Systémová teorie a metodologie
Projektování IS - obecně • projektování IS není věda, ale oblast praktické lidské činnosti, která má teoretické základy v různých vědních disciplínách (matematika, logika, systémová věda, kybernetika, teorie řízení, počítačová věda, atd.) • cílem projektování není další rozvoj příslušných teoretických oborů, ale využití jejich poznatků při řešení reálných problémů
Teoretické zázemí projektování IS • Ludwig von Bertalanffy (1901 – 1972) – Američan rakouského původu – spoluzakladatel obecné teorie systémů • William Ross Ashby (1903 – 1972) - britský průkopník kybernetiky a teorie systémů • Norbert Wiener (1894 – 1964) - Americký matematik, zakladatel kybernetiky, zabýval se matematickou analýzou, teorií pravděpodobnosti, matematickou statistikou a výpočetní technikou, je spoluautorem neurokybernetiky
Řešení problémů obecně • problém = odchylka od žádoucího stavu vyžadující řešení, které hledáme • používané metody: – – – –
systémový přístup modelování inženýrství projektování
• nejedná se o univerzálně použitelné metody (pro řešení jakýchkoliv problémů), ale jsou velmi vhodné k návrhu IS
Systémový přístup • obecná metoda vědeckého myšlení, jejíž podstatou je analýza fungování složitých celků - v důsledku jejich struktury • přístupy: – klasický mechanistický (newtonovský): • poznávání celku jeho rozdělením na části a studium jejich vlastností • vztahy mezi částmi se neuvažují • je konkrétní, zajímají nás fyzické komponenty
– systémový přístup: • poznávání celku prostřednictvím vztahů mezi jeho částmi • celek může mít vlastnosti, které přímo nevyplývají z vlastností jeho částí • je abstraktní, zajímají nás logické komponenty
Postup při systémovém přístupu 1. vymezení hlediska zkoumání, stanovení cíle – odlišení daného systému od jiných systémů, jež lze na objektu definovat
2. vymezení hranic systému, zahrnutí prvků a procesů – odlišení daného systému od okolí – určení hranice systému – rozhodnutí, které entity zahrnout (či nezahrnout) do systému – seznam prvků a procesů systému
3. proces strukturování – rozhodnutí, jak uspořádat vlastnosti množiny zvolených entit (prvků systému) – definování vztahů prvků a procesů – rozlišení podstatných a nepodstatných prvků a vztahů
Základní kroky při využití systémového přístupu k řešení problémů 1. rozložte původní problém na sadu menších problémů; pokračujte v procesu dekompozice, až bude každý podproblém dostatečně malý, aby se dal vyřešit 2. zformulujte řešení pro každý jednotlivý podproblém 3. spojte sadu řešení podproblémů v jeden celek 4. aplikujte kompletní řešení na původní problém 5. prověřte, zda řešení je správné (testování navržené struktury a funkce)
Řešení problémů prostřednictvím informačních systémů 1. analýza problému (systémová analýza – systems analysis) – jaký je problém? – jaké je nejlepší řešení problému? – výsledek: návrh řešení, jeho časového horizontu, požadavky na finance
2. návrh řešení problému (projekt systému – systems design) – jak transformovat zvolené řešení do navrhovaného informačního systému? – výsledek: volba hardwaru, návrh způsobu reprezentace dat v počítači, volba (nebo vlastní návrh) softwaru, řešení komunikace uživatele se systémem (uživatelské rozhraní)
Modelování • vychází z obecných zákonitostí teorie podobnosti, zejména z principu analogie • je to obor studující otázky racionální konstrukce modelů, jež odrážejí vlastnosti, vztahy a chování reality • je to nástroj umožňující místo teoretického zkoumání použít empirické metody (např. experiment) tím, že empirické výsledky se přenesou z modelu na zkoumaný objekt nebo navrhovaný artefakt
Model • zjednodušené nebo zobecněné zobrazení systému, zavedeného na objektu, které se s tímto objektem shoduje v podstatných vlastnostech • analogicky (schéma, struktura, znakový systém) určené části přírodní nebo sociální reality jakožto originálu; tento model (analog) slouží k hlubšímu poznání originálu, jeho konstrukce a organizace, ale i přeměn a jejich podmínek
Vztah subjekt – model – originál
působení
subjekt
model
analogie
působení
originál (objekt)
Využití (funkce) modelu • nahrazuje subjektu pochopení originálu nebo manipulaci s originálem • funkce: – poznávací: • studium struktury původního objektu (např. prostřednictvím verbálního popisu jinak nedostupného objektu) • vzor / plán / návrh (budoucího objektu nebo procesu)
– manipulační, ověřovací • myšlenkové nebo materiální experimenty • simulace • ověření vlastností skutečných objektů (např. stability konstrukce)
– komunikační, dokumentační
Základní typy modelů •
statický – dynamický – statický model: zobrazuje zpravidla strukturu (vnitřní uspořádání) jevů a procesů – dynamický model: zobrazuje převážně chování, funkci systémů
•
konkrétní – abstraktní – konkrétní model (též názorný model, maketa, prototyp, faksimile): obrazy, reálné modely, prostorové (3D) modely, animace, video (4D – je zahrnut i čas) – abstraktní model: např. matematický vzorec
•
individuálně vytvářený – standardizovaný – individuálně vytvářený model: umožňuje vystihnout specifika originálu – standardizovaný model: je všeobecně srozumitelný
•
konceptuální (pojmový, esenciální) – technologický – konceptuální model: implementačně nezávislý – technologický model: návrh systému pro konkrétní implementační prostředí (software, hardware)
•
AS-IS – TO-BE – AS-IS: model současného stavu – TO-BE: model cílového stavu (plán, projekt,)
Základní typy modelů 2 • podle formy vyjádření 1. textový (verbální, slovní) - hledaná informace se získá pochopením (interpretací) textu – používá prostředky přirozeného jazyka – může vyjádřit i to, co je slyšet (písmo je modelem řeči, noty jsou modelem hudby) – může vyjádřit i abstrakci nebo ideje (myšlenky) – je lineární (nestrukturovaný) – strukturu popisovaného problému musíme vytvořit ve své mysli 2. matematický (vzorec) - hledaná informace se získá výpočtem 3. číselný - efektivní vyjádření kvantity (množství) 4. obrazový (názorný, 2D, 3D, 4D) - hledaná informace se získá sledováním modelu – efektivní vyjádření tvarů a barev – jasné znázornění akce nebo scény – může ukázat i to, co není vidět (např. mapy) – může eliminovat nepodstatné jevy – grafická schémata jsou strukturovaná – přímo znázorňují strukturu popisovaného problému
Požadavky na model • • • • • • •
úplnost přesnost minimální redundance jednoduchost, čitelnost (7±2) konzistence hierarchie úrovní poměr grafika (většina) – text (menšina)
Systémová metodologie • technika: – popis operací při řešení problému – je spíše konkrétní (co dělat, jak to udělat – pomůcka, nástroj)
• metoda: – zaznamenaná zkušenost, oddělená od původního nositele – je k dispozici k realizaci metody pro opakované použití nepotřebujeme jejího autora (reuse)
• metodika: – postup, jak zvolit operace vhodné k řešení problému – je spíše abstraktní (proč to dělat právě tak, jak to dělat – návod)
Jak úspěšně realizovat činnost • pozveme si odborníka, který to umí udělat nebo • děláme to tak, jako tento odborník (použijeme metodu)
Typy vytvářených modelů 1. obecné metody
2. speciální metody
zajímají nás objekty
zajímají nás data
lze užít pro znázornění libovolné reality
užíváme výhradně pro navrhování informačních systémů
zobrazujeme všechny zpozorované objekty a procesy
soustředíme se pouze na to, co bude zpracováno v počítači – objekty a procesy mimo dosah informačních a komunikačních technologií nepopisujeme
modely
metody
Teorie systémů (systémová teorie, obecná teorie systémů, systémová věda) • vědní disciplína v logicko–matematické oblasti, která se zabývá formulací a dedukcí obecných systémových zákonů, aplikovatelných na všechny systémy určitého typu bez ohledu na povahu jejich prvků a vztahů • obecný teoretický přístup k postižení nejobecnějších rysů a zákonitostí různých typů systémů na základě jejich izomorfie (homomorfie) • metodologie teorie systémů představuje spojovací můstek mezi filozofickou metodologií a specifickými metodami jednotlivých věd • předmětem zkoumání je systém • metodou zkoumání je systémový přístup, systémová analýza a syntéza • aplikační oblasti: všechny oblasti, v nichž probíhá příprava a zhodnocování rozhodnutí a řešení složitých problémů (kybernetika, operační výzkum, inženýrské disciplíny)
Inženýrství (engineering) • systematická aplikace vědeckých znalostí při návrhu a tvorbě cenově efektivních řešení praktických problémů • vychází z předem určeného cíle, existujících omezení a požadované spolehlivosti • uplatňuje se při tvorbě rozsáhlých, složitých a technologicky náročných artefaktů (tj. objektů vytvořených člověkem) • řešení respektuje existující standardy a je dokumentováno
Inženýrská „pravidla hry“ (od konkrétních k obecným) • podnikové předpisy, best practices (příklady nejlepší praxe) • standardy • principy a metody dané inženýrské disciplíny • obecné inženýrské principy a metody
Inženýrské disciplíny uplatňující se při projektování a provozování informačních systémů a oblasti jejich působnosti inženýrská disciplína
analýza, návrh, realizace a provoz:
systémové inženýrství (systémová analýza) průmyslové inženýrství operační výzkum (manažerská věda) projektový management informační inženýrství softwarové inženýrství business (organizační) inženýrství webové inženýrství znalostní inženýrství
systémů výroby rozhodnutí projektů informačních systémů softwaru organizačních a řídicích struktur webových aplikací expertních systémů
Softwarové / informační inženýrství 1. analýza – problémů – byznys (podnikových) procesů – informačních potřeb a uživatelských požadavků
2. návrh (softwaru / IS) – – – –
programování tvorba uživatelského rozhraní tvorba dokumentace testování
3. implementace a integrace (softwaru / IS) 4. provoz, zajištění jakosti, údržba (softwaru / IS)
Systém - definice • systém (česky soustava) je souhrn souvisejících prvků, sdružený do nějakého smysluplného celku • v latině a řečtině znamená termín system kombinovat, uspořádat, sdružovat • systém se obvykle skládá z komponent (nebo elementů), které jsou spojeny za účelem umožnění toku informací, materiálu nebo energie. • termín je často používán pro popis entit, které se vzájemně ovlivňují a pro něž může být vytvořen matematický model • subsystém je systém, který je částí jiného systému • jakmile na objektu dokážeme definovat jeho prvky (části) a jejich vztahy, které tvoří celistvost objektu, tedy strukturu a fungování objektu, pak jsme do tohoto objektu zavedli systém
Atributy systému • struktura (statická složka) • funkce (dynamická složka) • systém je jednota struktury a funkce (statického a dynamického pojetí), celku a části
Typologie systémů • podle vlastností prvků, z nichž jsou složeny • podle toho, jakého typu jsou vztahy mezi prvky • podle chování
Typy systémů •
A. přirozené – umělé –
•
B. statické – dynamické –
•
rozlišující kritérium: vazby (existence / neexistence podřízenosti)
H. homogenní – heterogenní –
•
rozlišující kritérium: chování, resp. možnost jeho předvídání
G. vertikální – horizontální –
•
rozlišující kritérium: prvky a vazby (počet)
F. deterministické – indeterministické (pravděpodobnostní, stochastické) –
•
rozlišující kritérium: vstupy – výstupy (vztah k okolí)
E. jednoduché – složité –
•
rozlišující kritérium: prvky (vlastnosti) a jejich vztah k realitě (pojmy / fyzikální objekty)
D. uzavřené – otevřené –
•
rozlišující kritérium: stabilita stavu systému v čase
C. abstraktní – konkrétní –
•
rozlišující kritérium: způsob vzniku objektu (s přispěním / bez přispění člověka)
rozlišující kritérium: podobnost atributů (vlastností) prvků
I. „tvrdé“ – „měkké“ –
rozlišující kritérium: míra určitosti při definování systému
Statické pojetí systému (struktura) • • • • • •
prvky vlastnosti (atributy) prvků uspořádání prvků (vazby, vztahy) subsystém okolí hranice
• statický pohled na systém jej chápe jako celek složený ze dvou tříd: – z třídy prvků – z třídy vztahů (relací, vazeb) mezi prvky
• těmto relacím říkáme struktury • v systému jsou prvky spojeny strukturami v celek, v jednotu
Struktura a prvek v systému • struktura: – množina vzájemných vztahů, jimiž jsou spjaty prvky uvnitř systému (uspořádané zpravidla podle určitého jednotícího principu) a které umožňují předvídat chování systému – skladba či uspořádání prvků a vazeb
• prvek systému: – dále nedělitelná část celku (na dané rozlišovací úrovni tvoří dále nedělitelný celek, jehož strukturu nechceme nebo nemůžeme rozlišit) – část systému, v níž probíhá transformační proces
• atribut (vlastnost, charakteristika) prvku: – určuje prvek po kvalitativní nebo kvantitativní stránce
Typy prvků podle umístění v systému • vnitřní (má vazby jen s prvky stejného systému) • hraniční – vstupní, výstupní (má alespoň jednu vazbu s prvkem, který není prvkem systému) • externí – vnější (má alespoň jednu vazbu s prvkem, který je prvkem systému): vstupy a výstupy • tranzitivní prvek (transient element): prochází systémem, určitou dobu je jeho součástí (externí vnitřní externí) • subsystém: systém, který je částí (prvkem) jiného systému
Vztah, okolí a hranice systému • vztah (relationship): – spojení mezi prvky nebo jejich množinami
• okolí systému (prostředí – environment): – soubor prvků, které nejsou částmi systému, ale jejichž změna může způsobit změnu stavu systému, a těch prvků, jejichž vlastnosti se mohou měnit chováním systému
• hranice – rozhraní systému (boundary – interface): – množina hraničních prvků systému – rozhraní systému, kudy vstupují prvky z okolí a vystupují výstupy ze systému – rozhraní = vazba mezi systémy
Dynamické pojetí systému (funkce, chování) • • • • •
vstupy výstupy proces (zpracování – transformace, řízení) chování cíl
• dynamický pohled na systém jej chápe jako zpracovatelskou jednotku se vstupy, výstupy, řízením a zpětnou vazbou, vyznačující se cílovým chováním
Chování a cíl systému • chování systému: – způsob realizace cílů a obecná charakteristika reakce systému na podněty z okolí
• cíl: – budoucí stav, uspořádání nebo chování, ke kterému systém směřuje nebo které jsou systému vytyčeny – formulaci cíle ovlivňují neuspokojené potřeby všeho druhu
Základní procesy (operace, funkce) probíhající v rámci systému
vstup (input)
zpracování
výstup (output)
řízení zpětná vazba
Proces • základní dynamická jednotka systému, vymezená svým počátkem a koncem • transformuje vstup na výstup nebo upravuje chování systému
Vstup, výstup, vazba, tok • vstup (input): – to, co vstupuje do systému (externí prvky vstupující do systému)
• výstup (output): – to, co vystupuje ze systému (externí prvky vystupující ze systému) – výsledek procesu nebo konečný stav systému
• vazba (relationship): – vztah mezi prvky systému
• tok (flow): – určuje posloupnost procesů, tj. určuje, že výstup některého procesu je současně vstupem jiného určitého procesu)
Typy procesů 1. základní proces (zpracovatelský proces) – transformuje vstup na výstup
• transformace: – pravidlo (předpis), podle něhož se mění vstupy systému na jeho výstupy – změna stavu nějakého objektu do jiného, zřetelně odlišeného stavu, např. přetvořením, přidáním nebo odstraněním určitých prvků
Typy procesů 2 2. řídící proces – upravuje chování systému
• řízení (management): – vymezování funkce (cíle) systému a působení na systém za účelem dosažení jeho žádoucí funkce, jeho přibližování k vymezenému cíli – zahrnuje sledování, vyhodnocování zpětné vazby, ovládání a regulaci struktury i chování systému
Typy řídících procesů • sledování (monitorování) – spojité či nepřetržité získávání relevantních informací o stavu a chování systému (rozhodnutí, zda systém směřuje k dosažení svého cíle - regulační proces pak vykoná případné úpravy vstupů a zpracovatelských procesů)
• ovládání, regulace (control) – působení na systém, jehož smyslem je udržovat systém nebo jeho výstupy v předem stanovených mezích
• omezení (constraints) – proces diktovaný nějakými vnějšími faktory, které nemůžeme ovlivnit (např. legislativa, velikost území, finanční zdroje)
• cílové chování – množina transformací (jednorázových nebo postupných) stavů vedoucích z libovolného daného přípustného výchozího stavu systému do stavu definovaného jako cílový stav (cíl) – cílevědomé chování • speciální forma cílového chování, typická pro člověka a společenské skupiny, kdy cíl je vědomě určován a systém se ho snaží dosáhnout a udržet
Zpětná vazba • informace o výkonu (výstupu, chování) systému • vazba mezi výstupem a vstupem prvku, subsystému nebo systému, která způsobuje to, že vstup je závislý na výstupu • užití části výstupu ze systému jako vstupu do systému • k zajištění řádného fungování systému je nezbytná nějaká forma řízení (regulace) • podmínkou řízení je fungování zpětné vazby, která poskytuje odpověď na otázku: – Je stav a/nebo chování systému v souladu s jeho stanoveným cílem?
Typy zpětné vazby a) pozitivní zpětná vazba • data ze zpětné vazby usnadňují a urychlují transformaci ve stejném směru jako předchozí výstupy – efekt je kumulativní • exponenciální růst až exploze či exponenciální pokles až zánik b) negativní zpětná vazba • data ze zpětné vazby přinášejí výsledek v opačném směru k předchozím výsledkům - efekt stabilizuje systém • zajištění rovnováhy nebo rovnovážného pohybu, příp. dynamiky v souladu s cíli systému
Systémová analýza a syntéza • analýza – redukcionismus – izolování a zjednodušení systému, takže mohou být analyzovány a zlepšeny jeho různé prvky – z dané struktury určujeme chování (funkci)
• syntéza – popis vztahů – popis vzájemného působení jednotlivých prvků systému – z požadované funkce (chování) odvozujeme strukturu
• analýza a syntéza – myšlenkové nebo faktické rozkládání celku na součásti a opětné spojování částí v celek
Zásady správné analýzy • • • • •
zachycení celého rozsahu analyzovaného celku jasné ohraničení celku i jeho částí vzájemně se vylučující části nepřekrývající se části stejná úroveň granularity („velikosti“ částí)
Literatura • Kučerová, H. Projektování informačních systémů (Sylaby ke kurzu). Praha: VOŠIS, 2007. [on-line] Dostupné na URL: http://web.sks.cz/users/ku/DOKUMENTY/pri_ syl.pdf
