Систему, входящую в состав какой-то другой, более крупной системы, называют подсистемой.

Из данного определения следует, что системный блок является подсистемой персонального компьютера, а процессор — подсистемой системного блока.

А можно ли сказать, что какая-то простейшая деталь компьютера, например гайка, системой не является? Все зависит от точки зрения. В устройстве компьютера гайка — простая деталь, поскольку на более мелкие части она не разбирается. Но с точки зрения строения вещества, из которого сделана гайка, это не так. Металл состоит из молекул, образующих кристаллическую структуру, молекулы состоят из атомов, атомы — из ядра и электронов. Чем глубже наука проникает в вещество, тем больше убеждается, что нет абсолютно простых объектов. Даже частицы атома, которые называют элементарными, например электроны, тоже оказались не простыми объектами.

Любой реальный объект бесконечно сложен. Описание его состава и структуры вcегда носит модельный характер, т. е. является приближенным. Степень подробности такого описания зависит от его назначения. Одна и та же часть системы в одних случаях может рассматриваться как ее простой элемент, в других случаях — как подсистема, имеющая свои состав и структуру.

Модели систем.Всякая реальная система бесконечно сложна. Поэтому любое ее описание носит приближенный, а стало быть, модельный характер. Вид модели зависит от целей, для которых она создается. Существуют различные варианты модельного описания систем.

Модель «черного ящика». Всякая система — это нечто цельное и выделенное из окружающей среды. Система и среда взаимодействуют между собой. В системологии используется представление о входах и выходах системы. Вход системы – это воздействие на систему со стороны внешней среды, а выход – это воздействие, оказываемое системой на окружающую среду. Модель «черного ящика» используется в тех случаях, когда внутреннее устройство системы не представляет интереса, но важно описать ее внешние взаимодействия (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Модель «черного ящика»

Например, в любой инструкции по использованию бытовой техники (телевизор, магнитофон, стиральная машина и пр.) дается описание работы с ней на уровне входов и выходов: как включить, как регулировать работу, что получим на выходе. Такое представление может быть вполне достаточным для пользователя данной техникой, но недостаточным для специалиста по ее ремонту.

Другой пример. С точки зрения человека, далекого от системы высшего образования, университет есть «черный ящик», на входе которого – выпускники школ, а на выходе – дипломированные специалисты.

Модель состава системы дает описание входящих в нее элементов и подсистем, но не рассматривает связей между ними. Например, модель состава системы «Университет» представлена на рис. 6.4.

Каждая из отмеченных на этом рисунке составляющих системы «Университет» является подсистемой со своим составом. Поэтому для этих подсистем также можно построить свои модели состава.

Разумеется, такой модели недостаточно для того, чтобы понять, как функционирует университет. И все-таки она дает более подробное представление об университете, чем модель «черного ящика».

Рис. 6.4. Модель системы «Университет»

Структурная модель системы. Эту модель еще называют структурной схемой. На структурной схеме отражается состав системы и ее внутренние связи. Для отображения структурной схемы системы используются, например, графы. Познакомимся подробнее с этим способом.

В качестве примера системы рассмотрим некоторую местность, состоящую из поселков, связанных между собой дорогами. Вот вербальное (словесное) описание этой местности: «Наш район состоит из пяти поселков: Репкино, Дедкино, Бабкино, Кошкино и Мышкино. Автомобильные дороги проложены между Дедкино и Бабкино, Дедкино и Кошкино, Бабкино и Мышкино, Бабкино и Кошкино, Кошкино и Репкино». По такому описанию довольно трудно представить себе эту местность, тем более запомнить. А представьте себе, что поселков было бы не 5, а 25. Все гораздо понятнее становится из схемы на рис. 6.5 (на ней поселки обозначены первыми буквами своих названий).

Рис. 6.5. Неориентированный граф

Это не карта местности. Здесь не выдержаны направления по сторонам света, не соблюден масштаб. На этой схеме отражен лишь факт существования пяти поселков и дорожной связи между ними. Такая схема называется графом.

Граф отображает элементный состав системы и структуру связей между ее элементами.

Составными частями графа являются вершины и соединяющие их линии. Здесь вершины изображены кружками — это обозначения элементов системы, а линии — это обозначения связей (отношений) между элементами. Глядя на этот граф, легко понять структуру дорожной системы в данной местности.

Построенный граф позволяет, например, ответить на вопрос, через какие поселки надо проехать, чтобы добраться из Репкино в Мышкино. Видно, что есть два возможных пути; обозначим их так:

1) Р — К — Б — М;

2) Р_— К — Д — Б — М.

Очевидно, первый путь более выгодный, потому что он короче. Однако если по какой-то причине дорога между К и Б окажется непроезжей (начнутся ремонтные работы или дорогу занесет снегом), то единственным остается второй путь.

Разновидность графа, пример которой изображен на рис. 6.5, называют сетью.

Для сети характерна возможность множества различных путей перемещения по ребрам между некоторыми парами вершин.

Для сетей также характерно наличие замкнутых путей, которые называются циклами. На рис. 6.5 имеется цикл: К — Д — Б — К. Кстати, термин «дорожная сеть» используется и в разговорной речи. И чем такая сеть гуще, тем лучше для дорожного сообщения, поскольку появляется множество различных вариантов проезда.

Граф, изображенный на рис. 6.5, является неориентированным. Линии, соединяющие вершины неориентированного графа, называются ребрами. На рис. 6.5 каждое ребро обозначает наличие дорожной связи между двумя пунктами. Дорожная связь действует одинаково в обе стороны: если по дороге можно проехать от Б к М, то по ней же можно проехать и от М к Б. Такую связь еще называют симметричной.

А теперь рассмотрим другой пример графа, изображенный на рис. 6.6.

Этот пример относится к медицине. Известно, что у человека может быть одна из четырех групп крови. Оказывается, что при переливании крови от одного человека к другому не все группы совместимы. Граф на рис. 6.6 показывает возможные варианты переливания крови. Группы крови обозначены вершинами графа с соответствующими номерами, а стрелки указывают на возможность переливания крови одной группы человеку с другой группой крови. Например, из этого графа видно, что кровь первой группы можно переливать любому человеку, а человек с первой группой крови воспринимает только кровь своей группы. Видно также, что человеку с четвертой группой крови можно переливать любую кровь, но его собственную кровь можно переливать только человеку с той же группой крови.

Рис. 6.6. Ориентированный граф

Связи между вершинами данного графа несимметричны и поэтому изображаются направленными линиями со стрелками. Такие линии принято называть дугами (в отличие от ребер неориентированных графов). Граф с такими свойствами называется ориентированным. Линия, выходящая из некоторой вершины и входящая в нее же, называется петлей. На рис. 6.6 присутствуют четыре такие петли.

Нетрудно понять преимущества изображения системы переливания крови в виде графа по сравнению с вербальным описанием тех же самых правил.

Теперь рассмотрим граф иерархической системы (рис. 6.7).

Иерархическими называются системы, между элементами которых установлены отношения подчиненности или вхождения друг в друга.

Граф иерархической системы называется деревом.

Дерево не имеет циклов и петель; между любыми двумя вершинами существует единственный путь.

Выделенная в дереве вершина, которая не имеет исходных вершин, называется корнем. От корня начинается отсчет уровней дерева. Связь между некоторой вершиной и порожденными ею вершинами имеет тип «один ко многим».

Рис. 6.7. Иерархическая структура доменных адресов в Интернете

Примерами иерархических систем в информатике являются файловая система диска, система доменных адресов в Интернете.

6.1.2. Системное проектирование

Классическое проектирование ИС берет свое начало в 70-х г.г. прошлого столетия. Одно из первых направлений получило название «каскадной» схемы проектирования. Она широко использовалась при проектировании АСУ и включала следующие стадии проекта: запуск, обследование, концепция технического задания, эскизный проект, технический проект, рабочий проект, ввод в действие (внедрение). Основной особенностью данной методики является последовательная организация работ при формировании структуры ИС на заранее определенный ряд подсистем: организационное, методическое, информационное, программное и аппаратное обеспечения. Основными недостатками «каскадной» схемы проектирования являются запаздывание получения конечных результатов и низкая эффективность.

В процессе совершенствования появилась схема непрерывной разработки ИС, использовавшаяся при реализации больших проектов фирмы IBM в 1970 – 1980 гг. Характерной особенностью данной методики стал непрерывный спиральный процесс разработки ИС с планируемыми точками передачи в эксплуатацию новых версий и новых функциональных подсистем.

Развитие схемы непрерывной разработки связано с совершенствованием циклических форм проектирования. Примером такого подхода является ускоренный метод проектирования, получивший название «Быстрое прототипирование». В проектный цикл дополнительно были включены стадии разработки макета-прототипа и его опробование. Недостатками схемы непрерывной разработки является жесткость используемых моделей проектирования и закрытость создаваемых ИС.

Следствием недостатков классических методов проектирования явился переход к системному проектированию.

Системный подход оперирует рядом категориальных понятий. Его фундаментальным понятием является понятие системы, давая которое необходимо преследовать определенную цель. Если целью является познание уже существующей системы, то вполне пригодным оказывается дескриптивное определение системы, которое заключается в следующем: система – это совокупность объектов, свойства которой определяются отношением между этими объектами. Объекты называют подсистемами или элементами системы. Каждый объект при самостоятельном исследовании может рассматриваться как система. Функции объекта определяются его внутренним устройством. Таким образом, дескриптивное определение системы играет познавательную роль для объяснения функций, реализуемых ею. Функции системы проявляются в процессе ее взаимодействия с внешней средой. При этом важно определить границу между внешней средой и создаваемой системой. Это можно осуществить на основе конструктивного определения системы. Особое значение конструктивный подход имеет для технических систем.

Любая техническая система создается с заранее известной целью. Цель такой системы обычно является субъективной, поскольку она предлагается разработчиком, но эта цель должна исходить из объективных потребностей общества. Таким образом, можно считать, что цель формируется в процессе взаимодействия между явлениями окружающей нас действительности. При этом возникает ситуация, которая заставляет строить новую систему. Ситуация может стать проблемной, если она не разрешается имеющимися средствами. Могут создаваться новые недостающие средства, и в этом смысле ярким примером является информационная технология.

В обществе уже давно сформировались идеология и практика применения различных средств сбора, передачи, хранения, обработки и представления информации. Однако их разрозненное применение или использование их ограниченной совокупности не позволяло до сих пор получить значительный системный эффект. Необходим подход к информационным технологиям как к системе. Такой подход является обоснованным ввиду того, что информационная технология обладает единой целью, а именно – необходимостью формирования информационного ресурса в обществе, имеет сопрягаемые взаимодействующие средства ее реализации, характеризуется тенденцией развития в связи с интенсивным обновлением средств вычислительной техники и техники связи. Анализ информационных технологий как системы следует выполнять на основе дескриптивного определения, разработка информационных технологий должна базироваться на конструктивном подходе. Такой подход предполагает необходимость возникновения проблемной ситуации для разработки системы. Можно считать, что возникающая проблема порождает будущую систему. Прежде всего разработчик должен определить границы системы, полагая, что цель ее функционирования известна. Необходимо в состав системы включить те элементы, которые своим функционированием обеспечивают реализацию заданной цели, а следовательно, конструктивное определение системы состоит в следующем: система – это конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, которые выделяются из окружающей среды в соответствии с поставленной целью в рамках определенного временного интервала ее реализации. Все то, что не вошло в состав системы, относят к окружающей среде. Очевидно, что окружающая среда включает в себя другие системы, которые реализуют свои цели функционирования. Входы и выходы системы связаны с внешней средой. На модельном уровне выделяют модель системы, модель внешней среды на входе системы, модель внешней среды на выходе системы и модели связей между системой и внешней средой на входе и выходе. Внешней средой для информационной технологии могут выступать производство, научное исследование, проектирование, обучение и т. д. Связи между информационной технологией и внешней средой носят чисто информационный характер. В процессе взаимодействия с внешней средой реализуются основные функции информационной технологии. Функции как проявление свойств системы во времени тесно связаны с ее структурой. Дескриптивный подход реализуется путем изучения функции либо структуры системы. В соответствии с этим в теории систем получили применение функциональный и структурный подходы.

Учитывая, что структура отображает связи между элементами системы с учетом их взаимодействия в пространстве и во времени, можно утверждать, что структурный подход есть развитие дескриптивного подхода. Он служит для изучения (познания) какой-то существующей системы. Функциональный подход отображает функции системы, реализуемые в соответствии с поставленной перед ней целью. Поэтому функциональный подход есть развитие конструктивного. Функции системы должны быть заданы при ее построении и должны реализовываться при функционировании системы.

Структура системы описывается на концептуальном, логическом и физическом уровнях. Концептуальный уровень позволяет качественно определить основные подсистемы, элементы и связи между ними. На логическом уровне могут быть сформированы модели, описывающие структуру отдельных подсистем и взаимодействия между ними. Физический уровень означает реализацию структуры на известных программно-аппаратных средствах. Так как техническая система создается искусственно, то цель ее функционирования заранее субъективно известна. Можно считать, что этой цели соответствуют определенный перечень функций и некоторая оптимальная структура системы. Такая структура получила название формальной. Под ней понимают совокупность функциональных элементов и отношений между ними, необходимых и достаточных для достижения системой заданной цели. Формальная структура есть некоторая идеальная структура, не имеющая физического наполнения. Эта структура реализуется различными средствами, поэтому ей может соответствовать ряд реальных наполнений. Внешняя среда, взаимодействуя с информационной технологией как с системой, может выступать как метасистема, ставя перед ней определенные задачи и формулируя цели. Внедрение информационных технологий в жизнь общества за конечный временной интервал будет иметь эффект, если будут типизированы системы, в которые внедряются информационные технологии, и определены типовые структуры последних. В зависимости от системы, в которую внедряются информационные технологии, возможно различное пространственное распределение пользователей и средств информационной технологии. Разным может быть и комплекс решаемых задач. Характер и временной интервал реализации целей информационной технологии также зависят от того, в какой области она используется: в промышленности, научных исследованиях, проектировании, обучении и т. д. Весьма важным является согласование структуры информационной технологии с организационной структурой той системы, в которой она используется. Отсутствие типовых структур организационного управления предприятием, производственными процессами значительно затрудняет возможности использования информационных технологий. Возникает задача создания широкого набора конкретных информационных технологий, настроенных на параметры реальных систем. Таким образом, для инженера-системотехника информационная технология становится массовым объектом разработки.

При использовании информационных технологий в системном аспекте необходимо соблюдать следующие принципы:

1. Наличие сформулированной единой цели у информационных технологий в рамках разрабатываемой системы.

2. Согласование информационных технологий по входам и выходам с окружающей средой.

3. Типизация структур информационных технологий.

4. Стандартизация и взаимная увязка средств информационной технологии.

5. Открытость информационных технологий как системы.

Контрольные вопросы

1. Что такое система? Приведите примеры.

2. Что такое структура? Приведите примеры.

3. Какие системы имеют одинаковый состав (одинаковые элементы), но разную структуру?

4. В чем суть системного эффекта? Приведите примеры.

5. Что такое подсистема?

6. Какие существуют типы моделей систем? Чем они отличаются?

7. Что такое граф? Из чего он состоит?

8. Что такое сеть? Какие характерные особенности имеет сеть?

9. Какой граф называется неориентированным?

10. Какой граф называется ориентированным? Приведите примеры.

11. В чем суть «каскадной» схемы проектирования информационных систем?

12. Каковы основные преимущества схемы непрерывной разработки?

13. Каковы основные понятия системного подхода?

14. В чем различие дескриптивного и конструктивного подходов?

15. В чем состоит суть концептуального, логического и физического уровня описания структуры системы?

16. Каковы основные принципы использования информационных технологий в системном аспекте?