Системи. Визначення. Класифікація

1. Системи. Визначення. Класифікація.

Система – це сукупність об'єктів, які об'єднані зв'язками, загальними ознаками, властивостями, призначенням та умовами існування, і функціонують як єдине ціле, що надає системі нових властивостей, які відсутні у цих об'єктів по окремо.

Кожна система має вхідний вплив, систему обробки, кінцеві результати і зворотний зв'язок.

Рис. Схема функціонування системи

Визначення поняття «система»

Розглянемо основні поняття, що характеризують будову і функціонування систем.

Елемент. Під елементом прийнято розуміти найпростішу неподільну частину системи. Елемент - це межа членування системи з точок зору вирішення конкретного завдання і поставленої мети. Систему можна розчленувати на елементи в різний спосіб в залежності від формулювання мети та її уточнення в процесі дослідження.

Підсистема. Підсистеми є більшими компоненти, ніж елементи, але більш детальними, ніж система в цілому. Можливість поділу системи на підсистеми пов'язана з виокремленням сукупностей взаємопов'язаних елементів, що здатні виконувати відносно незалежні функції, підцілі, спрямовані на досягнення спільної мети системи. Підсистема повинна мати властивості системи (зокрема, властивість цілісності). Цим підсистема відрізняється від простої групи елементів, для якої не сформульовано підцілі і не виконуються властивості цілісності.

Структура. Структура - це сукупність елементів і зв'язків між ними. Структура відбиває найбільш суттєві взаємовідносини між елементами та їх групами (компонентами, підсистемами), які мало змінюються при змінах у системі і забезпечують існування системи та її основних властивостей. Структура може бути представлена ​​графічно, у вигляді опису, матриць, графу чи в інший спосіб.

Структуру часто представляють у вигляді ієрархічної впорядкованості компонентів за ступенем важливості.

Зв'язок. Зв'язки між об’єктами системи забезпечують побудову структури і збереження цілісності властивостей системи. Це поняття характеризує одночасно і будову (статику), і функціонування (динаміку) системи.

Зворотній зв'язок є основою саморегулювання та розвитку систем, пристосування їх до змінних умов існування. Зворотний зв'язок - це інформація, яка використовується для корекції вхідної інформації

Стан. Поняттям «стан» зазвичай характеризують миттєвий «зріз» системи, зупинку у її розвитку. Стан - це множина суттєвих властивостей, якими система володіє в даний момент часу.

Поведінка. Якщо система здатна переходити з одного стану в інший, то їй притаманна певна поведінка. Цим поняттям користуються, коли закономірності переходів з одного стану в інший є невідомими. Тоді кажуть, що система має певну поведінку і з'ясовують її закономірності.

Зовнішнє середовище. Під зовнішнім середовищем розуміють множину елементів, які не входять в систему, але зміна їх стану викликає зміну поведінки системи.

Модель. Під моделлю системи розуміють опис системи, що відображає певну групу її властивостей. Поглиблення опису збільшує деталізацію моделі. Створення моделі системи дозволяє передбачати її поведінку в певному діапазоні умов.

Модель функціонування (поведінки) системи передбачає зміну стану системи в часі.

Рівновага - це здатність системи за відсутності зовнішніх збурюючих впливів (або у разі постійних впливів) зберігати свій стан як завгодно довго.

Стійкість. Під стійкістю розуміється здатність системи повертатися в стан рівноваги після того, як вона була виведена з цього стану під впливом зовнішніх збурюючих впливів.

Мета. Це ідеальне устремління, яке дозволяє розробникам побачити перспективи та реальні можливості системи.

Принципи системності

Принцип зовнішньої цілісності - відокремленість системи від зовнішнього середовища. Система взаємодіє з зовнішнім середовищем як єдине ціле, її поведінка визначається станом середовища і станом всієї системи, а не її окремою частиною.

Принцип внутрішньої цілісності - стійкість зв'язків між частинами системи. Стан системи залежить не лише від стану її частин, але і від стану зв'язків між ними. Саме тому властивості системи не зводяться до простої суми властивостей її елементів, в системі з'являються ті властивості, які відсутні в елементах окремо.

Принцип ієрархічності - в системі можна виділити підсистеми, і для кожної з них можна визначити свій вхід, вихід, призначення. У свою чергу, сама система може розглядатися як частина більш великої системи.

Класифікація систем

Класифікацію систем можна здійснити за різними критеріями.

1. По відношенню системи до навколишнього середовища:

Замкнутої називають систему, будь-який елемент якої має зв'язки лише з елементами самої системи, тобто замкнута система не взаємодіє з зовнішнім середовищем. Відкриті системи взаємодіють із зовнішнім середовищем, обмінюючись інформацією чи енергією. Всі реальні системи тісно або слабко пов'язані із зовнішнім середовищем і є відкритими.

2. За походженням системи (елементів, зв'язків, підсистем):

Природні (живі, неживі, екологічні, соціальні тощо). Штучні (механізми, машини, автомати, роботи тощо). Віртуальні (уявні, які функціонують подібно до реальних). Змішані (економічні, біотехнічні, організаційні тощо).

3. За типом опису закону (законів) функціонування системи:

«Чорний ящик». Закон функціонування системи повністю невідомий, відомими є лише вхідні і вихідні повідомлення. Не параметризовані. Закон не описано, відомо лише про деякі апріорні властивості закону. Параметризовані. Закон є відомим з точністю до параметрів і його можливо віднести до деякого класу залежностей. «Білий (прозорий) ящик». Закон функціонування є повністю відомим.

4. За ступенем складності:

Прості системи характеризуються малим числом внутрішніх зв'язків і відносною легкістю математичного опису. Характерним для них є наявність лише двох можливих станів працездатності: при виході з ладу елементів система або повністю втрачає працездатність, або продовжує виконувати задані функції в повному обсязі.

Складні системи мають розгалужену структуру, велику різноманітність елементів та зв'язків і багато станів працездатності (більше двох). Ці системи надаються до математичного опису за допомогою складних математичних залежностей. До числа складних систем відносяться практично всі сучасні технічні системи (телевізор, верстат, космічний корабель тощо).

5. За реакцією на зовнішні впливи

Жорсткі системи - мають велику стійкість до зовнішніх впливів і слабко реагують на незначні впливи. Розробники оперують категоріями: "проектування", "оптимізація", "реалізація", "функція мети" та інші. М'які системи характеризуються високою чутливістю до зовнішніх впливів, а внаслідок цього - слабкою стійкістю. Для "м'яких" систем частіше використовуються категорії: "можливість", "бажаність", "адаптованість", "здоровий глузд", "раціональність" та інші.

6. За однорідністю і різноманітністю структурних елементів.

Гомогенні або однорідні. Структурні елементи системи є однорідними, тобто мають однакові властивості і є взаємозамінними. Гетерогенні або різнорідні. Складаються з різнорідних елементів, що не мають властивості взаємозамінності.

7. Класифікація систем за рівнем організованості.

Добре організовані системи.

Представлення об'єкта у вигляді добре організованої системи застосовується в тих випадках, коли може бути запропоновано детермінований опис та експериментально доведено адекватність моделі до реального об'єкта. Таке представлення успішно застосовується при моделюванні технічних і технологічних систем.

Погано організовані (або дифузні) системи.

Для таких систем характерним є відображення і дослідження не всіх компонентів, а лише деяких наборів макропараметрів і закономірностей за допомогою певних правил вибірки. Характерним для цих систем є використання багатокритеріальних завдань з численними припущеннями та обмеженнями.

В погано організованих системах використовується, в основному, якісна інформація, зокрема нечіткі множини.

Системи з самоорганізацією (адаптивні)

Такі системи мають ознаки дифузних систем: стохастічність поведінки і нестаціонарність параметрів. Але вони мають чітко визначену можливість адаптації до зміни умов роботи.

8. За способом функціонування

Автоматична система. Сукупність керованого об'єкта й автоматичних керуючих пристроїв, що функціонують самостійно, без участі людини. Автоматизована система. Сукупність керованого об'єкта й автоматичних керуючих пристроїв, в яких частину функцій управління виконує людина-оператор. Це комплекс технічних, програмних та інших засобів, а також персоналу, що призначений для автоматизації різних процесів. На відміну від автоматичної системи не може функціонувати без участі людини. Обчислювальна система. Сукупність ЕОМ та засобів програмного забезпечення, що призначені для виконання обчислювальних процесів, а також будь-яка автоматизована система, яка базується на використанні ЕОМ.

Інформаційні системи

Інформаційною системою називається система, що призначена для збору, зберігання, обробки та видачі інформації користувачам.

Розрізняють три типи завдань, для яких створюються ІС:

Структуровані (формалiзовані). Не структуровані (не формалiзовані). Частково структуровані.

Структуровані завдання

Зміст може бути виражений у формі математичної моделі, що має алгоритм вирішення. Подібні завдання зазвичай вирішуються багаторазово і носять рутинний характер (наприклад, розрахунок на міцність стандартизованих деталей). Метою використання інформаційної системи для вирішення структурованих завдань є повна автоматизація їх вирішення, тобто зведення ролі людини до нуля.

Неструктуровані завдання

Це завдання, в яких рішення пов'язане з великими труднощами через неможливість створення математичного опису та розробки алгоритму. Тут можливості використання інформаційної системи невеликі. Рішення в таких випадках приймається людиною з евристичних міркувань на основі свого досвіду і, можливо, непрямої інформації з різних джерел.

Частково структуровані завдання

Це завдання, в яких відомою є лише частина елементів і зв'язків між ними. В даній ситуації ІС може допомогти людині прийняти те чи інше рішення, надаючи інформацію про хід виконання робіт по всіх необхідних параметрах.

Математичне та програмне забезпечення інформаційних систем

Математичне та програмне забезпечення - це сукупність математичних методів, моделей, алгоритмів і програм для реалізації цілей і завдань ІС, а також нормального функціонування комплексу технічних засобів.

До засобів математичного забезпечення відносяться:

Засоби моделювання процесів. Типові завдання. Методи математичного програмування, математичної статистики, теорії масового обслуговування тощо.

До засобів програмного забезпечення (ПО) відносяться:

Загальносистемне програмне забезпечення - це комплекс програм, орієнтований на користувачів і призначений для вирішення типових завдань обробки інформації. Вони служать для розширення функціональних можливостей комп'ютерів, контролю і управління процесом обробки даних. Спеціальне програмне забезпечення - сукупність програм, що розроблені для конкретної ІС. До складу входять пакети прикладних програм, які реалізують розроблені моделі різного ступеня адекватності і відображають функціонування реального об'єкта.

Автоматизована інформаційна система

Автоматизовані інформаційні системи (АІС) є розвитком інформаційних системи, що використовують комп’ютерну техніку на етапах введення, підготовки та видачі інформації.

Автоматизовані інформаційні системи належать до класу складних систем, як у зв'язку з великою фізичною розмірністю, так і у зв'язку з багатозначністю структурних відносин між їх компонентами.

Завдання, що вирішують АІС можна поділити на задачі аналізу та синтезу.

В завданнях аналізу множина рішень може бути перелічена і включена в систему, в завданнях синтезу множина рішень потенційно не обмежена і виводиться на підставі наявних компонентів.

Завданнями аналізу є: інтерпретація даних, діагностика, підтримка ухвалення рішень. До завдань синтезу відносяться: проектування, планування, управління. До комбінованих завдань відносяться: навчання, моніторинг, прогнозування.

Адаптивні системи

Адаптивна система - система, яка в процесі функціонування демонструє здатність до цілеспрямованого пристосовування поведінки в складних середовищах. Адаптивна система може пристосовуватися до змін як внутрішніх, так і зовнішніх умов.

Особливості функціонування адаптивних систем у порівнянні з технічними системами:

· Змінність окремих параметрів системи і стохастичність її поведінки.

· Унікальність і непередбачуваність поведінки системи в конкретних умовах.

· Здатність змінювати свою структуру і формувати варіанти поведінки, зберігаючи цілісність і основні властивості.

· Здатність протистояти руйнівним тенденціям, тобто самоорганізація.

· Здатність адаптуватися до змінних умов.

Типи адаптивних систем

Система з самонавчанням - система, в якій накопичення досвіду (запам'ятовування інформації) виражається в зміні параметрів важливих для мети системи. Відповідно до змін зовнішнього середовища змінюється спосіб функціонування системи. Системи з самоорганізацією - адаптивні система, в яких накопичення досвіду, запам'ятовування і структуризація інформації виражається в зміні структури системи і рівня її організації. Здатна до адаптації в умовах постійних змін зовнішніх і внутрішніх факторів.

Системи з самоорганізацією

Це системи, які самостійно виробляють цілі власного розвитку та критерії їх досягнення, змінюють свої параметри, структуру та інші характеристики в заданому напрямку. Здатні поєднувати в собі спрямований процес еволюції на основі генетичної інформації, яку отримано від батьківських систем, і адаптацію до змін зовнішнього середовища та внутрішньої організації системи.

Основною особливістю самоорганізованих систем є наявність підсистеми розмноження, що забезпечує породження подібних систем при досягненні достатнього розвитку поточної системи і наявності певних умов в ній і в зовнішньому середовищі.

Системи з самонавчанням

Це системи, які в процесі розвитку проходять процес навчання, накопичуючи досвід, мають здатність самостійно шукати критерії якості свого функціонування. Це природні або людино-машинні системи, які здатні засвоювати знання і згодом застосовувати їх при виборі режимів функціонування.

В основі самонавчальних систем лежать методи автоматичної класифікації прикладів ситуацій реальної практики (навчання на прикладах). Приклади реальних ситуацій накопичуються за деякий історичний період і складають навчальну вибірку. Ці приклади описуються множиною ознак класифікації.

В результаті навчання системи автоматично будуються узагальнені правила або функції, що визначають належність ситуацій до класів, якими навчена система користується при інтерпретації нових ситуацій. Автоматично формується база знань, яка використовується при вирішенні задач класифікації і прогнозування. Ця база знань періодично автоматично коректується в міру накопичення досвіду реальних ситуацій, що дозволяє скоротити витрати на її створення та оновлення.

Типова схема функціонування адаптивної системи

Функціонування адаптивної системи можна описати як постійне прийняття рішень на основі аналізу поточних ситуацій для досягнення певних цілей.

Етапи типової схеми функціонування адаптивної системи:

Безпосереднє сприйняття зовнішньої ситуації; результатом є формування первинного опису ситуації. Порівняння первинного опису зі знаннями системи і поповнення цього опису. Результатом є формування вторинного опису ситуації в термінах знань системи. Цей процес можна розглядати як процес розуміння ситуації, або як процес перекладу первинного опису на внутрішню мову системи. При цьому можуть змінюватися внутрішній стан системи та її знання. Вторинний опис може бути не єдиним, і система може вибирати між різними вторинними описами. Крім того, система в процесі роботи може переходити від одного вторинного опису до іншого. Планування цілеспрямованих дій та прийняття рішень, тобто аналіз можливих дій та їх наслідків і вибір тієї дії, яка краще за все поєднується з метою системи. Це рішення формулюється деякою внутрішньою мовою (свідомо чи підсвідомо). Зворотна інтерпретація прийнятого рішення, тобто формування робочого алгоритму для здійснення реакції системи. Реалізація реакції системи; наслідком є ​​зміна зовнішньої ситуації і внутрішнього стану системи.

Інформаційні технології вирішення інженерних завдань

На сьогодні широко впроваджуються інформаційні технології вирішення інженерних завдань, що втілюють підходи до пошуку, аналізу та синтезу інформації з галузі штучного інтелекту.

В моделюванні штучного інтелекту історично склалося два основних напрямків.

Спадний (Top - Down AI ), семіотичний - створення експертних систем, баз знань і систем логічного висновку, що імітують високорівневі психічні процеси : мислення, міркування, мова, емоції, творчість тощо. Висхідний (Bottom - Up AI ), біологічний - вивчення нейронних мереж і еволюційних обчислень, що моделюють інтелектуальне поведінку на основі біологічних елементів, а також створення відповідних обчислювальних систем, таких як нейрокомпьютер або біокомп'ютер.

Моделі і методи досліджень

Символьне моделювання розумових процесів

Створення символьних систем, на вході яких поставлене завдання, а на виході потрібно його вирішення. Як правило, пропоноване завдання вже є формалізованим, тобто переведене в математичну форму, але або не має алгоритму рішення, або він занадто складний, трудомісткий і т. п. У цей напрям входять: доказ теорем, прийняття рішень і теорія ігор, планування і диспетчеризація, прогнозування.

Робота з природними мовами

Аналіз і дослідження можливостей розуміння, обробки та генерації текстів природною мовою. Ставиться мета розробки систем, що набувають знання самостійно, читаючи існуючий текст. Застосовують для інформаційного пошуку, глибокого аналізу тексту і машинного перекладу.

Представлення і використання знань

Системи отримання знань з великих масивів інформації, їх систематизації та використання. Яскравим представником є експертні системи, що використовують спеціалізовані бази знань для отримання достовірних висновків з визначеної проблеми.

Машинне навчання

Процес самостійного отримання знань інтелектуальною системою в процесі її роботи. До області машинного навчання відноситься великий клас задач на розпізнавання образів: символів, рукописного тексту, мови, аналіз текстів. Важливими є системи комп'ютерного зору, який вживається робототехніці.

Біологічне моделювання штучного інтелекту

Прихильники даного підходу вважають, що феномени людської поведінки, його здатність до навчання та адаптації є наслідком саме біологічної структури і особливостей її функціонування.

Сюди можна віднести кілька напрямків. Нейронні мережі використовуються для вирішення нечітких і складних проблем. Генетичні алгоритми вдосконалюються внаслідок спадкування кращих характеристик від батьківських алгоритмів. Багатоагентні системи, що містять розподілені агенти, які не мають можливості досягнення мети в поодинці і, отже, повинні спілкуватися між собою.

Робототехніка

Інтелектуалізація роботів, щоб маніпулювати об'єктами, виконувати навігацію з локалізацією (визначати місцезнаходження, вивчати найближчі області) і планувати рух, щоб дістатися до мети.

Машинна творчість

Додавання технічної творчості до інтелектуальної системі дозволяє наочно продемонструвати, що саме система сприймає і як це розуміє. Додаванням шуму замість відсутньої інформації або фільтрація шуму наявними в системі знаннями виробляє з абстрактних знань конкретні образи, які легко сприймаються людиною. Особливо це корисно для інтуїтивних і малоцінних знань, перевірка яких у формальному вигляді вимагає значних розумових зусиль.

Інші області досліджень

Нарешті, існує маса програм штучного інтелекту, кожне з яких утворює майже самостійний напрям. В якості прикладів можна навести програмування інтелекту в комп'ютерних іграх, нелінійне управління, інтелектуальні системи інформаційної безпеки. Можна помітити, що багато галузі досліджень перетинаються.

Інтелектуальні інформаційні системи

Інтелектуальна інформаційна система (ІІС) - комп'ютеризована система збору, зберігання, обробки, представлення інформації, робота якої ґрунтується на імітації (відтворенні) інтелектуальних можливостей людини.

Будь-яка інформаційна система (ІС) виконує наступні функції:

Сприймає введені користувачем інформаційні запити та необхідні вихідні дані, Обробляє введені і збережені в системі дані відповідно до відомих алгоритмів і формує необхідну вихідну інформацію.

Інтелектуальна інформаційна система здатна цілеспрямовано, відповідно до стану інформаційних входів, змінювати параметри функціонування і спосіб своєї поведінки, який залежить від поточного стану інформаційних входів і від попередніх станів системи.

ІІС - це система або пристрій з програмним забезпеченням, що має можливість за допомогою вбудованого процесора налаштовувати свої параметри відповідно до зовнішнього середовища.

Інтелектуальними вважаються завдання, що пов'язані з розробкою алгоритмів розв'язання завдань певного типу, які складно реалізувати в традиційний спосіб.

Інтелектуальна ІС вирішує завдання в реальних складних умовах подібно до людини:

Рішення задач в умовах невизначеності (неточності, неповноти, неоднозначності, недостовірності) інформації. Рішення неформалізованих (складно формалізованих) завдань. Евристичне рішення задач - розумне скорочення перебору в просторі пошуку рішень. Здатність до навчання і набуття досвіду. Інтелектуальна система подібно до людини може змінювати свої стратегії і правила роботи з інформацією в міру набуття нових знань. Система може аналізувати результати своєї діяльності і змінювати свої моделі, формули, параметри тощо. адаптуючись до нових умов або покращуючи результати своїх висновків. «Розумна взаємодія» з користувачем.

Властивості інтелектуальних інформаційних систем

Можливість ІІС працювати зі слабко структурованими завданнями, коли залежності між основними показниками є не цілком визначеними або навіть невідомими.

Здатність до роботи з невизначеними або динамічними даними, що змінюються в процесі обробки, коли методи обробки даних можуть змінюватися і уточнюватися в міру надходження нових даних. Здатність до розвитку системи і видобутку знань з накопиченого досвіду конкретних ситуацій, дозволяючи їй швидко засвоювати нові області застосування. Можливість використання інформації, яка явно не зберігається, а виводиться з наявних в базі даних.