Лабораторная работа № 2 Проектирование модели информационной системы

Цель работы. Изучение основных видов классификаций моделей. Получение общих навыков проектирования модели «чёрного ящика», модели состава, модели структуры и модели «белого ящика».

Методические указания

Моделирование есть построение, использование и совершенствование моделей. Первоначально моделью называли некое вспомогательное средство, объект, который в определенной ситуации заменяет другой объект.

Далее было признано, что моделями могут служить не только реальные объекты, но и абстрактные, идеальные построения. Типичным примером служат математические модели.

Познавательные и прагматические модели. Разделим модели на познавательные и прагматические, что соответствуют делению целей на теоретические и практические. Познавательные модели являются формой организации и представления знаний, средством соединения новых знаний с имеющимися. Поэтому использование прагматических моделей состоит в том, чтобы при обнаружении расхождений между моделью и реальностью направить усилия на изменения реальности так, чтобы приблизить реальность к модели.

Примером являются планы, программы, уставы, кодексы законов и т.д.

Статические и динамические модели. Модели делятся на статические и динамические. Для одних целей нам может понадобиться модель конкретного состояния объекта, своего рода моментальная фотография интересующего нас объекта. Такие модели называются статическими. Примером являются структурные модели систем. В тех же случаях, когда наши цели связаны не с одним состоянием, а с различием между состояниями, возникает необходимость в отображении процесса, изменений состояния. Такие модели называются динамическими; примером их служат функциональные модели систем.

Абстрактные и материальные модели. Абстрактные модели являются идеальными конструкциями, построенными средствами мышления, сознания. Это языковые модели, вплоть до математических, которые обладают абсолютной точностью, если есть достаточные знания.

Приближенность модели. Характерной чертой модели является приближенность отображения действительности. Величину, меру, степень приемлемости различия мы можем ввести только соотнеся модель с целью моделирования. Скажем, точность наручных часов вполне достаточна для бытовых нужд, и совершенно недостаточна при регистрации спортивных рекордов или для целей астрономии.

Адекватность модели. Модель, с помощью которой успешно достигается поставленная цель, будем называть адекватной этой цели. Подчеркнем, что введенное таким образом понимание не полностью совпадает с требованиями полноты, точности и правильности (истинности): адекватность означает, что эти требования выполнены не вообще, а лишь в той мере, которая достаточна для достижения цели. Например, геоцентрическая модель Птоломея была неправильной, но адекватной в смысле точности описания движения планет.

Модель «черного ящика». Для более определенной и четкой характеристики конструкции системы следует развивать модель системы.

Перейдем от конструктивного определения системы к его визуальному эквиваленту.

1. Приведенное определение не говорит о внутреннем устройстве системы. Поэтому ее можно изобразить в виде непрозрачного «ящика», выделенного из окружающей среды. Эта модель отражает целостность и обособленность от среды.

2. В определении говорится о том, что хотя «ящик» и обособлен, выделен из среды, но он не является полностью изолированным. Система полностью связанна со средой и с помощью этих связей воздействует на среду. Эти связи называются выходами системы. Подчеркнем, что выходы системы соответствуют слову «цель» в определении системы.

Кроме того, система является средством, поэтому можно воздействовать на нее (связи извне) входами.

В результате мы построили модель системы, которая получила название черного ящика (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Это название подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содержании. Такая модель очень часто оказывается полезной. Например, телевизор имеет входы (шнур электропитания, антенна, ручка управления и настройка) и выходы (экран кинескопа и звукодинамики).

Существуют и сложности построения «черного ящика» для конкретных реальных систем.

Пример: опишем выходы системы «наручные часы». Учитывая, что выходы соответствуют конкретизации цели, фиксируем в качестве выхода показания времени в произвольный момент. Затем принимаем во внимание, что сформулированная таким образом цель относится ко всем часам, а не только к нашим наручным часам. Чтобы различить их вносим следующее добавление (выход): удобство ношения часов на запястье; тогда появляется обязательность ремешка или браслета, а с ним и еще один выход: удовлетворение требований санитарии и гигиены. Далее можно добавить следующие выходы: достаточную в бытовых условиях прочность, пылевлагонепроницаемость, достаточную точность, легкость прочтения показаний часов, соответствие моде, цена, габариты, вес. Главной причиной множественности входов и выходов в модели «черного ящика» является то, что всякая реальная система, как и любой объект, взаимодействует с объектами окружающей среды не ограниченным числом способов. Строя модель мы отбираем конечное число входов и выходов по целевому назначению т.е., по существенности той или иной связи по отношению к цели. Несущественные связи не включаем в модель, но они, конечно, все равно действуют независимо от нас. Нередко оказывается, что казавшееся несущественным или неизвестным для нас, является важным и должно быть учтено.

Особое значение это имеет при задании цели системы, т.е. при определении выходов системы главную цель приходится сопровождать заданием дополнительных целей. Важно подчеркнуть, что выполнение только основной цели недостаточно, что невыполнение дополнительных целей может сделать ненужным или даже вредным опасным достижение основной цели.

Модель «черного ящика» часто оказывается не только очень полезной, но в ряде случаев единственно применимой при изучении системы. Например, при влиянии лекарства на живой организм мы выводы делаем только на основании наблюдений; при действительном отсутствии данных о внутреннем устройстве системы приходится ограничиваться только этой моделью.

Модель состава системы. При рассмотрении любой системы обнаруживается, что ее целостность и обособленность (отображенные в модели «черного ящика») выступают как внешние свойства. Внутренность же «ящика» оказывается неоднородной, что позволяет различать составные части самой системы. При более детальном рассмотрении некоторые части системы могут быть, в свою очередь, разбиты на составные части и т.д. Те части системы, которые мы рассматриваем как неделимые, будем называть элементами. Части системы, состоящие более, чем из одного элемента, назовем подсистемами.

В результате получается модель состава системы, описывающая, из каких подсистем и элементов она состоит (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Рис. 2.3

Построение модели состава системы кажется простым делом, но это не так, и причина состоит в следующем:

1. Разные модели состава одной системы получаются вследствие того, что понятие элементарности можно определить по-разному. То, что с одной точки зрения является элементом, с другой оказывается подсистемой, подлежащей дальнейшему разделению.

2. Как и любая модель, модель состава является целевой, и для различных целей один и тот же объект потребуется разбить на разные части. Например, один и тот же завод для директора, бухгалтера, начальника пожарной охраны состоит из совершенно различных подсистем.

3. Модели состава различаются потому, что всякое разделение целого на части, всякое деление системы на подсистемы является относительным. Например, тормозную систему автомобиля можно отнести либо к подсистеме управления, либо к ходовой части. Таким образом, границы между подсистемами условны. Это относится и к границам самой системы и окружающей среды.

Модель структуры системы. Для достижения ряда целей недостаточно иметь представленные две модели системы. Необходимо еще установить между элементами связи − отношения. Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы.

Перечень связей между элементами (т.е. структура системы) является абстрактной моделью: установлены только отношения между элементами, но не рассмотрены сами элементы. Когда мы рассматриваем некоторую совокупность объектов как систему, то из всех отношений важными, т.е. существенными для достижения цели, являются лишь некоторые. Например, при расчете механизма не учитываются силы взаимного притяжения его деталей, хотя, согласно законам всемирного тяготения, такие силы объективно существуют. Зато вес деталей (т.е. сила их притяжения к земле) учитывается обязательно.

Структурная схема системы. Если мы объединим модели «черного ящика», состава и структуры, то получим еще одну модель, которую будем называть структурной схемой системы («белый ящик», «конструкция системы»). В структурной схеме указываются все элементы системы, все связи между элементами внутри системы и связи определенных элементов с окружающей средой (входы и выходы системы). Приведем пример структурной схемы «синхронизируемые часы» (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Элементы системы изображены в виде прямоугольников; связи 1-3 между элементами; вход 4 изображает поступление энергии извне; вход 5 соответствует регулировке индикатора; выход 6 − показание часов.

Функционирование и развитие. Уже на этапе «черного ящика» различают два типа динамики системы: ее функционирование и развитие. Под функционированием подразумевают процессы, которые происходят в системе (и окружающей среде), стабильно реализующие фиксированную цель (функционируют, например, часы, городской транспорт, школа, телевизор и т.д.).

Развитием называют то, что происходит с системой при изменении ее целей.

Характерной чертой развития является тот факт, что существующая структура перестает соответствовать новой цели и для обеспечения новой функции приходится изменять структуру, а иногда и состав системы, перестраивать всю систему.

Не следует считать, что система всегда находится либо в фазе развития, либо в состоянии функционирования. При реконструкции одного цеха остальные функционируют, завод в целом развивается. Даже при коренной перестройке системы какие-то элементы и даже подсистемы старой структуры могут продолжать функционировать по-прежнему.

Следующий шаг в построении динамических моделей состоит в том, чтобы конкретнее отобразить происходящие изменения. Это значит, что следует различать части, этапы происходящего процесса, рассматривать их взаимосвязи. Иными словами, типы динамических моделей такие же, как и статические, только элементы этих моделей имеют временной характер. Например, динамический вариант «черного ящика» − указания начального («вход») и конечного («выход») состояний системы (например, как в пятилетнем плане). Модели состава соответствует перечень этапов в некоторой упорядоченной последовательности действий. Динамический вариант «белого ящика» − это подробное описание происходящего или планируемого процесса. Например, на производстве широко используют так называемые сетевые графики − графы, имеющие сетевую структуру; их вершинами служат выполняемые производственные операции, а ребра указывают, какие операции не могут начаться, пока не окончатся предыдущие. Здесь же некоторым образом (задание длин или весов ребер) изображается длительность выполнения операций, что и позволяет находить на графе «критические» пути, т.е. последовательность операций, от которых главным образом зависит ритмичность всей работы.