920

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Д.Н. Коротаев, А.А. Конорева

ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ

Курс лекций

Омск

СибАДИ

2013

УДК 303.732.4:519.876.2 ББК 32.816 К 68

Рецензенты:

доктор техн. наук, проф. Е.Е. Витвицкий (СибАДИ)

канд. эконом. наук, доц. В.С. Голавский (ОмГУПС);

Работа одобрена редакционно-издательским советом вуза в качестве курса лекций для студентов.

Коротаев, Д.Н., Конорева, А.А.

Основы системного анализа и моделирования: курс лекций. –

Омск: СибАДИ, 2013. 91 с.

В курсе лекций отражен круг вопросов, содержащихся в Федеральном государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования направления 270800 «Строительство» по дисциплине «Основы системного анализа и математического моделирования». Рассмотрены цели, принципы, методы системного анализа и моделирования, вопросы принятия решений в различных условиях и другие аспекты современного системного анализа. Издание рекомендовано для студентов, обучающихся по направлению 270800 «Строительство», профилей «Информационно-строительный инжиниринг», «Автомобильные дороги», магистерских программ «Управление проектами в строительстве», «Строительство и эксплуатация автомобильных и городских дорог», «Изыскание и проектирование автомобильных дорог», «Основания и фундаменты, подземные сооружения, геотехнологии».

Табл. 4. Ил. 16. Библиогр.: 11. назв.

© ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………….……. 5 1. Основные характеристики систем…………………………………… 6

1.1.История развития системного анализа………………………………... 6

1.2.Определение системы. Основные параметры систем ……………….. 7

1.3.Классификация систем…………………………………………………. 9

1.4.Вопросы к зачету……………………………………………………….. 11

1.5.Список рекомендуемой литературы ………………………………….. 11

2.Кибернетические системы…………………………………….………... 12

2.1. Порядок функционирования управляемой системы ……………….… 12

2.2.Особенности управляемых систем………….…….................................. 13

2.3. Схема управления с обратной связью…………………………….…… 15

2.4.Классы систем по С. Биру……………………………………………... 16

2.5.Вопросы к зачету ………………………………………………..…….... 18

2.6.Список рекомендуемой литературы…………………………………... 18

4.1.Метод «мозговой штурм» (мозговая атака) …………………………. 25

4.2.Метод сценариев. Область применения, общая характеристика, ал-

горитм………………………………………………………….………... 28

4.3.Метод экспертных оценок……………………………………….……... 29

4.4.Ранжирование…………………………………………………………… 31

4.5.Парное и множественное сравнение…………………………………... 34

4.6.Непосредственная оценка……………………………………………… 35

4.7.Измерительные шкалы…………………………………………............. 36

4.8. Метод Черчмена—Акоффа (последовательное сравнение)……….… 40

4.9.Методы типа Дельфи……………………………………………….…... 41

4.10.Методы экономического анализа………………………………….…... 42

4.11.Вопросы к зачету…………………………………………………….…. 45

4.12.Список рекомендуемой литературы……………………………….…... 45 5 Моделирование систем. …………………………………………….….. 46

5.1.Основные типы моделей …………………………………………….…. 46

5.2.Классификация видов моделирования систем……………………..…. 48

5.5.Вопросы к зачету…………………………………………………….….. 61

5.6.Список рекомендуемой литературы ………………………………..…. 61

6.Модели оптимизационного программирования………………………. 63

6.1.Математическое программирование…………………………….…….. 63

3

6.2. Содержание модели линейного программирования……………………. 66 6..3. Вопросы к зачету………………………………………………………….. 71

6.4Список рекомендуемой литературы ……………………...…………….. 71

7.Модель сетевого планирования………………………………………….. 72

7.3.Вопросы к зачету…………………………………………………………. 77

7.4.Список рекомендуемой литературы ………………………………...….. 77

8. Выявление и выбор вариантов решения проблем……………………… 78

8.1.Процесс управления системой…………………………………………… 78

8.2.Проблемы и способы их решения……………………………………….. 79

8.3.Общая классификация проблем………………………………………….. 80

8.4.Основные виды решения подпроблем: решения, зависящие от поста-

новки задачи…………………………………………………………….… 82

8.5. Решения, зависящие от области их использования..…………………… 84

8.6.Формирование решения проблемы в целом…………………………….. 85

8.7.Выявление и формулирование оптимизационной задачи решения проблемы……………………………………………………………….…. 86

8.8.Вопросы к зачету………………………………………………………….. 87

8.9.Список рекомендуемой литературы ………………………………...….. 87

Заключение………………………………………………………………... 88

Библиографический список ………………………………………...................... 89

4

ВВЕДЕНИЕ

Системный анализ – это методология решения сложных проблем большого масштаба. С его помощью проблемы можно рассматривать как единое целое. С практической точки зрения системный анализ – это практика улучшающего вмешательства в проблемные ситуации. Так как такое вмешательство затрагивает интересы людей, в системном анализе огромное значение придается вопросам социологии, психологии, этики.

К анализу дорожных систем необходимо подходить как к сложной системе. Выявляются все взаимосвязи и последствия принятия того или иного решения. Данные взаимосвязи выявляются как по вертикали (по времени), так и по горизонтали (с точки зрения влияния на результаты деятельности других функциональных подразделений предприятия).

Основная процедура системного анализа – построение обоб-

щенной модели, адекватно отображающей интересующие исследователя свойства реальной системы и ее взаимосвязи. Главный принцип системного анализа – разложение сложной задачи на более простые составляющие ее подзадачи.

Системный анализ применяется для решения слабоструктурированных задач и основан на системном подходе [7].

Системный анализ является прикладной наукой, его конечная цель – изменение существующей ситуации в соответствии с поставленными целями. Поэтому окончательное суждение о правильности системного анализа можно сделать на основании результатов его практического применения. Разрабатываются специальные методы разрешения этих вопросов в ходе практической реализации рекомендаций, полученных в системном исследовании.

5

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ

1.1. История развития системного анализа

Началом развития системного анализа как науки считают конец 40-х – начало 50-х годов ХХ века. В это время была опубликована работа Норберта Винера, посвященная кибернетике (науке об управлении). В последнее время термины «Система и системный подход» стали употребляться все чаще. Они применяются как в естественных

игуманитарных науках, так и при анализе хозяйственной деятельности организаций в разных отраслях промышленности.

Все народное хозяйство страны, отдельные отрасли и предприятия, научные программы, космические проекты и т.д. можно и необходимо рассматривать как большие системы, применяя современные научные методы и средства.

Научно-техническая революция привела к возникновению таких понятий, как большие и сложные системы, обладающие специфическими для них проблемами.

Необходимость решения этих проблем вызвала к жизни множество методов, которые постепенно накапливались, развивались и затем систематизировались в таких науках как «методы проектирования», «методы инженерного творчества», «системотехника», «методология эксперимента» и др.

Вначале 80-х годов ХХ в. стало очевидно, что все эти дисциплины образуют единый поток «системное движение», т. к. большие и сложные системы стали предметом изучения, потребовалось обобщение методов исследования систем и методов воздействия на них. Должна была возникнуть особая прикладная наука.

Весь мир, все, что мы видим вокруг, состоит из взаимосвязанных

ивзаимодействующих систем. Например: системы гор, рек, солнечная система, тело человека, система транспорта и связи.

Особое значение понятий «система» и «системный подход» для руководителей различного уровня определяется ростом сложности управления организацией, который вызван целым комплексом причин. Среди них надо, в первую очередь, назвать технический прогресс, приводящий к тому, что на предприятии производятся и ис-

6

пользуются все более сложные устройства и механизмы, состоящие нередко из десятков, а то и сотен тысяч деталей.

Кроме того, растут размеры предприятий и организаций, развивается их специализация, кооперация. В результате этого для одного предприятия увеличивается количество поставщиков сырья и потребителей его продукции, номенклатура деталей и т.д., резко возрастают трудности надежного учета и оперативного управления производственным процессом. Все большую роль начинают играть перспективное планирование и прогнозирование, являющиеся весьма сложными из-за неопределенности многих исходных данных и случайного характера внешних и внутренних (по отношению к системе) возмущений.

В этих условиях эффективное руководство большой организацией представляет весьма существенные трудности, которые с течением времени все больше возрастают.

Управление, основывающееся только на опыте и интуиции руководителя, становится все чаще неэффективным. Для решения некоторых проблем руководства имеются хорошо разработанные методы. Они содержатся в таких дисциплинах, как системотехника, теория вероятностей, линейное и динамическое программирование с использованием вычислительной техники, инженерная психология, кибернетика и т.д. Одно лишь это перечисление научных дисциплин, которые могут быть полезны руководителю в его практической деятельности, приводит к вопросу: как весь этот разнородный материал связать воедино? С помощью системного подхода. Его использование позволяет принять во внимание множество факторов самого различного характера, выделить из них те, которые оказывают на объект наибольшее влияние с точки зрения имеющихся общественных целей и критериев, и найти пути и методы эффективного воздействия на них.

1.2. Определение системы. Основные параметры систем

Системный подход основывается на принципах:

1)единства – совместное рассмотрение системы как единого целого и как совокупности частей;

2)развития – учет изменяемости системы, ее способности к развитию, накапливанию информации с учетом изменения среды;

3)глобальной цели – ответственность за выбор глобальной цели, оптимальность подсистем не является оптимальностью всей системы;

7

4)функциональности – совместное рассмотрение структуры системы и функций с приоритетом функций над структурой;

5)сочетания децентрализации и централизации;

6)иерархии – учет соподчинения и ранжирования частей;

7)неопределенности – учет вероятностного наступления собы-

тия;

8)организованности – степень выполнения решений и выводов.

Вобщем случае под системой понимается множество объектов с набором связей между ними и между их свойствами. Система – это интегрированное состояние из взаимосвязанных частей, подчиненных общей цели [9]. Системами являются машина, собранная из деталей и узлов, живой организм, образуемый совокупностью клеток, предприятие, объединяющее и связывающее в единое целое множество производственных процессов, коллективов людей, различные виды ресурсов, готовую продукцию и прочее. При этом объекты (части) функционируют во времени как единое целое – каждый объект, подсистема, ячейка работают для достижения единой цели, стоящей перед системой в целом.

Система – это множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность и единство.

Особенность системного подхода состоит в том, что в допустимых границах система исследуется как единый организм, с учетом внутренних связей между отдельными элементами и внешних связей

сдругими системами и объектами.

Система характеризуется следующими параметрами (рис. 1.1):

1)объектами;

2)свойствами;

3)связями.

Объекты – части или компоненты системы.

Большинство частей (компонентов) состоит из физических элементов: атомов, звезд, масс, пружин и т.д.

Принимаются за объекты и математические переменные, правила, законы, технологические процессы, производственные подразделения, станки и т.д.

Свойства – качественное и количественное проявление объекта. Свойства дают возможность описывать объекты системы количественно, выражая их в единицах, имеющих определенную размер-

8

ность. Свойства объектов могут изменяться в результате действия системы.

Параметры системы

Рис. 1.1. Основные параметры систем

Связи – это то, что соединяет объекты и свойства в единое целое. Предполагается, что связи существуют между всеми системными элементами, между системами и подсистемами. Связь проявляется внутри системы.

Связями первого порядка называются связи, функционально необходимые друг другу. Дополнительные связи называются связями второго порядка. Если они присутствуют, то в значительной степени улучшают действия системы, но не являются функционально необходимыми. Излишние или противоречивые связи называются связями третьего порядка.

Исследователь, решающий проблему, сам принимает решение - какие связи существенны, а какие тривиальны, в зависимости от интересов исследователя и задач, которые стоят перед ним.

Пример: автомобильная дорога (полотно, мостовые переходы, искусственные сооружения и т.д.).

1.3. Классификация систем

Классификация – это различие систем, которое делит множество объектов на классы (рис. 1.2).

9