Постановка задач анализа и синтеза систем
X множество методов измерения предпочтений альтернатив (x1 использование номинальной классификационной шкалы; x2 использование ранговой шкалы; x3 использование количественной шкалы; x4 экспертная оценка с помощью комментариев; x5 экспериментальная оценка; x6 оценка на основе продукционных правил);
F отображение множества допустимых альтернатив, реализующих функции, в множество критериальных оценок (отображение А в К может иметь детерминированный вид (f1); вероятностный (f2); неопределенный (f3);
G система предпочтений решающего элемента (g1 формирование предпочтений одним лицом; g2 формирование предпочтений коллективом);
L способы исследования системы (l1 исследование целостной системы ; l2 исследование системы по частям);
М методы оценки вариантов (m1, оценка варианта в целом после его синтеза из частей; т2 оценка отдельных подсистем, альтернатив и их сочетаний до начала процедуры синтеза);
N процедуры выбора вариантов (n1 последовательный перебор всех вариантов по принципу лексикографического упорядочения; n2 последовательный перебор; п3 случайное зондирование морфологического множества; n4 детерминированное зондирование);
С вид целевой функции (c1 аддитивная; с2 мультипликативная; c3 целевая функция на основе мер сходства и различия);
Р число рассматриваемых уровней системы (p1 один; p2 более одного);
Y уровень формализации постановки и решения задачи (у1 неформализованный эвристический подход; у2 формально-эвристический подход; у3 полностью формализованный подход);
Q Уровень компьютеризации процедур (q1 отсутствует информационно-программная поддержка процедур метода; q2 часть или все процедуры реализованы в виде диалоговой компьютерной системы; q3 метод реализован в виде интеллектуальной системы);
D решающее правило, отражающее систему предпочтений.
Любой элемент данного набора может служить классификационным признаком для задач комбинаторно-морфологического синтеза.
В последующих разделах рассмотрены различные процедуры обработки информации в созданной автоматизированной системе морфологического синтеза.
5.2. Постановка задач анализа и синтеза систем
Целями морфологического анализа и синтеза систем являются: системное исследование всех мыслимых вариантов решения задачи, вытекающих из закономерностей строения (морфологии) совершенствуемого объекта, что позволяет учесть, кроме известных, необычные варианты, которые при простом переборе могли быть упущены исследователем из вида; реализация совокупности операций поиска на морфологическом множестве вариантов описания функциональных систем, соответствующих исходным требованиям, т. е. условиям задачи. Морфологическое множество вариантов описания функциональных систем представляется морфологической таблицей (рис.
5.1).
В морфологической таблице цепочкой связанных альтернатив показан один из вариантов рассматриваемой системы. Общее число всевозможных вариантов N, образующих морфологическое множество, определяется как декартово произведение множеств альтернатив, образованных каждой строкой морфологической таблицы:
В приведенном выражении приняты следующие обозначения:
Kl число способов (альтернатив) для реализации l-и функции или обобщенной подсистемы; L число всех функций.
Морфологическое множество является областью поиска в пространстве размерностью L. Генерируемый вариант системы представляет выборку альтернатив по одной из каждой строки морфологической таблицы и в общем виде записывается следующим образом:
Правило генерации вариантов исследуемых систем таково, что каждый целостный вариант отличается от любого другого варианта рассматриваемого морфологического множества хотя бы одной альтернативой Alm.
Поиск в морфологическом множестве вариантов систем при решении задачи синтеза осуществляется по различным целевым функциям и алгоритмам, которые рассматриваются в последующих разделах данной главы.
Метод морфологического анализа и синтеза реализуется в несколько этапов.
Этап 1. Проводится формирование исходной цели или проблемы, отражающей основные требования к синтезируемому объекту.
Этап 2. Осуществляется построение морфологической таблицы и заполнение ее альтернативами.
Этап 3. Описываются свойства альтернатив морфологической таблицы. Свойства альтернатив могут характеризоваться в шкале наименований классификационными функциональными и структурными признаками или в числовой шкале, отражающей качество альтернатив по различным критериям.
Этап 4. Формируется формализованное поисковое задание и выбирается вид целевой функции.
Этап 5. Реализуется та или иная процедура поиска вариантов решения задачи. Под поиском в данном случае понимается последовательность операций выбора из морфологического множества вариантов описания функциональной системы и операций оценки эффективности и совместимости подсистем, образующих синтезированный целостный вариант.
Здесь же определяется соответствие варианта требованиям к искомой функциональной системе от понятия подходящее решение до понятия оптимальное или рациональное решение.
Рассмотрим методы и подходы по обработке информации на каждом этапе морфологического синтеза систем.
5.3. Подготовка информации для анализа и синтеза рациональных систем
Установление исходной цели синтеза
Формирование исходной цели синтеза может осуществляться с различной степенью полноты и определенности. Если перед исследователем поставлена задача, требующая поиска принципиально новой социально-экономической или организационной системы, то исходная цель будет носить достаточно общий, расплывчатый характер, например: найти принципиально новые средства перемещения людей в черте города, спроектировать эффективную систему расчета с клиентами супермаркета. В то же время, когда процесс синтеза связан с совершенствованием конкретных социально-экономических и других систем-прототипов, исходная цель конкретизируется рядом экономических, социальных и технологических требований, которые могут носить качественный или количественный характер.
Последний способ формирования исходной цели синтеза в лучшей степени подлежит формализации, и на его основе реализован ряд подходов по синтезу рациональных вариантов систем. Исходная цель в значительной степени определяет подходы по формированию поисковых заданий и морфологических таблиц.
Способы формирования поисковых заданий
Можно выделить три подхода к формированию формализованных поисковых заданий, на основании которых решаются различные задачи морфологического синтеза. В соответствии с первым подходом поисковое задание формируется на основе качественных классификационных признаков и их значений, характеризующих отдельные подсистемы искомого варианта.
При втором подходе поисковое задание формируется на основе количественной экспертной шкалы в виде некоторого множества критериев качества и требуемого уровня их выполнения в искомом решении. Третий подход предполагает выбор оптимального или рационального варианта из морфологического множества без явного выделения поискового задания.
Т. е. здесь при поиске требуемого варианта используется лишь информация, характеризующая свойства и качество самих альтернатив, находящихся в морфологической таблице.
Составление поискового задания на основе множества классификационных качественных признаков целесообразно осуществлять с использованием автоматизированных баз данных, накапливающих наиболее важные классификации различных экономических, управленческих и организационных систем.
Автоматизированная база данных должна в этом случае включать признаки и значения признаков для характеристики всех функций (или обобщенных функциональных подсистем), имеющихся в морфологической таблице.
Формирование поисковых заданий на основе количественных признаков имеет ряд особенностей. В этом случае поисковые образы альтернатив, реализующие функции рассматриваемой системы, представляют числовые характеристики, отражающие степень проявления различных свойств. Такими свойствами являются, например, надежность подсистем, их технологичность, стоимость и т. п.
Задание численных значений критериев, характеризующих, с одной стороны, поисковое задание, а с другой альтернативы морфологической таблицы, может проводиться методом сравнения с эталоном или методом попарного сравнения. На практике в качестве эталона может выступать существующая или гипотетическая альтернатива, свойство которой по i-му критерию оценивается максимальным значением выбранной числовой шкалы.
Например, для шкалы, имеющей значения: 1 очень плохо, 2 плохо, 3 удовлетворительно, 4 хорошо, 5 отлично, интересующее исследователя свойство эталона, отраженное i-м критерием качества, должно быть оценено значением 5 отлично.
Рассмотрим ряд процедур составления поисковых заданий из критериев качества и их значений для поиска требуемых вариантов на морфологических таблицах методом сравнения с эталоном.
Процедура 1. В соответствии с этой процедурой поисковое задание формируется непосредственно на морфологической таблице в виде комбинаций альтернатив {A′ij}, извлекаемых по одной из каждой строки таблицы. Оценка альтернатив, вошедших в поисковое задание, осуществляется по множеству интересующих критериев качества наравне с другими альтернативами {Aij) из морфологической таблицы.
Пример морфологической таблицы с оценкой множеств альтернатив {Aij} и {A′ij} методом сравнения с эталоном по пятибалльной шкале приведен на рис. 5.2а.
Получение значений показателей качества для альтернатив при их попарном сравнении основано на расчете собственного вектора матрицы парных сравнений. Матрицы парных сравнений строятся для альтернатив, принадлежащих определенной обобщенной функциональной подсистеме, входящей в морфологическую таблицу.
Матрицы попарных сравнений составляются по каждому рассматриваемому критерию качества. В эти матрицы включаются в том числе и альтернативы {A′ij}, образующие поисковое задание.
Процедура 2. Поисковое задание формируется в виде некоторого гипотетического идеального варианта, элементы которого A′′ij, соответствующие каждой строке морфологической таблицы, имеют по всем заданным критериям качества идеальные, наилучшие предельные свойства. Эти предельные свойства в общем случае определяются субъективными факторами, т. е. представлениями конкретных экспертов.
При использовании метода сравнения альтернатив относительно эталонов гипотетические альтернативы A′′ij, образующие поисковое задание, оцениваются по заданному списку критериев качества Ki наивысшей оценкой из принятой числовой шкалы (рис. 5.2 б).
Для получения численных значений гипотетического поискового задания методом попарного сравнения строятся матрицы попарных сравнений по каждому заданному по условиям задачи критерию качества. В этих матрицах один элемент отводится для идеальной альтернативы.
При заполнении матрицы эксперт, сравнивая альтернативы из множества {Аij}, из которых будет синтезироваться вариант системы, отвечает на вопрос, какая из двух сравниваемых альтернатив предпочтительнее и насколько. В то же время при сравнении каждой альтернативы из множества {Aij} с идеальной A′′ij эксперт всегда выражает определенную степень предпочтения идеальной альтернативе.
Процедура 3. Поисковое задание может формироваться на основании желаемого для эксперта качества, которое необходимо иметь в синтезируемых вариантах систем. При формировании поискового задания методом сравнения с эталоном эксперт устанавливает значение желаемого качества в пределах используемой шкалы.
Морфологическая таблица и поисковое задание в данном случае аналогичны приведенным на рис. 5.2а.
Аналогично формируется поисковое задание методом попарного сравнения. В каждой матрице парных сравнений один из элементов отводится для альтернативы, отражающей в поисковом задании желаемые свойства. Эти желаемые свойства могут быть соотнесены в конкретном поисковом задании со свойствами альтернатив, участвующих в синтезе.
Причем уровень желаемых свойств у альтернатив поискового задания может быть выше, равен или ниже уровня свойств альтернатив, из которых синтезируется вариант системы.
Морфологические таблицы
Морфологические таблицы эффективное средство представления знаний о множестве социально-экономических или организационных систем. Они позволяют систематизировать достаточно большой объем знаний о морфологии систем в компактном виде. Разработка морфологической таблицы дает возможность формализовать процесс упорядочения множества заключенных в ней вариантов систем. Качество составления морфологической таблицы во многом определяет конечный результат поиска искомого решения проблемы.
Разработка морфологических таблиц связана с первым этапом метода морфологического исследования морфологическим анализом. Целью морфологического анализа является классифицирование исследуемого объекта или множества объектов.
Морфологическое классифицирование в общем случае заключается в делении родового понятия таким образом, что последним могут соответствовать как множества известных систем, так и множества потенциальных вариантов, появление которых возможно в будущем.
Формирование конкретных морфологических таблиц для отображения множества технических систем может производиться двумя способами. Выбор способа определяется конечными целями морфологического исследования, характером исходной информации, степенью изученности предметной области, профессиональным уровнем специалистов, их знаниями.
Первый способ основан на проведении функционально-элементного анализа систем. В результате формируется морфологическая таблица, включающая функции или обобщенные функциональные подсистемы и альтернативы, реализующие соответствующие функции.
Альтернативы, как правило, оцениваются количественно экспертными оценками по критериям качества для решения задач синтеза рациональных вариантов.
Формирование морфологических таблиц первым способом наиболее предпочтительно в тех ситуациях, когда в исходной информации, характеризующей анализируемую систему, не выражены в явном виде функциональные компоненты, когда специалисты по знаниям недостаточно хорошо ориентируются в анализируемой предметной области и когда при синтезе новых рациональных систем предполагается использовать только количественную экспертную оценку альтернатив по критериям качества.
Второй способ реализуется в два этапа. На первом этапе проводится функциональный анализ таким же образом, как он проводился в первом способе.
На втором этапе каждая альтернатива, находящаяся в морфологической таблице, дополнительно характеризуется множеством качественных классификационных признаков, более тонко и полно отражающих отличительные особенности альтернатив.
Второй способ формирования морфологических таблиц используется в следующих ситуациях: при наличии предварительно структурированной информации о системах по функциональным компонентам, при постановке задачи проведения более глубокого исследования морфологического множества вариантов систем и синтеза принципиально новых знаний о структуре систем, при наличии высококвалифицированных специалистов с большим опытом исследовательской работы в анализируемой предметной области, когда требуется исследовать морфологические множества одновременно по количественно оцененным критериям качества и качественным признакам, характеризующим функции и структуру вариантов систем. Рассмотрим более подробно методы разработки морфологических таблиц.
Разработка морфологических таблиц на основе функционально-элементного анализа систем
При разработке морфологических таблиц, предназначенных для синтеза рациональных и оптимальных вариантов по многим критериям качества, классификационные признаки и их значения должны иметь такое содержание, которое позволяло бы оценивать их количественно. Такими основополагающими характеристиками сложных систем являются функции и элементы, реализующие те или иные функции.
При функциональном анализе удобным является принцип выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархией. Согласно этому принципу первоначально выделяется главная функция (функции) рассматриваемой системы, которая представляет самый верхний иерархический уровень.
Затем устанавливают функциональные элементы, обеспечивающие выполнение главной функции и образующие первый иерархический уровень. Функции, выполняемые элементами первого иерархического уровня, являются подфункциями по отношению к главной функции системы. Далее каждый функциональный элемент первого уровня рассматривается как самостоятельная система, что позволяет выделить конструктивные элементы второго уровня, обеспечивающие функционирование элементов первого уровня.
Аналогично производится разделение на функциональные элементы третьего уровня и последующих. Глубина разделения системы определяется в каждом конкретном случае характером и требованиями решаемой задачи.
Таблица 5.1
Планируемые администрацией города альтернативные мероприятия
| Функция (мероприятие) | Альтернатива (Aij) | ||||
| Инвестирование из местного бюджета в геологоразве- дывательные работы |
А11 - разведка нефти в пойме Волги | A12 - разведка нефти в степной местности | A13 разведка природного газа | A1k - разведка се-росодержащих руд |
|
| Реконструкция предприятий | А21 - тракторный завод | A22-моторный завод | А23 - завод буровой техники | A2k - обувная фабрика |
|
| Капитальные вложения | А31 - строительство моста через Волгу | A32 - строительство телевизионной башни | А33 - реконструкция плотины через Волгу | A3l строительство Волго-Донского канала-2 | |
| Привлечение иностранных инвестиций | A41 - завод по производству упаковки (Германия) | А42 - завод по производству легковых автомобилей (Южная Корея) |
A43 - технологическое оборудование по добыче нефти (Италия) | А4r технологическое оборудование по производству обуви (Италия) | |
| Развитие транспортной системы | Ak1 - существенное расширение троллейбусных маршрутов | Аk2 - незначительное расширение троллейбусных маршрутов | Ak3 - существенное расширение маршрутов маршрутного такси | Аkv - внедрение мо- но-рельсового транспорта |
На основании проведенного анализа формируются строки морфологической таблицы, в которые записываются функции системы или обобщенные функциональные подсистемы, из которых состоит система в целом. Причем строки морфологической таблицы определяются из функций или обобщенных функциональных подсистем, относящихся к одному иерархическому уровню. Наименованиями столбцов являются альтернативы варианты исполнения функций. Для заполнения морфологической таблицы альтернативами можно использовать различные информационные источники. Пример морфологической таблицы, систематизирующей планируемые администрацией города мероприятия для реализации в ближайшем будущем, приведен в табл.
5.1.
Разработка морфологических таблиц с использованием классификационных признаков
При разработке морфологических таблиц на основе функционального анализа систем достаточно было выявить функции подсистем, образующих исследуемую систему в целом, и подобрать для каждой функции альтернативы конкретных реализаций. Данный вид морфологических таблиц хотя и дает возможность проведения многокритериальной оценки альтернатив и выбора рациональной целостной системы, однако в ряде исследовательских задач недостаточно глубоко вскрывает морфологию системы.
Устранить этот недостаток можно путем использования в морфологических таблицах классификационных признаков для описания альтернатив (табл. 5.2).
Чтобы построить морфологические таблицы на основании классификационных признаков, требуется разработать для каждой обобщенной функциональной подсистемы функциональную классификацию. После формирования классификаций осуществляется описание альтернатив каждой функции соответствующими признаками и значениями этих признаков, т. е. составляются классификационные образы альтернатив.
Обработка таких морфологических таблиц проводится с использованием подходов кластерного анализа.
5.4. Кластерный анализ морфологических множеств
Основы кластерного анализа систем
Для выявления закономерностей строения сложных систем целесообразно в первую очередь собранные данные разложить по полочкам, классифицировать. Вопросы кластерного анализа рассмотрены в учебнике А. М. Дуброва, В. С. Мхитаряна, Л. И. Трошиной [З].
Стремление собрать похожие объекты в кучу вполне понятно, поскольку именно классификация помогает исследователю ориентироваться в огромном многообразии объектов и тем самым является средством экономии памяти. В общем виде классификации позволяют, с одной стороны, относить объекты к одному из классов, а с другой формировать сами образы, число которых заранее может быть неизвестно.
Таким образом, анализ структуры данных необходимый этап проводимых исследований. Особую актуальность классификационные построения приобретают при разработке новых информационных технологий, предназначенных для исследования сложных систем.
Рассмотрению подлежат в основном детерминистские методы построения и исследования систем-классификаций, основанные на качественных и количественных признаках.
Системы-классификации
Система определяется как непустое множество объектов (или несколько таких множеств), между которыми установлены некоторые отношения. Таким образом, в системе набор элементов рассматривается как целостное единство, обладающее интегративными свойствами и противостоящее окружению или среде.
Система может быть представлена пятеркой:
Если хотя бы один член пятерки изменяется во времени или пространстве, то система называется динамичной, в противном случае статичной.
Системы-классификации это результат классификационных построений на множествах объектов. Примерами таких систем могут являться множество описаний объектов с заданным отношением эквивалентности, т.е. принадлежности к одному и тому же классу; множество классов с заданным отношением иерархии; множество классификаций с заданным отношением доминирования и т.д. В приведенных примерах указаны системы-модели, т.е. некоторые абстрактные аналоги реальных систем, которые значительно проще последних по большинству аспектов, исключая самые важные для конкретного рассмотрения.
Системы-классификации сочетают субъективные и объективные начала, так как человек при классификационных построениях учитывает лишь ограниченное число признаков из бесконечного числа возможных. Таким образом, для бесконечного набора, которым обладает реальный объект, существует также бесконечное множество вариантов выбора ограниченных наборов.
Следовательно, если множество признаков, учитываемое на объектах, является системой описания, а множество значений каждого из учитываемых признаков на конкретных объектах описанием этих объектов, то аналоги-модели объектов (в частности, системы-классификации) это системы множеств, каждое из которых есть описание. Система-модель С = С ( I, R, A(S), A(ps) , A(SP) ) является образом системы-оригинала С' = С ( I', R', А(S')), A(RS'), A(SR')). Отображение множества С' на множество С является гомоморфным, если С имеет тот же состав, что и С' (обратное неверно).
Из сказанного видно, что система-модель содержит меньшее число элементов и связей, чем система-оригинал, но все элементы и связи, которые имеются в модели, правильно копируют прототип.
Для выбора правильной модели не существует формальной процедуры, она определяется целями классификационных построений и уровнем знаний конкретного исследователя.
Основные этапы построения и исследования систем-классификаций
Первым этапом классификационных построений является глубокое проникновение в суть рассматриваемых явлений и выбор соответствующего принципа классификации.
