CC BY
24УДК 330.4+04
doi:10.18720/SPBPU/2/id21-55
Кацко Игорь Александрович,
профессор, д-р. экон. наук, профессор; Кацко Светлана Александровна,
доцент, канд. экон. наук, доцент
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Ю.И. ЛЫПАРЯ
Россия, г. Краснодар, ФГБОУ ВО «Кубанский ГАУ им. И.Т. Трубилина», ingward@mail.ru
Памяти Юрия Ивановича Лыпаря
Юрий Иванович Лыпарь (15.01.1939-31.07.2021) -доктор технических наук, профессор, член Международной академии наук высшей школы (МАНВШ), работал профессором кафедры Системный анализ и управление Ленинградского политехнического института (в н.в. Санкт Петербургский политехнический университет Петра Великого). Имеет около 200 публикаций, в том числе, вышедший в трех изданиях учебник «Электронные устройства автоматики и телемеханники» [5], имеет 13 изобретений СССР, соавтор Справочника «Системный анализ и принятие решений» [4] и учебника «Моделирование
Аннотация. В статье рассматриваются основные положения теории системно-структурного проектирования (ТССП) Юрия Ивановича Лыпаря, ушедшего из жизни в 2021 году.
Ключевые слова: объект, система, проектирование, компоненты, аспекты, требования, синтез, конструкция.
Igor A. Katsko,
Doctor of Economic Sciences, Professor;
Svetlana A. Katsko, Associate Professor, Candidate of Economic Sciences,
ELEMENTS OF THE THEORY OF SYSTEM-STRUCTURAL
DESIGN YU. I. LYPAR
Russia, Krasnodar, «Kuban State University named after I. T. Trubilin», ingward@mail.ru
систем и процесов» [11].
Abstract. The article discusses the main provisions of the theory of system-structural design (TSSP) of Yuri Ivanovich Lypar, who passed away in 2021.
Keywords: object, system, design, components, aspects, requirements, synthesis, design.
Введение. Классическая теория систем (в основном) занимается изучением существующих систем (системный анализ). Синтез новых систем, удовлетворяющих заданным требованиям, в каждой области науки и деятельности человека рассматривается как отдельная задача, определяемая контекстом предметной области (строительства, создания электронных схем, создания информационных систем и т.д.). Сложность задачи системного синтеза не позволяла претендовать на создание общей теории, которая была получена, благодаря глубокому пониманию аспектов сложных систем (функционального, структурного, конструкторского и технологического) в 1970-80-е годы Ю.И. Лыпарем и в известной степени может считаться предтечей и обобщением унифицированного языка моделирования UML (Unified Modeling Language) (1995), что потенциально может вывести объектно-ориентированное моделирование (проектирование) на новый качественный уровень, благодаря использованию универсальных компонент и аспектов системы [1—8].
1. Моделирование сложных систем. Изучение известных систем и построение их информационных моделей (обычно бизнес-моделей) сегодня опирается на объектно-ориентированное моделирование (UML). Часто информационная система строится уже для существующего объекта. Разработка и изучение моделей системы служит для решения задач управления и прогнозирования. Если известные подсистемы (подмодели) не позволяют решить новую задачу, то обычно пытаются решить задачу перебором возможных вариантов решения и часто это удается из-за большого числа специалистов, занятых решением. В работах Ю.И. Лы-паря [1-6] изложена и обоснована системная теория синтеза электронных устройств, позволяющая формально решать изобретательские задачи, связанные с синтезом принципов и способов построения этих устройств, а также синтезом их структур [4]. В работе [2] предложена сжимающаяся спиралевидная модель проектирования, содержащая четыре аспекта: функциональный, структурный, конструкторский и технологический (рис.1). В работах [1, 2] теоретически показано, что проектирование по каждому из аспектов должно содержать (чтобы избежать принятия интуитивных решений) 7 этапов. В последующие годы была осознана универсальность теории, что подтвердилось практическими приложениями при проектировании: электронных устройств, управления портфелем ценных бумаг, формального построения баз знаний электронных устройств, построения читаемых курсов лекций, алгоритмов для разработ-
чиков программного обеспечения, структур методик лечения болезней и др. Все эти направления основываются на единой теории системного проектирования, разработанной Ю.И. Лыпарем.
Рис. 1. Спиралевидная модель процесса проектирования
2. Формализованное представление ТССП. Опираясь на работу [8], рассмотрим ряд утверждений, которые в отличие от аксиом могут изменяться и служат основой формального описания, необходимого для того, чтобы обозначить универсальность теории и алгоритмизировать ее использование.
Утверждение 1. Синтезируемая система (объект) представима в виде комплекса взаимосвязанных укрупненных компонент:
< 5, Т, F, Ы, С > (1)
где 2 = {¿г} - цели; аспекты:
структурный
технологический
функциональный
конструкторский
S = {STRUi„ STRорг, ... } - производственные, организационные и др. структуры;
T = {meth, means, alg, ...} - технологии (методы, средства, алгоритмы и т. п.), реализующие систему;
Ф = {фех> Фт} - условия существования системы (внешние, внутренние) или функциональность системы;
С - конструкция (конструирование), N - наблюдатели, на языке которых описываются компоненты, отношения и их свойства.
Итак, в рамках теории системного синтеза (проектирования), для создания нового объекта необходимо две внешних компоненты - цель, наблюдатели и четыре внутренних компоненты, обозначенных как аспекты (страты) процесса синтеза: технологический, функциональный, структурный и конструкторский. Сначала наблюдатель (ЛПР), описывающий и задающий цель системы на своем языке, постулирует необходимость в новом объекте (подсистеме) для достижения системой заданных целей. Исходя из свойств внешней системы, формулируются технологические, технические, эксплуатационные, экономические, экологические требования - ТЭТ.
Предложенный процесс системного синтеза (см. рис. 1) образно можно представить в виде воронки (вихря), внутри которой находятся сетки по числу этапов проектирования. Ячейки сетки изменяют свои размеры и конфигурацию по мере прохождения этапов. Сквозь сетку проходят только эффективные решения, т. е. решения, удовлетворяющие ТЭТ.
Процесс проектирования начинается с генерации огромного числа вариантов, а по его окончании порождается счётное множество конкурирующих вариантов, как правило, не превышающее тысячи. На сетках остаются решения, отвергнутые при конкретном задании на проектирование, но сохраняемые в базе знаний для возможного использования в проектах с другими требованиями [1-8].
Утверждение 2. Каждый из аспектов должен содержать 7 этапов: формализация, принципы построения, аппроксимация, способы построения, структуры, параметры, допуски.
Рассмотрим эти этапы:
1) формализация задания - обеспечивает перевод проблемы создания объекта с нужными свойствами из конкретной предметной области на математический язык;
2) принципы построения, например, обеспечивают минимально необходимые допустимые логические конструкции (пропозициональные формулы) из элементарных для рассматриваемого уровня проектирования конструктов при построении более сложных элементов системы (последовательный - конъюнкция, параллельный - дизъюнкция, с обратной связью и пр.);
3) аппроксимация - представление проектируемого объекта на основании имеющейся информации о целях, критериях (и пр.), заданных в модели предметной области - семантической сетью, фреймом, когнитивной картой и т. д., в виде аналитической модели, предполагающей возможность исследования:
а) дифференциальные, разностные уравнения и системы уравнений в области синтеза технических, технологических объектов;
б) графические вероятностные, статистические, когнитивные модели, а также модели нелинейной науки (вейвлеты, фракталы и др.) в области синтеза социально-экономических систем;
в) \DEFO и иЫЬ - модели в области построения информационных систем.
Для практического применения модели необходимым моментом на этом этапе является исследование на устойчивость. Например, полученные значения параметров моделей исследуются на относительную чувствительность - как изменяется относительное значение результирующей функции при относительном изменении параметра.
4) способы построения - изучаются в каждой области отдельно, автором ТССП этот этап подробно исследован для синтеза электронных устройств [1-8].
5) структуры - подсистемы синтезируемого объекта, реализующие способы построения и позволяющие на инструментальном уровне построить модель, полученную на этапе аппроксимации;
6) параметры - значения параметров модели, полученной на этапе аппроксимации,
7) допуски - допустимые отклонения параметров объекта, позволяющие решать задачу внешней системы (среды), из-за которой понадобился новый объект.
Утверждение 3. Открытость синтезируемой системы определяет приоритет конструктивного подхода, выражающегося в возможности изменения ТЭТ для достижения цели - получения нового объекта.
Вычислительная сложность решения задачи синтеза нового объекта с заданными параметрами (качественными и количественными) показывает ее принадлежность к ОТ-полным задачам.
Истоки путей решения этой проблемы, по-видимому, следует искать у Ж. Адамара, который, исследуя процесс изобретательства, обнаружил, что для повышения его эффективности необходимо последовательное переключение с образной (О) или гуманитарной формы мышления на формальную (Ф) или логическую и наоборот (иначе говоря, чередуя качественные и количественные методы). К этому же выводу пришел известный кибернетик Ст. Бир, основываясь на теореме К. Геделя о неполноте любой формальной системы, предложив принцип внешних дополнений, основанный на включении дополнительной качественной информации о свойствах и целях системы. Таким образом, математические доказательства - это опосредованные средства убеждения, которые не обладают абсолютной строгостью [8].
Эта идея положена в основу метода постепенной формализации процесса решения проблемы в системном анализе, она также играет основную роль в теории системно-структурного синтеза (возврат на предыдущие уровни по линиям аспектов для уточнения и (или) дополнения с помощью наблюдателя (ЛПР) количественно-качественной информации).
Утверждение 4. Основой выводов при синтезе системы являются правдоподобные рассуждения на базе лексикографического порядка.
Следует отметить, что наши знания и представления о новом объекте под влиянием новой информации в процессе синтеза изменяются. Применение формальных и неформальных методов к синтезу (и анализу) объекта предполагает реализацию процесса, описанного Д. Пойа и названного «правдоподобным рассуждением» такого типа: Б\ - сформулированные ТЭТ обеспечивают решение проблемы ЛПР, Б2 - ТЭТ позволяют связать проблему ЛПР и возможности реализации объекта, Б3 - аналогичные ТЭТ позволили решить подобную задачу синтеза нового объекта, ..., Бп. А - новый объект устраивает ЛПР.
Фактически в процессе синтеза нового объекта, согласуя ТЭТ и возможности их реализации, мы действуем согласно фундаментальной индуктивной схеме Д. Пойа:
А ^ В
_В истинно_
А более правдоподобно'
Правдоподобные рассуждения, согласно Д. Пойа, расширяют обычный логический вывод и отличаются от него (в частности от доказательства): открытостью множества аргументов, использованием правил не только достоверного, но и правдоподобного вывода. Доказательные (формализованные) и правдоподобные
(неформализованные) рассуждения дополняют друг друга. Принятие решений по синтезу нового объекта основывается на доводах, которые следует относить к правдоподобным рассуждениям. Согласно Д. Пойа, выражение «из А следует Б» (А ^ 5) не совпадает с обычной импликацией, рассматриваемой в математической логике. На самом деле неявно предполагается, что А и Б некоторым образом связаны между собой, и переход от посылки (посылок) к следствию носит не достоверный (как при дедукции), а лишь правдоподобный (проблематичный) характер.
Формализация процесса правдоподобных рассуждений основывается на упорядочении ТЭТ (от самых важных, с точки зрения ЛПР, в том числе обеспечивающих устойчивость) и представлении
в виде функции выбора, чтобы при лексикографическом сравнении разных структур, можно было отсеять на самых ранних стадиях проектирования структуры, не удовлетворяющие ТЭТ:
• По векторному критерию качества /-го этапа
ЕК = (Е&.....ЕЪ.....ЕГЛ) (2)
сравнивают I синтезированных структур.
• Считают, что структура Жи не хуже структуры (Шк: > ), если выполнено
ЕГт№)> ЕГт(Ш,); к = ТЛ (3)
и структуры эквивалентны (Шк •= )в смысле критерия Е^, если
% №) = % Ж). (4)
• Частные критерии не все равноценны, поэтому их ранжируют по важности, объединив равноценные в комплексы. В этом случае можно добиваться приращения более важного критерия за счёт потерь по всем остальным менее важным критериям. Отыскание в указанном смысле эффективных структур можно осуществить, решив лексикографическую задачу оптимизации для 1-го этапа:
1ехтГ РБи{ЕП т), (5)
ШЕШу
где Жу - множество всех возможных структур в соответствии с лексикографическим отношением предпочтения структур Ж^ >х Ж1, которое будет справедливо, если выполняется одно из X условий:
1) %(Шк) > ЕГп(^), Е^(Шк) = ), (6)
2) %(Шк) > ЕГц(Ш,), ЕГя(Шк) = ЕГа(Ш,),
Ь) Efa(Wk) > EfiÄ(Wt), Efa(Wk) = Efa(Wt), где к = 1,5 — 1
• Когда лексикографически эффективные структуры существуют, то задачу лексикографической оптимизации решают так: найти
lexinfWEWy FEf.(Efi(W)), где i = 1,(5. (V)
Утверждение 5. Интеллектуальные агенты обеспечивают параллельное уточнение критериев по всем аспектам и их согласование с ЛПР, что существенно снижает размерность проблемы синтеза.
В настоящее время актуальна точка зрения на искусственный интеллект как на науку об агентах, которые активно воспринимают
окружающую среду и выполняют действия, отражающие восприятие изменений. Агентом является все, что может рассматриваться как воспринимающее свою среду с помощью датчиков и воздействующее на эту среду с помощью исполнительных механизмов [10].
На каждом аспекте осуществляется отсечение решений, которые не удовлетворяют требованиям качества системы с помощью функций выбора, сформулированных для данного этапа. Оставшееся подмножество содержит эквивалентные возможные решения, т. е. неразличимые с помощью функции выбора данного этапа. На основе полученного подмножества решений формируются функции выбора для каждого следующего этапа проектирования. Для следующего этапа лицом, принимающим решения, осуществляется выбор из синтезированного подмножества одно из эффективных решений. Проектирование ведется параллельно по всем четырем аспектам с учетом ТЭТ:
1) на технологическом аспекте рассматриваются требования, ограничения и возможности современных технологий (методы, средства, алгоритмы), параметры новых элементов (конструктов), необходимых для создания новых подсистем и компонент, которые можно применить при создании объекта с заданными свойствами,
2) на функциональном аспекте проектирования анализируются внешние и внутренние функциональные свойства системы, которыми она должна обладать в соответствии с целью;
3) на структурном аспекте порождается несколько решений, которые для изучения свойств желательно описать формально;
4) на конструкторском аспекте анализируются возможности (требования и ограничения), которые необходимо учесть на структурном аспекте.
Таким образом, о свойствах и характеристиках будущего объекта (системы) становится всё известно до появления самой схемы системы (объекта).
Заключение. Теория системно-структурного проектирования (ТССП) Ю.И. Лыпаря в известной степени предвосхищает языки объектно-ориентированного моделирования (ИМЬ). Опираясь на терминологию иМЬ, для проектирования предлагается 7 универсальных классов (формализация, принципы построения, аппроксимация, способы построения, структуры, параметры, допуски), атрибутами которых служат универсальные компоненты системы: Т - технология, Ф - функциональность, Б - структура, С - конструкция (конструирование, действие, позволяющее реализовать три предшествующие компоненты).
В языке ИМЬ реализуется 12 типов диаграмм, представляющих: статическую структуру (компонента Б) - 4 типа диаграмм; поведенческие аспекты (компонета Ф) - 5 типов диаграмм; реализацию функционирования системы (компонента Т) - 3 типа диаграмм [9]. В ТССП добавляется компонента С - конструкция, кроме того, все типы моделей объединены в одной схеме. Таким образом, реализация идей ТССП Ю.И. Лыпаря для широкого круга пользователей в виде еще одного типа диаграмм в ИМЬ, обобщающих другие типы диаграмм, позволит выйти на новый уровень объектно-ориентированного моделирования и проектирования.
Список литературы
1. Лыпарь Ю.И. Системный синтез структур электронных и электрических цепей. Часть I. // Электричество, №2, 2007.
2. Лыпарь Ю.И. Системное проектирование. Функциональный и структурный аспекты // Сборник статей, посвящённый 50-летию секции «Кибернетика» Изд-во «Политехника», 2006, с. 217-238.
3. Лыпарь Ю.И. Чувствительность, безусловная устойчивость и качество систем // Сборник статей, посвящённый 50-летию секции «Кибернетика» Изд-во «Политехника», 2006, с. 239-253.
4. Лыпарь Ю.И. Системно-структурный синтез // В учеб. пособии «Системный анализ и принятие решений. Словарь-справочник под общ. Ред. В.Н. Волковой и В.Н. Козлова, М. Высш. Школа, 2004, с. 427-439.
5.Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. - 432 с.
6.Лыпарь Ю.И. Синтез баз знаний аналоговых электронных устройств.// Ульяновск: Труды междунар. конф. «Континуальные и алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике», т.3, 2006, с.120-128.
7. Лыпарь, Ю.И. Системное проектирование и управление портфелем ценных бумаг / Ю.И. Лыпарь, Д.А. Крепышев // Новые технологии - 2010. - № 3.
8. Лыпарь, Ю.И. Теория системно-структурного проектирования - основа интеллектуализации разработки моделей и систем поддержки принятия решений: монография / Ю.И. Лыпарь, И.А. Кацко, Г.Ф. Бершицкая: КГАУ. - Краснодар., 2010. -49 с.
9. ИМЬ 2.0. Объектно-ориентированное моделирование и разработка / Дж. Рамбо, М. Блаха. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 544 с.
10. Искусственный интеллект: современный подход. 4-е изд., том 1. Решение проблем: знания и рассуждения / С. Рассел, П. Норвиг.: Пер. с англ. - СПб.: «Диалектика», 2021. - 704 с.
11. Моделирование систем и процессов: учебник для академического бакалавриата / Под ред. В. Н. Волковой и В.Н. Козлова. - М.: Изд-во Юрайт, 2015. - 449 с.
