Декомпозиция как метод системного анализа

12.10.2012

Анализ и синтез

Декомпозиция

Лекция 8. Декомпозиция, анализ и синтез - методы системного анализа

Декомпозиция ( детализация, разбиение на составляющие элементы)как способ системного анализа используется для структуризации целей, проблем, противоречий, стратегий, решений и ряда других задач функционально-структурного подхода к анализу существующих систем или синтезу новых систем. Внешней формой декомпозиции могут граф-схемы, т.н. «деревья» целей, проблем, противоречий, стратегий, решений.
«Деревья» в целеполагании
Анализ процессов формулирования глобальной цели в сложной системе показывает, что эта цель возникает в сознании руководителя или коллектива как некоторая, достаточно «размытая» область. На любом уровне цель возникает вначале в виде «образа» цели. При этом достичь одинакового понимания общей цели всеми исполнителями, по-видимому, принципиально невозможно без ее легализации в виде упорядоченного или неупорядоченного набора взаимосвязанных подцелей, которые делают ее понятной и более конкретной для разных исполнителей. Таким образом, задача формулирования общей цели в сложных системах должна быть сведена к задаче структуризации цели. Для облегчения задачи целеполагания применяется декомпозиция (детализация) цели в виде неупорядоченного или упорядоченного набора взаимосвязанных подцелей (структуризация); которые делают ее более конкретной и понятной для всех участников процесса целеобразовапия. Для наименования подцелей в конкретных приложениях используют разные названия: направления, программы, задачи, а начиная с некоторого уровня - функции.

Поскольку любая цель обладает двойственностью, являясь одновременно и целью, и средством для достижения вышестоящей цели, то описание отношений между целями и средствами может быть отражено специальной схемой (графом), носящей название «дерево целей». Термин был введен в 1957 г. У. Черчменом, который предложил метод дерева целей в связи с проблемами принятия решений в промышленности. Эта схема была с успехом использована в ряде крупных военных и промышленных программ в США, а в настоящее время является повседневным инструментом практически любого современного менеджера.
При использовании метода «дерево целей» в качестве средства принятия решений часто применяют термин «дерево решений». При применении метода для выявления и уточнения функций системы управления говорят о «дереве целей и функций». При структуризации тематики научно-исследовательской организации пользуются термином «дерево проблемы», а при разработке прогнозов «дерево направлений развития (прогнозирования развития)» или «прогнозный граф».
Для системного анализа организаций с целью их реорганизации или автоматизации можно предложить следующие виды «деревьев»:
а) «дерево целей» объекта, которое можно определить как «дерево желаний»;
б) «дерево проблем» объекта;
в) «дерево целей» субъекта;
г) «дерево стратегий» или «дерево решений».
Первоначально строится «дерево целей» с позиции объекта, т. е. «дерево желаний». В нем отражаются главные желания, как правило, связанные с существованием и развитием объекта. Далее они декомпозируются на более детальные цели, удовлетворение которых приведет к удовлетворению главных.
На следующем этапе анализируется проблемность удовлетворения потребностей и желаний объекта и выделяется ключевая проблема (проблемы), которая декомпозируется в виде «дерева проблем».
Далее строится «дерево целей» с позиции субъекта как позитивное отражение «дерева проблем».
И, наконец, строится «дерево стратегий», в котором «дерево целей» дополняется вариантами (стратегиями) решения выявленных проблем.
До окончательной формулировки целей необходимо решить два вопроса. Во-первых, рассмотреть проблематику — множество проблем, которые порождаются решением наших проблем. Это может потребовать корректировки намеченных целей. Во-вторых, необходим аналитический, а чаще всего экспертный анализ для выбора альтернатив решения проблем.
После выбора стратегий формулируются задачи (функции) и назначаются их исполнители.
Построение «дерева целей»
Сначала формируется основная цель (желание), формулировка которой, как правило, имеет следующую структуру: глагол-действие, пояснение, объект-цель. Построение «дерева целей» начинается с процедуры структуризации, расчленения основной цели на составные элементы, называемые подцелями, каждая из которых является средством, направлением или этапом ее достижения. Затем каждая из подцелей в свою очередь рассматривается как цель и расчленяется на компоненты. Если все эти элементы представить графически, то получится так называемое «дерево целей», обращенное кроной вниз. Деление прекращается, когда подцель становится неделимой и объективно измеримой.
Построение «дерева» происходит по следующим принципам:
• если очередная подцель является средством для предыдущей, то она опускается на уровень ниже первой;
• если она является целью, то поднимается на один уровень вверх;
• если она не является ни целью, ни средством, то остается на том же уровне иерархии.
Для проверки полноты и внутренней непротиворечивости дерева целей существуют четыре простых правила.
1. При чтении сверху вниз подцель должна отвечать на вопрос: что нужно сделать, чтобы реализовать цель предыдущего уровня?
2. При чтении снизу вверх цель более высокою уровня должна отвечать на вопрос: для чего необходима цель, лежащая непосредственно под ней?
3. При чтении подцелей, необходимых для достижения одной цели, следует уточнить, все ли подцели действительно необходимы для ее достижения.
4. При чтении подцелей, необходимых для достижения одной цели, следует уточнить, какие еще подцели этого уровня необходимы для достижения цели.

В ка­честве удобного и апробированного на практике инстру­мента исследования целей можно использовать построе­ние целевой модели в виде древовидного графа – «дерева» целей(рис.1).

 

        Цель 1        
                   
  Цель 1.1       Цель 1.2  
                   
Цель 1.1.1   Цель 1.1.2   Цель 1.2.1   Цель 1.2.2
                   
Цель 1.1.1.1 Цель 1.1.1.2   Цель 1.1.2.1 Цель 1.1.2.2   Цель 1.2.1.1 Цель 1.2.1.2   Цель 1.2.2.1 Цель 1.2.2.2

 

Рис.1. Фрагмент «дерева целей»

 

Построение «дерева» целей осуществляется для форма­лизованного отображения процесса распределения целей по уровням управления. Посредством дерева целей опи­сывается их состав, взаимосвязь, упорядоченная иерархия, для чего осуществляется последовательная декомпозиция главной цели на подцели по следующим правилам:

• общая цель, находящаяся в вершине графа, должна содержать описание конечного результата;

• при развертывании общей цели в иерархическую структуру целей исходят из условия: реализация подцелей каждого последующего уровня является необходимым и достаточным условием достижения цели предыдущего уровня;

• при формулировке целей разных уровней необхо­димо описывать желаемые результаты, но не спо­собы их получения;

• подцели каждого уровня должны быть независимы друг от друга и невыводимы друг из друга;

• фундамент дерева целей должны составлять задачи, представляющие собой формулировку работ, кото­рые могут быть выполнены определенным спосо­бом и в заранее установленные сроки.

Пример. «Дерево целей» для коммерческого учебного центра, показанное на рис.2.

 

Рис.2. «Дерево целей» для коммерческого учебного центра

 

Построение «дерева проблем»
Вначале выбирается и сжато формулируется одна (или несколько) из ключевых проблем достижения целей-желаний. А затем одна за другой формулируются другие проблемы, выстраиваемые в «дерево» по следующим принципам:
• если очередная проблема является причиной для предыдущей, то она опускается на уровень ниже первой;
• если она является следствием, то поднимается на один уровень вверх;
• если она не является ни причиной, ни следствием, то остается на том же уровне иерархии.

Рис. 3. «Дерево проблем» для коммерческого учебного центра


Построение «дерева целей» субъекта и «дерева стратегий»
При анализе путей решения имеющихся проблем строится «дерево целей», которое является позитивным зеркальным отражением негативного дерева проблем. И к этому дереву в качестве «веток» пристраиваем возможные стратегии решения проблем (достижения целей).
Пример. «Дерево целей» с вариантами стратегий для коммерческого учебного центра,

Рис. 4. «Дерево целей» с вариантами стратегий для коммерческого учебного центра.


Далее следует провести анализ и выбор стратегий (средств достижения целей), для чего можно построить соответствующую таблицу.
Пример. Таблица стратегий:

Резюме
1. Любая деятельность является целенаправленной.
2. Источник цели - потребность. При неудовлетворении потребности появляется желание, отсутствие очевидного пути достижения которого порождает проблему, и тогда появляется цель как нечто, что решит проблему.
3. Выбор цели сугубо субъективный. Если ставится или имеется цель, то всегда существует субъект целеполагания, точка зрения которого отражается в ней. Субъективность це-ли выражается, с одной стороны, знаниями и пониманием действительности того, кто ставит цель, а с другой цель направлена на удовлетворение его конкретной жизненной потребности.
4. Следует различать цели с позиции субъекта и объекта. Цель с позиции субъекта определяет цель анализа, описания, проектирования (создания или реорганизации) и управления. Цель с позиции объекта определяет цель его функционирования (существования), которая может быть заложена при его создании либо формироваться внутри него.
5. Цель может быть конкретной или размытой. В последнем случае необходимо вводить критерии для оценки степени достижения цели.
6. Целеполагание сталкивается с рядом проблем, связанных с объективными и субъективными ограничениями, изменением целей со временем, неопределенностью целеполагания, опасностями подмены целей средствами и смешением целей и др.
7. Прежде чем формулировать окончательную цель, необходимо провести исследование решаемой проблемы. В частности, следует расширить проблему до проблематики: определить и рассмотреть проблемы, существенно связанные с исследуемой, без учета которых она не может быть решена.
8. Правильно сформулированные цели должны быть конкретными, измеримыми, достижимыми, согласованными, приемлемыми и гибкими.
9. Существенную помощь при целеполагании оказывают «деревья» целей и проблем. При реорганизации или автоматизации объекта можно рекомендовать построение следую-щей цепочки «деревьев»: «дерево» целей (желаний) объекта, «дерево» проблем объекта, «дерево» целей субъекта. В последнем «дереве» рассматриваются возможные стратегии решения


Дерево функций системы представляет собой декомпозицию ее функций и служит основой для формирования системы. Выделяются «функциональные модули».

В структуре им соответствуют определенные «конструктивные модули».
При формировании дерева функций системы необходимо располагать полнотой информацией о ее функциях (основных и дополнительных). Ни на одном уровне иерархии системы нельзя забывать ни об одной функции (в том числе психофизические, эргономические, экологические и др.).

Надо выделить основную функцию и функции уровней.
Дерево противоречий системы - отражает противоречия отдельных уровней функционально-структурной ее организации. На каждом уровне существуют противоречия между функциями и структурной организацией, как противоречия между содержанием и формой, между состоянием определенного качества и сложностью структуры.

Многоуровневая иерархическая система противоречий и есть дерево противоречий системы.
Функциональные модули сложной системы формируют ее концепцию в соответствии с деревом функций и деревом противоречий системы.
Конструктивные модули - определяют и организуют т.н. морфологическую структуру системы на основе ее функциональных модулей.

Связь между функциональными и конструктивными модулями проявляется, как между функцией и структурой. Иными словами - система с определенными функциональными модулями может быть реализована неоднозначно с помощью различных конструктивных модулей.
Алгоритм функционально-структурного подхода к анализу существующей системы или синтезу новой системы.
Алгоритм сводится к последовательности операций:
1. Анализ систем - прототипов включает: выяснение основных и дополнительных функций; построение обобщенного дерева функций; выявление базовых структур; анализ принципов технической реализации.
2. Исследование дерева противоречий системы включает: анализ «узких мест» систем-прототипов; выявление ограничивающих факторов; выявление основного противоречия системы; построение дерева противоречий системы, анализ дерева противоречий системы.
3. Формирование концепций системы включает: влияние способов преодоления противоречий системы; поиск альтернатив технической реализации системы; разработку технического задания на систему; определение совокупности показателей качества системы.
4. Формирование дерева функций системы включает: определение множества основных и дополнительных функций; определение числа уровней декомпозиции и декомпозицию функций системы; выявление набора типовых операторов; отображение функций предыдущего уровня на множество операторов; трансформацию дерева функций.
5. Формирование функциональной структуры системы включает: анализ методов аппаратной и программной реализации; разработку алгоритмов функционирования системы; анализ связей операторами различных уровней; построение временных диаграмм активности операторов соответствующего уровня; определение загрузки ресурсов подсистемы; эквивалентные преобразования операторов; структур; выделение типовых функциональных подсистем.
6. Формирование морфологической структуры системы на основе конструктивных модулей включает:

выбор технических средств для реализации системы;

формирование таблиц соответствия функциональных модулей;

формирование таблиц соответствия конструктивных модулей;

обоснование разработки оригинальных технических средств;

преобразование элементов (подсистем)функциональной структуры;

покрытие функциональных подсистем конструктивным модулями;

формирование конструктивных модулей высокого уровня;

формирование альтернативных вариантов системы;

анализ достоинств функционирования системы.
7. Оценка показателей качества и выбор окончательного варианта системы включает:

выбор стратегии сравнительного анализа вариантов системы;

выбор методики оценки показателей качества системы;

анализ показателей качества системы;

формирование документации на систему.

К этому необходимо добавить, что если полученные результаты неудовлетворительны, то необходим возврат к повторению этого алгоритма на новом витке развития (активного поиска).
Вдумчивый конструктор, читая данный алгоритм, обратит внимание не только на важность и ответственность постановки проблемы и ее поисковой формулировки, т.е. на работу, предшествующую использованию данного алгоритма, но и на этап формирования концепции системы как на коренной момент алгоритма.

В концепцию создаваемой системы желательно закладывать такие прогрессивные идеи, которые обеспечивали бы повышение ее эффективности в несколько раз, т.е. создать запас, резерв возможностей. Тогда при решении последующих вопросов низкого уровня можно «пожертвовать» несколькими процентами из этого резерва эффективности, чтобы быстрее и с меньшими затратами осуществить практическую доводку и внедрение системы.
При формировании концепции системы на функциональном уровне надо заботиться о том, чтобы не потерять многообразные возможности структурной организации, т.е. здесь четко должны реализовываться черты функционально-структурного подхода (одна и та же функция может быть реализована различными структурами).


Алгоритм функционально-структурного подхода направлен на выявление (вскрытие) и преодоление противоречий разных уровней:
1. Основное противоречие системы связано с постановкой проблемы. Оно вскрывается на основе анализа систем-прототипов и потребности, составляет основу дерева противоречий системы и далее просматривается от этапа формирования системы до оценки конечного результата..
2. Противоречия структурного уровня проектирования (структурного синтеза системы) - это противоречие между функциональной полнотой и требованиями минимизации системы.
3. Требования минимальной структуры - это стремление к системе из минимального числа элементов органической номенклатуры. Здесь возникает новое противоречие, связанное с проблемами унификации и типизации элементов, на которые расчленяется система. Какие и сколько элементов целесообразно унифицировать, чтобы из них синтезировать систему. В этой задаче необходимо учесть многие требования и ограничения технологии изготовления конструктивных элементов, удобству их транспортирования и монтажа, надежности в процессе эксплуатации.

4. Противоречия этапа логического проектирования связаны, с одной стороны, с непрерывным расширением функциональных возможностей системы (с эволюцией функций) и, с другой стороны, с числом элементов и количеством их типов, составляющих логическую структуру системы (с эволюцией технологии).
5. Основное противоречие этапа технического проектирования связано с функциональными возможностями разрабатываемых элементов и сложностью их структуры. Что выгоднее: синтезировать систему из большого числа простых элементов или небольшого числа сложных.

6. Основные противоречия этапа конструктивно-технологического проектированиявозникают между функциональными возможностями блоков (конструктивных модулей) системы и конструктивно-технологическими ограничениями их реализации.