА СИСТЕМ
Связанные с целями и функциями
Синергичность — однонаправленность (или целенаправленность) действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы.
Приоритет интересов системы более широкого (глобального) уровня перед интересами её компонентов.
Эмерджентность — цели (функции) компонентов системы не всегда совпадают с целями (функциями) системы.
Мультипликативность — и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения.
Связанные со структурой
Целостность — первичность целого по отношению к частям.
Неаддитивность — принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов.
Структурность — возможна декомпозиция системы на компоненты, установление связей между ними[источник не указан 33 дня].
Иерархичность — каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы.
Связанные с ресурсами и особенностями взаимодействия со средой
Коммуникативность —- существование сложной системы коммуникаций со средой в виде иерархии.
Взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды.
Адаптивность — стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития).
Надёжность — функционирование системы при выходе из строя одной из её компонент, сохраняемость проектных значений параметров системы в течение запланированного периода.
Иные
Интегративность —- наличие системообразующих, системосохраняющих факторов.
Эквифинальность —- способность системы достигать состояний независящих от исходных условий и определяющихся только параметрами системы.
Наследственность.
Развитие - необратимое, направленное, закономерное изменение, универсальное свойство.
Порядок.
Самоорганизация.
КЛАССИФИКАЦИИ СИСТЕМ
Ранги систем
Подсистема — система, являющаяся частью другой системы и способная выполнять относительно независимые функции, имеющая подцели, направленные на достижение общей цели системы.
Надсистема — более крупная система, частью которой является рассматриваемая система.
Термодинамическая классификация
Системы классифицируются по характеру связей параметров системы с окружающей средой.
Закрытые системы — какой-либо обмен энергией, веществом и информацией с окружающей средой отсутствует. Для закрытых систем характерно увеличение беспорядка (второй закон термодинамики).
замкнутые системы — обмениваются только энергией, но не обмениваются веществом;
изолированные системы — любой обмен исключен.
Открытые системы — свободно обменивающиеся энергией, веществом и информацией с окружающей средой. В открытых системах могут происходить явления самоорганизации, усложнения или спонтанного возникновения порядка.
Другие классификации
Пример двух-уровневой классификации систем по-происхождению (природной принадлежности):
Естественные (природные)
неорганические
биологические
экологические
другие
Искуственные
материальные
абстрактные (идеальные)
абстрактно-материальные
Смешанные
социо-технологические
организационно-технические
социально-экономические
другие
Кроме того, выделяют термодинамические системы, диссипативные системы, динамические системы, системы управления, детерминированные и вероятностные системы, живые системы и др..
Закон необходимости разнообразия (закон Эшби)
При создании проблеморазрешающей системы необходимо, чтобы эта система имела большее разнообразие, чем разнообразие решаемой проблемы, или была способна создать такое разнообразие. Иначе говоря, система должна обладать возможностью изменять своё состояние в ответ на возможное возмущение; разнообразие возмущений требует соответствующего ему разнообразия возможных состояний. В противном случае такая система не сможет отвечать задачам управления, выдвигаемым внешней средой, и будет малоэффективной. Отсутствие или недостаточность разнообразия могут свидетельствовать о нарушении целостности подсистем, составляющих данную систему.
Способи керування системами та реалізація ними своїх функцій.
Управление системами — это администрирование распределённых компьютерных систем масштаба предприятия. На развитие управления системами большое влияние оказали инициативы по управлению сетями связи в телекоммуникационной отрасли.
Поняття великих і складних систем.
Поняття структури. Кортежне визначення структури. Приклад структури.
Поняття ієрархії. Види ієрархічних структур. Недоліки і переваги ієрархічної структури. Чим пояснюється широке розповсюдження ієрархічних структур в живих та штучних системах?
Наукове пізнання та моделювання. Модель. Зв’язок між системою та моделлю.
Наукове пізнання, таким чином, — це цілеспрямований процес, який вирішує чітко визначені пізнавальні завдання, що визначаються цілями пізнання. Цілі пізнання, в свою чергу, детермінуються, з одного боку, практичними потребами суспільства, а з іншого — потребами розвитку самого наукового пізнання.
У науковому пізнанні в діалектичній єдності чуттєво-сенситивного та раціонального головна роль належить раціональному мисленню. Проте його основні форми (поняття, судження, умовиводи) не відображають повною мірою його специфіку, оскільки вони функціонують як на донауковому, так і на науковому рівні пізнання. В науковому пізнанні формуються і набувають відносної самостійності такі форми та засоби, як ідея, проблема, гіпотеза, концепція, теорія.
Ідея — це форма наукового пізнання, яка відображає зв'язки, закономірності дійсності і спрямована на її перетворення, а також поєднує істинне знання про дійсність і суб'єктивну мету її перетворення.
Ідея в науковому пізнанні виконує багато функцій, основними з яких є: 1) підсумовування досвіду попереднього розвитку знання; 2) синтезування знання в цілісну систему; 3) виконання ролі активних евристичних принципів пояснення явищ; 4) спрямування пошуку нових шляхів вирішення проблем. Ідея одночасно є і формою осягнення в мисленні явищ об'єктивної дійсності, і включає в себе усвідомлення мети й проектування подальшого розвитку пізнання та практичного перетворення світу, фіксуючи необхідність і можливість такого перетворення. Ідея, таким чином, є особливою формою наукового пізнання. Ідея не просто відображає дійсність такою, як вона існує тут і тепер, але і її розвиток в можливості, в тенденції, вона фіксує не лише суще, але і належне, спрямовує пізнавальну діяльність людини на практичне перетворення дійсності згідно зі змістом наявного знання.
Проблема — це форма і засіб наукового пізнання, що є єдністю двох змістовних елементів: знання про незнання і передбачення можливості наукового відкриття. Проблема є відображенням проблемної ситуації, яка об'єктивно виникає в процесі розвитку суспільства як протиріччя між знанням про потреби людей у яких-небудь результативних практичних та теоретичних діях і незнанням шляхів, засобів, знарядь їх реалізації.
Моде́ль (фр. modèle, от лат. modulus — мера, образец).
Модель — некоторый материальный или мысленно представляемый объект или явление, замещающий оригинальный объект или явление, сохраняя только некоторые важные его свойства, например, в процессе познания (созерцания, анализа и синтеза) или конструирования.
Другими словами, модель — это объект или явление, аналогичные, т.е. в достаточной степени повторяющие свойства моделируемого объекта или явления (прототипа), существенные для целей конкретного моделирования, и опускающие несущественные свойства, в которых они могут отличаться от прототипа.
Поняття мережі Петрі. Теоретико-множинне визначення мереж Петрі. Графи мереж Петрі. Природа систем, які моделюються мережами Петрі.
Вхідна і вихідна функції сітки Петрі.
Мережа Петрі складається з чотирьох елементів: множини позицій Р, множини переходів Т, вхідної функції I і вихідної функції О. Вхідна і вихідна функції пов'язані з переходами і позиціями. Вхідна функція I відображає перехід tj в множину позицій I(tj), які називаються вхідними позиціями переходу. Вихідна функція О відображає перехід tj в множину позицій O(tj), які називаються вихідними позиціями переходу. Структура мережі Петрі визначається її позиціями, переходами, вхідною й вихідною функціями
Позиція pi є вхідною позицією переходу tj в тому випадку, якщо pi Î І(tj); рi є вихідною позицією, якщо рi Î O(tj). Входи й виходи переходів являють собою комплекти позицій. Комплект є узагальненням множини, до якого включені елементи, які багатократно повторюються – тиражовані елементи. Використання комплектів, а не множин для входів і виходів переходу дозволяє позиції бути кратним входом або кратним виходом переходу. Кратністю вхідної позиції pi для переходу tj є число появ позиції у вхідному комплекті переходу. Аналогічно кратністю вихідної позиції pi для переходу tj є число появ позиції у вихідному комплекті переходу. Якщо вхідна і вихідна функції є множинами (а не комплектами), то кратність кожної позиції рівна або 0, або 1. Вхідні й вихідні функції використовуються для відображення позицій у комплекти переходів, також їх можна використовувати для відображення переходів у комплекти позицій. Мережа Петрі є орієнтованим мультиграфом, оскільки допускає існування кратних напрямлених дуг від однієї вершини графа до іншої. Вершини графа можна розділити на дві множини (позиції й переходи) таким чином, що кожна дуга буде направлена від елемента однієї множини (позицій або переходів) до елемента іншої множини (переходів або позицій); отже, такий граф є дводольним орієнтованим мультиграфом. Для графів з великою кратністю використовується пучок дуг, позначений числом кратності, а не зображення всіх кратних дуг. Мережа Петрі виконується за допомогою запусків переходів. Перехід запускається лише в тому випадку, якщо він дозволений, видаленням фішок з його вхідних позицій і утворенням нових фішок, що вміщуються в його вихідні позиції
Представлення системи сіткою Петрі: поняття подій і умов.
Мережа Петрі є орієнтованим мультиграфом, оскільки допускає існування кратних напрямлених дуг від однієї вершини графа до іншої. Вершини графа можна розділити на дві множини (позиції й переходи) таким чином, що кожна дуга буде направлена від елемента однієї множини (позицій або переходів) до елемента іншої множини (переходів або позицій); отже, такий граф є дводольним орієнтованим мультиграфом. Для графів з великою кратністю використовується пучок дуг, позначений числом кратності, а не зображення всіх кратних дуг. Мережа Петрі виконується за допомогою запусків переходів. Перехід запускається лише в тому випадку, якщо він дозволений, видаленням фішок з його вхідних позицій і утворенням нових фішок, що вміщуються в його вихідні позиції
Просте представлення системи мережею Петрі ґрунтується на двох основоположних поняттях: подіях і умовах. Події – це дії, що мають місце в системі. Виникненням подій управляє стан системи. Стан системи може бути описаний множиною умов. Умова – це предикат або логічний опис стану системи. Однією з особливостей є властивий мережам і їх моделям паралелізм або одночасовість. У моделі мережі Петрі дві дозволені не взаємодіючі події можуть відбуватися незалежно одна від одної. Синхронізувати події, поки це не буде потрібно системі, що моделюється, немає потреби. Але, коли синхронізація необхідна, моделювати її легко. Отже, мережі Петрі представляються ідеальними для моделювання систем з розподіленим управлінням, у яких декілька процесів виконуються одночасно. Інша важлива особливість мереж Петрі це їх асинхронна природа.
Правила виконання мереж Петрі. Маркування мереж Петрі.
Модель "сутність-зв’язок”.
Зауваження 1.1 Модель сутність-зв'язок не є моделлю даних оскільки не визначає операцій над даними і обмежується описом лише їхньої логічної структури.
Модель "сутність-зв'язок була запропонована в 1976 р. Ченом (Chen) і отримала подальший розвиток у роботах Баркера (Barker). Нотація Чена надає багатий набір засобів моделювання даних, включаючи власне ERD, а також діаграми атрибутів і діаграми декомпозиції.
Елементи моделі.
Будь-який фрагмент предметної області може бути представлений як множина сутностей, між якими існує певна множина зв'язків.
ER-діаграма предметної області представляється множиною сутностей, атрибутів та зв’язків. Елементи кожної з цих множин представляються вузлами графа для яких ми використовуємо спеціальні форми для визначення їхнього виду:
Множина сутностей представляється прямокутниками.
Атрибути представляються овалами.
Зв’язки представляються ромбами.
Приклад 1.1 На Рис.2.1 представлена ER-діаграма, яка зображає просту базу даних про працівників. Набори сутностей - це Працівник, Посада і Відділ.
Рис. 2.1 Діаграма “сутність-зв’язок” для бази даних працівників
Побудова моделі
Дуже важливою властивістю моделі "сутність-зв'язок є те, що вона може бути представлена у вигляді графічної схеми. Це значно полегшує аналіз предметної області. Існує декілька варіантів позначення елементів діаграми " сутність -зв'язок, кожний з яких має свої позитивні риси. Ми використовуватимемо певний гібрид нотацій Чена (позначення представлення, зв'язків і атрибутів) і Мартіна (позначення степенів і класу належності зв’язків).
У процесі побудови діаграми можна виділити декілька очевидних етапів:
Ідентифікація сутностей і зв'язків, які викликають інтерес.
Ідентифікація семантичної інформації у наборах зв'язків (наприклад, чи є деякий набір зв'язків відображенням 1:n).
Визначення класу належності зв'язків.
Визначення атрибутів і наборів їх значень (доменів).
Організація даних у вигляді відношень "сутність-зв'язок.
Перший етап є визначальним при побудові моделі, його початковою інформацією виступає вміст сховищ даних, який визначається його вхідними та вихідними потоками даних.
Які зв'язки називають бінарними? Наведіть приклад небінарного відношення між поняттями і покажіть, як його представити у вигляді декількох бінарних зв'язків.
Розгляд степенів особливо корисно для бінарних зв'язків. Можуть існувати наступні степені бінарних зв'язків:
один до одного (позначається 1:1). Це означає, що в такому зв'язку сутності з однією роллю завжди відповідає не більше однієї сутності з іншою роллю. У розглянутому прикладі це зв'язок "керує", оскільки у кожному відділі може бути лише один начальник, а співробітник може керувати лише в одному відділі. Даний факт представлений на Рис. 2.2, де прямокутники позначають сутності, а ромб - зв'язок. Оскільки степінь зв'язку для кожної сутності дорівнює 1, то вони з'єднуються однією лінією.
Рис. 2.2 Приклад графічної побудови зв’язку один-до-одного
Іншою важливою характеристикою зв'язку крім його степені є клас належності сутностей які до нього входять. Оскільки у кожному відділі обов'язково повинен бути керівник, то кожній сутності "ВІДДІЛ" неодмінно повинна відповідати сутність "СПІВРОБІТНИК". Проте, не кожний співробітник є керівником відділу, відповідно у даному зв'язку не кожна сутність "СПІВРОБІТНИК" має асоційовану з нею сутність "ВІДДІЛ".
Таким чином, говорять, що сутність "СПІВРОБІТНИК" має обов'язковий клас належності (цей факт є також вказівкою інтервалу кількості можливих входжень сутності у зв'язок, у даному випадку це 1,1), а сутність "ВІДДІЛ" має необов'язковий клас належності (0,1). Тепер даний зв'язок ми можемо описати як 0,1:1,1. Надалі клас належності бінарних зв'язків степені 1 будемо позначати наступним чином:
Рис. 2.3 Приклад позначення бінарних зв’язків степені 1
один до багатьох (1:n). У даному випадку сутності з однією роллю може відповідати будь-яка кількість сутностей з іншою роллю. Таким є зв'язок ВІДДІЛ-СПІВРОБІТНИК. У кожному відділі може працювати довільна кількість співробітників, але співробітник може працювати лише в одному відділі. Графічно степінь зв'язку n відображається "деревоподібною” лінією, як це зроблено на Рис 2.4.
Рис. 2.4 Приклад графічної побудови зв’язку один-до-багатьох
Даний рисунок додатково ілюструє той факт, що між двома сутностями може бути визначено декілька наборів зв'язків.
Тут також необхідно враховувати клас належності сутностей. Кожний співробітник повинен працювати у якому-небудь відділі, але не обов’язково кожний відділ (наприклад, щойно сформований) повинен включати хоча б одного співробітника. Тому сутність "ВІДДІЛ" має обов'язковий, а сутність "СПІВРОБІТНИК" необов'язковий класи належності. Степінь зв’язку бінарних зв'язків степені n будемо позначати наступним чином:
Рис. 2.5 Приклад позначення бінарних зв’язків степені n
багато до одного (n:1). Цей зв'язок аналогічний відображенню 1:n. Припустимо, що представлення нами підприємство будує свою діяльність на підставі контрактів, що підприємство, яке ми розглядаємо, будує свою діяльність на основі контрактів, які укладаються із замовниками. Цей факт відображається у моделі "сутність-зв'язок” (Рис.2.5) за допомогою зв'язку КОНТРАКТ-ЗАМОВНИК, який об'єднує сутності КОНТРАКТ(НОМЕР, ТЕРМІН_ВИКОНАННЯ, СУМА) і ЗАМОВНИК(НАЗВА, АДРЕСА). Оскільки з одним замовником може бути укладено більше одного контракту, то зв'язок КОНТРАКТ-ЗАМОВНИК між цими сутностями матиме степінь n:1.
Рис. 2.5 Приклад графічної побудови зв’язку багато-до-одного
У даному випадку, по представлення очевидних міркуваннях (кожний контракт укладений представлення конкретним замовником, а кожний замовник має хоча б один контракт, інакше він не був би таким), кожне представлення має обов'язковий клас приналежності.
багато до багатьох (n:n). У цьому випадку кожне з асоційованих сутностей може бути представлена будь-якою кількістю екземплярів. Нехай на підприємстві для виконання кожного контракту створюється робоча група, у яку входять співробітники різних відділів. Оскільки кожний співробітник може входити в кілька (у тому числі і в жодну) робочих груп, а кожна група повинна включати не менше одного співробітника, то зв'язок між сутностями СПІВРОБІТНИК і РОБОЧА_ГРУПА має степінь n:n (Рис.2.6.).
Рис. 2.6 Приклад графічної побудови зв’язку багато -до-багатьох
Визначення 1.9 Якщо існування сутності x залежить від існування сутності у, то x називається залежною сутністю (інколи сутність x називають "слабкою", а сутність у – “сильною”).
Приклад 1.5 Розглянемо зв'язок між раніше описаними сутностями РОБОЧА_ГРУПА і КОНТРАКТ. Робоча група створюється лише після того, як буде підписаний контракт із замовником, і припиняє своє існування по виконанню контракту. Таким чином, сутність РОБОЧА_ГРУПА є залежною від сутності КОНТРАКТ. Залежна сутність позначається подвійним прямокутником, а її зв'язок із сильною сутністю лінією із стрілкою:
Рис. 2.7 Приклад графічної побудови сильної та залежної сутності та зв’язок між ними.
Поняття єдиного інформаційного простору.
Методологія функціонального моделювання SADT (IDEF0)
Методология SADT разработана Дугласом Россом. На ее основе разработана, в частности, известная методология IDEF0 (Icam DEFinition.
Методология SADT представляет собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели объекта какой-либо предметной области. Функциональная модель SADT отображает функциональную структуру объекта, т.е. производимые им действия и связи между этими действиями. Основные элементы этой методологии основываются на следующих концепциях:
графическое представление блочного моделирования. Графика блоков и дуг SADT-диаграммы отображает функцию в виде блока, а интерфейсы входа/выхода представляются дугами, соответственно входящими в блок и выходящими из него. Взаимодействие блоков друг с другом описываются посредством интерфейсных дуг, выражающих "ограничения", которые в свою очередь определяют, когда и каким образом функции выполняются и управляются;
строгость и точность. Выполнение правил SADT требует достаточной строгости и точности, не накладывая в то же время чрезмерных ограничений на действия аналитика. Правила SADT включают:
ограничение количества блоков на каждом уровне декомпозиции (правило 3-6 блоков);
связность диаграмм (номера блоков);
уникальность меток и наименований (отсутствие повторяющихся имен);
синтаксические правила для графики (блоков и дуг);
разделение входов и управлений (правило определения роли данных).
отделение организации от функции, т.е. исключение влияния организационной структуры на функциональную модель.
Методология SADT может использоваться для моделирования широкого круга систем и определения требований и функций, а затем для разработки системы, которая удовлетворяет этим требованиям и реализует эти функции. Для уже существующих систем SADT может быть использована для анализа функций, выполняемых системой, а также для указания механизмов, посредством которых они осуществляются.
Склад функціональної моделі SADT (IDEF0)
Состав функциональной модели
Результатом применения методологии SADT является модель, которая состоит из диаграмм, фрагментов текстов и глоссария, имеющих ссылки друг на друга. Диаграммы - главные компоненты модели, все функции ИС и интерфейсы на них представлены как блоки и дуги. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Управляющая информация входит в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается обработке, показана с левой стороны блока, а результаты выхода показаны с правой стороны. Механизм (человек или автоматизированная система), который осуществляет операцию, представляется дугой, входящей в блок снизу(рис.1.).
Одной из наиболее важных особенностей методологии SADT является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель.
Рис 1. Функциональный блок и интерфейсные дуги
На рисунке 2, где приведены четыре диаграммы и их взаимосвязи, показана структура SADT-модели. Каждый компонент модели может быть декомпозирован на другой диаграмме. Каждая диаграмма иллюстрирует "внутреннее строение" блока на родительской диаграмме.
Ієрархія діаграм моделі SADT (IDEF0)
Иерархия диаграмм
Построение SADT-модели начинается с представления всей системы в виде простейшей компоненты - одного блока и дуг, изображающих интерфейсы с функциями вне системы. Поскольку единственный блок представляет всю систему как единое целое, имя, указанное в блоке, является общим. Это верно и для интерфейсных дуг - они также представляют полный набор внешних интерфейсов системы в целом.
Затем блок, который представляет систему в качестве единого модуля, детализируется на другой диаграмме с помощью нескольких блоков, соединенных интерфейсными дугами. Эти блоки представляют основные подфункции исходной функции. Данная декомпозиция выявляет полный набор подфункций, каждая из которых представлена как блок, границы которого определены интерфейсными дугами. Каждая из этих подфункций может быть декомпозирована подобным образом для более детального представления.
Во всех случаях каждая подфункция может содержать только те элементы, которые входят в исходную функцию. Кроме того, модель не может опустить какие-либо элементы, т.е., как уже отмечалось, родительский блок и его интерфейсы обеспечивают контекст. К нему нельзя ничего добавить, и из него не может быть ничего удалено.
Модель SADT представляет собой серию диаграмм с сопроводительной документацией, разбивающих сложный объект на составные части, которые представлены в виде блоков. Детали каждого из основных блоков показаны в виде блоков на других диаграммах. Каждая детальная диаграмма является декомпозицией блока из более общей диаграммы. На каждом шаге декомпозиции более общая диаграмма называется родительской для более детальной диаграммы.
Дуги, входящие в блок и выходящие из него на диаграмме верхнего уровня, являются точно теми же самыми, что и дуги, входящие в диаграмму нижнего уровня и выходящие из нее, потому что блок и диаграмма представляют одну и ту же часть системы.
Рис.3. Одновременное выполнение
Поняття та властивості прототипу програмного виробу. 17. Стратегії застосування прототипу програмного виробу.
Прототип — это макет изделия, используемый для испытания его функций и формы. Прототип становится все более совершенным по мере того, как интегрируются все концептуальные, механические и электрические проектные данные. Полный прототип является виртуальным опытным образцом готового изделия и служит для его оптимизации и проверки. Это снижает потребность в строительстве дорогостоящих физических опытных образцов.
Что такое технология прототипов?
Технология прототипов дает дизайнерским, проектным и производственным подразделениям возможность на практике изучить изделие, прежде чем оно станет реальностью. С помощью данной технологии производители могут создавать проекты, проверять, оптимизировать их и управлять ими с момента создания концепции до стадии изготовления. Использование модели во время разработки проекта помогает конструкторам обмениваться информацией с заинтересованными сторонами, быстрее выводить продукцию на рынок, делать ее все более современной.