в чем состоит назначение модели черного ящика в системном моделировании
Модель «чёрного ящика»
Система модели «чёрного ящика»
Говоря о конкретной системе, необходимо упомянуть не только о её назначении, но и об её устройстве. Чтобы понять, что такое система и её конструкция, нужно развивать её модель, прорабатывая имеющуюся информацию таким образом, чтобы в результате получить более удобную форму модели, дополняя модель по мере необходимости нужными сведениями.
Наибольшую пользу и важность для человека несут наглядные, образные, визуальные модели. В самом определении модели ничего не говорится о её внутреннем устройстве. В силу этого можно вообразить, что модель – это прозрачный ящик, выделенный из окружающей среды. Важно заметить, что даже самая простая модель своеобразным способом может отражать два самых важных свойства системы: целостность и обособленность от среды. Более того, стоит отметить, что определение системы лишь косвенно сообщает о том, что, хотя ящик и обособлен, выделен из среды, но никак не может находится в полной изоляции.
Достигнутая цель – это запланированные заранее изменения в окружающей среде, какие-то продукты деятельности системы, которые предназначены для потребления вне её.
Другими словами, система имеет связь со средой и посредством этих связей влияет на среду. Такие связи назвали выходами системы. Стоит обратить внимание, что выходы системы в данной модели соответствуют слову «цель» в словесной модели системы.
Более того, данный термин имеет указание на наличие связей иного рода: система представляет собой средство, что даёт основание полагать о существовании возможностей её использования, воздействия на неё. Иными словами, подобные связи со средой направлены извне в систему. Их называют входами в систему.
Устройство модели «чёрного ящика»
В итоге выстраивается модель системы, которая получила название чёрного ящика. Это название ярко отражает идею о том, что в данной модели полностью отсутствует какая-либо информация о его внутреннем содержании. Суть этой модели в том, что в ней задаются, фиксируются, перечисляются только входные и выходные связи системы со средой.
В такой модели не описываются даже своеобразные стенки ящика или, границы между системой и средой. Они скорее только подразумеваются, признаются существующими.
Такая модель зачастую очень полезна, даже при условии, что внешне она очень проста, а о внутренних сведениях и вовсе ничего не известно. Практически всегда достаточно лишь содержательного словесного описания входов и выходов. Интересно, что в такой ситуации модель чёрного ящика представляет собой список именно этих факторов.
Бытовая модель телевизора такая: входы – шнур электропитания, антенна, кнопки управления на пульте; выходы – экран и звуковые колонки.
Касательно других случаев, то необходимо более детально описать количественные факторы всех входов и выходов. В стремлениях максимально формализовать модель чёрного ящика, нужно задать всего два множества X и Y и выходных переменных. Важно, что никаких других отношений между ними фиксировать нельзя, в противном случае эта система примет вид уже не чёрного ящика, а скорее прозрачного или белого.
ТСиСА. Ответы на контрольные вопросы.
1. Дайте определение модели «черный ящик».
«Черный ящик» — термин, который обозначает систему или механизм работы, которой очень сложен, неизвестен или неважен в рамках данной задачи. Такие системы обычно имеют некий «вход» для ввода информации и «выход» для отображения результатов работы. Состояние выходов обычно функционально зависит от состояния входов. В модель включается то, что существенно для достижения цели (целевое назначение модели).
Модель «черного ящика» — модель системы, представляющая собой структуру с известными выходными и входными параметрами и неизвестным внутренним устройством. Исследуя известные параметры, с помощью такой модели можно получить представление о внутреннем устройстве.
2. Приведите примеры:
а) системы, предназначенной для выполнения определенной цели, но которую можно использовать и для других целей;
б) системы, спроектированной специально для реализации нескольких различных целей;
Система – совокупность объектов, обладающих интегративным свойством.
Интегративные свойства системы:
Самолёт предназначен для воздушных перевозок, но не может совершать подводные плавания. Результат действия – перемещение по воздуху.
Лопата предназначена только для копания сыпучих материалов, но не для обработки драгоценных камней. Результат действия – перенос сыпучих материалов.
а) Например, можно привести ситуацию 90-х годов в России, когда произошла конверсия военного производства — перевод предприятий, выпускающих военную продукцию, на производство гражданской, мирной продукции, а также использование их научно-технических разработок в мирных целях. Например, Красногорский завод имени С.А. Зверева, выпускавший военно-техническую оптику, так же начали выпуск бытовой оптики «Зенит».
б) Корпорация Sony — производитель аудио и видео техники, но отличается тем, что она не только производит телевизоры, видеокамеры и музыкальные центры, но и ведет огромную научно-исследовательскую работу. Специализируется не только на электронной технике, но и на производстве аккумулирующих устройств, необходимых к электронной технике аксессуаров и ведет научно-исследовательские работы в сфере микроэлектроники и кибернетики.
3. Сформулируйте цель работы вашего факультета так, чтобы она не была общей для других факультетов, в том числе для родственных факультетов других вузов.
Характерной чертой новой экономики информационного общества как раз и является то, что она все больше основывается на инновациях, информационных продуктах и знаниях, а не только на расширяющемся потреблении невосполнимых природных ресурсов.
Основной задачей факультета информатики является подготовка квалифицированных кадров, способных разрабатывать и внедрять сложные информационные и интеллектуально-аналитические системы в бизнесе и государственном секторе управления. Выпускники факультета информатики готовы к профессиональной деятельности в качестве разработчиков ИС в экономике и менеджменте, специалистов по управлению корпоративными информационными системами и информационными ресурсами организации, разработчиков информационных технологий электронного бизнеса, когнитивных и системных бизнес-аналитиков, специалистов по технологиям управления знаниями организации, IT-консультантов.
4. Приведите пример, когда модель «черного ящика» оказывается единственно применимой.
Модель «черного ящика» часто оказывается не только очень полезной, но в ряде случаев единственно применимой при изучении систем. Например, при исследовании психики человека или влияния лекарства на живой организм мы лишены возможности вмешательства в систему иначе, как только через ее входы, и выводы делаем только на основании наблюдения за ее выходами. Это вообще относится к таким исследованиям, в результате проведения которых нужно получить данные о системе в обычной для нее обстановке, где следует специально заботиться о том, чтобы измерения как можно меньше влияли на саму систему. Другая причина того, что приходится ограничиваться только моделью «черного 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, с гравитационным полем. Это и есть описание электрона на уровне модели «черного ящика».
5. Дайте определения модели состава.
Модель состава системы — более детальный анализ системы, разбив её на части, которые могут быть, в свою очередь, разбиты на составные части и т.д, где элемент системы — неделимые части системы, а подсистема — часть системы, состоящая более чем из одного элемента.
Пример: Система – семья. Подсистема – члены семьи, имущество семьи. Элементы – [муж, жена, дети, родственники и т.д.], [общее жилье и хозяйство, личная собственность и т.д.].
6. Причины множественности вариантов модели состава системы.
Поскольку границы системы не имеют абсолютного характера и если разным экспертам дать задание определить состав одной и той же системы, то результат их работы будет различаться из-за различия знаний о системе и понятием элементарности.
1.Понятие элемента, элементарности можно определить по-разному.
2. Как и любые модели, модель состава является целевой, и для различных целей модель состава будет разной.
3. Всякое разделение целого на части является в определенной степени условным. Другими словами, границы между подсистемами условны, относительны. То же можно сказать о границах самой системы с окружающей средой.
7. Сформулируйте определение для структурной модели системы.
Структурная модель системы — установление определенных связей между подсистемами и элементами — отношений. Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы.
8. Может ли число элементов системы превышать число связей между ними?
Возможно, если структура системы имеет линейный вид. Но возможен случай, когда количество связей превышают количество элементов (иерархические структуры), так как такие структурные связи обладают относительной независимостью от элементов системы.
9. Дайте определение безинерционной системы.
Безинерционнальная система — контролируемая система, имеющая признак, что через какое время система отреагирует на сигнал, который изменится только во время влияния над ней.
10. В чем основная сложность моделирования систем с запаздыванием?
Система с запаздыванием — такая система, в структуре которой есть хотя бы один элемент, в котором содержится неизменное запаздывание во времени изменения выходной координаты (степени свободы) после начала изменения входной.
На входе системы сигнал (данные) на выходе системы начинает изменяться только спустя некоторое время (поэтапный запуск системы). Это время называется временем запаздывания, которое обусловленное собственной конечной скоростью распространения сигнала.
11. Экономическая интерпретация понятия «степень свободы».
Разность между числом независимых уравнений и числом неизвестных в системе. Если число степеней свободы равно нулю, то система имеет единственное решение. В экономических исследованиях каждую степень свободы связывают с количественно измеряемой характеристикой системы.
12. Какие методики используются для системного анализа экономических структур? Почему существует проблема выбора методов исследования?
Поскольку в каждой методике типы моделей являются формальными (не относятся к конкретной системе) и для каждой такой модели придать конкретное содержание, т.е. решить какие характеристики реальной системы нужно «вписать» в формальную модель избранного типа и какие нет, можно считать, что есть проблема выбора метода исследования в системном анализе.
Методика системного анализа — разрабатывается и применяется в тех случаях, когда у лиц, принимающих решения, на начальном этапе нет достаточных сведений о системе или проблемной ситуации, позволяющих выбрать метод формализованного представления, сформировать математическую модель или применить один из новых подходов к моделированию, сочетающих качественные и количественные методы.
Методика структуризации целей и функций — последовательность этапов и средств их реализации, облегчающих формирование, оценку и анализ целей и функций систем управления. При разработке методики необходимо иметь представление о понятии цели, неоднозначности его использования, о закономерностях целеобразования, играющих важную роль при формировании и анализе структур целей.
Методика структуризации целей и функций, основанная на концепции системы, учитывающей среду и целеполагание — базируется на определении системы В.Н. Саратовского, где учитываются понятия цели, среды и интервала времени периода существования системы, влияющего на процесс целеобразования.
13. Содержание системного анализа на этапе формулировки проблемы?
Формулировку проблемы осуществляет инициатор системных исследований (заказчик, руководитель, исследователь). Чаще всего она только обозначает сферу интересов. Когда первоначальная формулировка проблемы внешне имеет вполне конкретный характер, это не значит, что так же будет звучать и постановка задачи. Это обусловлено следующими причинами:
Во-первых, проблемосодержащая система не является изолированной. Она связана с другими системами своего уровня, может входить составной частью в некую надсистему или включать в себя другие системы в качестве подсистем. Т.е. при решении проблемы нужно учитывать как результаты решения скажутся на окружении проблемосодержащей системы.
Во-вторых, формируемая заказчиком постановка задачи является его представлением или моделью реальной проблемной ситуации. Обычно это представление имеет приблизительный характер и в процессе проверки на адекватность требует уточнения, дополнения и расширения. Указанное обязывает аналитика считать любую исходную формулировку проблемы лишь «нулевым приближением» постановки задачи на проведение системного исследования.
14. В чем заключается смысловое содержание понятия «проблематика в системном анализе»?
Проблематика в системном анализе определяется как сплетение, комплекс проблем, которые неразрывно связаны с проблемой, подлежащей разрешению. Формулировка проблематики заключается в том, чтобы дать развернутую картину того, кто из ближайшего окружения системы и в чем заинтересован, какие изменения они хотят привнести в решение проблемы.
15. Содержание результатов системного анализа на этапе формирования проблематики?
Результатом формирования проблематики является всестороннее описание проблемы. Это достигается путем охвата всего круга участников:
1) Участников, принимающих решения, т.е. тех, от полномочий которых непосредственно зависит решение проблемы (руководителей образовательных учреждений, работников органов управления образованием и т.д.).
2) Активных участников, чьи действия (содействия) потребуются при решении проблемы.
3) Пассивных по отношению к решаемой проблеме участников, на ком скажутся (положительным или отрицательным образом) последствия решения проблемы.
4) Участников с возможным негативным отношением к решению проблемы, которые могут предпринять враждебные действия.
4. Что представляет собой конфигуратор проблемы?
Конфигуратор проблемы — совокупность всех языков, на которых будет описываться решаемая проблема (задание структуры подсистемы, построенной на имеющейся проблематике (проблематической надсистемой)).
16. В чем заключается содержание системного анализа на этапе постановки задачи?
К постановке задачи можно приступить, располагая первоначальной формулировкой подлежащей решению проблемы, ее проблематикой и конфигурацией. На этом этапе необходимо перевести существующую проблему в приемлемую постановку задачи принятия решения, реализация которой позволит устранить (или ослабить) проблему.
17. В чем заключается содержание системного анализа на этапе определения целей?
Определить цель системного анализа — это означает ответить на вопрос, что надо сделать для снятия проблемы. Сформулировать цель — значит указать направление, в котором следует двигаться, чтобы разрешить существующую проблему. Стремление удовлетворить все заинтересованные стороны при решении проблемы для этапа «Определение целей» имеет следствием множественность целей. Сформулированные цели по мере проведения системного анализа изменяются или отменяются совсем. Поэтому целеполагание должно предусматривать возможности уточнения, расширения и даже замены первоначальных целей системного анализа. На данном этапе системного анализа следует понимать, что определить правильную цель важнее, чем найти наилучшую альтернативу.
18. Для чего нужны критерии в системном анализе?
Наиболее широко в настоящее время в системном анализе используются критерии. Часто по результатам работы с критериями приходится пересматривать список альтернатив до тех пор, пока значения важнейших характеристик не попадут в требуемы диапазон, или менять цели, отказываясь от реализации второстепенных до более благоприятного времени. Эти критерии можно использовать поочередно, причем после вычисления их значений среди нескольких вариантов приходится произвольным образом выделять некоторое окончательное решение. Что позволяет, во-первых, лучше проникнуть во все внутренние связи проблемы принятия решений и, во-вторых, ослабить влияние субъективного фактора.
19. Как соотносятся понятия «цель» и «критерии»?
Задание целей, поиск путей их достижения и выбор критериев оценки альтернатив достижения целей всегда взаимосвязаны. Цель является главным звеном в принятии решений, а критерии – исходящим из цели. Критерий — это признак, основание, мерило оценки чего-либо, необходимо для обозначения видов связи суждений.
20. В чем заключается содержание системного анализа на этапе генерирования альтернатив?
Генерирование альтернатив (создание множества возможных способов достижения сформулированной цели) — творческий этап системного анализа, во многом определяющий окончательный результат. Для генерирования альтернатив применяют различные приемы и методы: мозговой штурм, поиск аналогий, разработка сценариев, морфологический анализ, деловые зрелище и др. конечная цель системного анализа состоит в выборе наилучшей альтернативы на заданном множестве и в обосновании этого выбора. Если в сформированное множество альтернатив не попала наилучшая, то никакие самые совершенные методы анализа не помогут ее вычислить. Трудность этапа обусловлена необходимостью генерации достаточно полного множества альтернатив, включающего на первый взгляд даже самые нереализуемые.
21. В чем заключается содержание системного анализа на этапе моделирования?
Моделирование – один из методов, которые используются при проектировании и исследовании больших систем. Моделирование осуществляется через эксперимент-процедуру организации и наблюдения каких-нибудь явлений, которые осуществляются в условиях, близким к действительным, или имитируют их. Основная общая цель моделирования заключается в наблюдении за системой, подверженной воздействию внешних или внутренних факторов при достижении системой определенного состоянии, которое может быть как задано, так и неизвестно, из-за отсутствия информации или по каким либо иным причинам. Моделирование позволяет определить сможет ли система функционировать при таких условиях или нет, во время этого перехода. В зависимости от реальной модели и цели расширяются и конкретизируются.
22. На каких этапах системного анализа используются системные диаграммы, и каким образом?
На этапе моделирования используются системные диаграммы. С помощью системных диаграмм легко изобразить взаимосвязи, труднопередаваемые словами: непоследовательные, нелинейные, непостоянные во времени взаимоотношения, осуществляемые с задержками и учитывающие субъективный фактор. Этот графический язык отлично подходит и для того, чтобы выразить системные взаимосвязи, характерные для какой-либо ситуации.
Модели систем. Модель черного ящика. Модель состава
Урок 2. Информатика 11 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Модели систем. Модель черного ящика. Модель состава»
На данном уроке мы познакомимся с такими понятиями как анализ, синтез, системный анализ. Вспомним модель «чёрного ящика» и модель состава.
Система – это целостная и взаимосвязанная совокупность частей, существующая в некоторой среде и обладающая определённым назначением, подчинённая некоторой цели.
Человеческое общество развивается благодаря открытиям, исследованиям, экспериментам и любая система подлежит изучению.
Исследование системы включает в себя два этапа: анализ и синтез.
Анализ системы – это выделение её частей с целью прояснения состава системы.
Как нам уже известно, любая система состоит из подсистем. В свою очередь, любая подсистема состоит так же из нескольких подсистем. Таким образом, мы может разделить систему на самые мелкие объекты.
Возникает вопрос: а нужно ли нам это?
На первом этапе необходимо проанализировать систему для определения её состава и цели исследования. Целью исследования системы является получение её модели. Модель – это новый упрощённый объект, который отражает существенные особенности реального объекта, процесса или явления.
Соответственно с помощью модели мы можем получить необходимые нам результаты исследований. Например, узнать, как будет лететь самолёт при большой нагрузке багажом.
Далее необходимо выделить в системе связи между её частями. Например: основные компоненты велосипеда (рама, руль, колеса, педали, сиденье) зависят друг от друга. Качество данной системы – возможность ездить на велосипеде. Ни одна составная часть не обладает этим свойством. Но в свою очередь если собрать их вместе, связать их в одно целое, то появляется такое качество, как возможность ездить на велосипеде.
Состояние и поведение системы в той или иной ситуации можно понять и изучить только при наличии её состава и структуры.
Это был первый этап исследования системы.
Синтез – это мысленное или реальное соединение частей в единое целое. В результате данного этапа создаётся представление о системе, объясняется механизм системного эффекта.
Вывод: системный анализ – это исследование реальных объектов и явлений с точки зрения системного подхода, состоящее из этапов анализа и синтеза.
Любое описание системы отражает ограниченное число её свойств. Это зависит от того, с какой целью мы делаем описание, какие именно качества системы нам нужны.
На этом уроке мы познакомимся с моделью «чёрного ящика».
Есть такое понятие «Система как «чёрный ящик». Оно употребляется в том случае, если человек не знает, как устроена та или иная система «внутри» или эта система не представляет для него интереса. Часто достаточно знать, какие действия можно производить с системой, и какие результаты при этом можно получить.
Вход системы – это воздействие на систему со стороны внешней среды, а выход – это воздействие, которое оказывает система на окружающую среду.
Мы можем понимать, например, что объект на компьютере можно открыть двойным нажатием левой кнопкой мыши на нём. Входом будет нажатие клавиши мыши, а выходом – открытие документа. Но мы не знаем, как это происходит в системном блоке, сам процесс нам не понятен. В таких случаях и применяется понятие «система как «чёрный ящик».
Представить систему как «чёрный ящик» – значит указать её входы и выходы, а также зависимость между ними.
Если описать компьютер как «чёрный ящик», учитывая только входы и выходы системы, то получится, что входом системы являются данные программы, а выходом – итоговая информация.
Вывод: модель «чёрного ящика» представляет систему на уровне описания связей её входов и выходов.
Но в то же время, при решении вопросов, которые касаются внутреннего устройства системы, мы не можем ограничиться лишь моделью «чёрного ящика». Можно сказать, что данные, которые мы получаем при рассмотрении модели «чёрного ящика» по большей части являются лишь внешними свойствами системы.
Поэтому приходится обращаться к модели состава. Модель состава – это своеобразный список элементов системы. В данной системе не рассматриваются связи между её элементами.
Разберёмся более подробно на модели состава школы.
Любая школа состоит из администрации, учителей, учеников, учебных классов и родителей. На данной схеме мы видим пять составляющих нашей системы. Каждая из них является подсистемой со своим составом. Для этих подсистем можно также построить свои схемы состава. Например, учеников можно разделить по параллелям с первых по одиннадцатые классы. Или же учителей можно разделить на начальную и старшую школы.
Очевидно, что такой модели будет мало, если мы захотим разобраться, как функционирует школа. Но с другой стороны, она даёт более подробное представление, чем модель «чёрного ящика».
Сегодня мы узнали, что такое системный анализ, познакомились с такими моделями как модель «чёрного ящика» и модель «состава».