Русак Татьяна Вячеславовна

Системный анализ и проектирование информационных систем (с модулем разработки веб-приложений)

Автомат: присутствие на лекциях и присутствие конспекта, лабы

Лекция №1 (10.02.2021)

Понятие системного анализа

Системный анализ – это научно-методологическая дисциплина, которая изучает принципы, методы и средства исследования сложных объектов посредством представления их в качестве систем и анализа этих систем

В системном анализе любой объект рассматривается с учетом его системного характера, то есть не как единое целое, а как комплекс взаимосвязанных составных элементов, их свойства, процессов

Системный анализ применяется, главным образом, к исследованию искусственных систем (социальных, экономических, организационных, технических, человеко-машинных и тому подобных), причем в таких системах важная роль принадлежит деятельности человека

Наиболее широкое распространение системный анализ получил в теории и практике управления – при выработке, принятии и обосновании решений, связанных с проектированием, созданием и управлением сложными, многоуровневыми и многокомпонентными искусственными системами

Системный анализ опирается на комплекс общенаучных, специально-научных, экспериментальных, статистических, математических методов

Его теоретическую и методологическую основу составляют системный подход и общая теория систем, а также методы и исследований с привлечением математической логики, математической статистики, теории алгоритмов, теории игр, теории ситуации, теории информации, комбинаторики, эвристического программирования, имитационного моделирования и ряда других

Системный анализ как дисциплина сформировался в результате необходимости исследовать и проектировать большие (крупномасштабные) и сложные системы, управлять ими в:

• Условиях неполноты информации

• Ограниченности ресурсов

• Дефицита времени

Большие системы – это пространственно-распределенные системы высокой степени сложности, в которых подсистемы (их составные части) также относятся к категориям сложных

Дополнительными признаками, характеризующими большую систему, являются:

• Большие размеры

• Сложная иерархическая структура

• Циркуляция в системе больших информационных, энергетических и материальных потоков

• Высокий уровень неопределенности в описании системы

Термин «сложная система» характеризует структурно и функционально сложные многокомпонентные системы с большим числом взаимосвязанных и взаимодействующих элементов различного типа и с многочисленными и разнородными связами между ними

К сложной можно отнести систему, обладающую по крайней мере одним из следующих признаков:

• Система в целом обладает свойствами, которыми не обладает ни один из составляющих ее элементов

• Систему можно разделить на подсистемы и изучать каждую из них отдельно

• Система функционирует в условиях существенной неопределенности и воздействия среды на нее, что обуславливает случайный характер изменения ее показателей

• Система осуществляет целенаправленный выбор своего поведения

Проблема управления сложными системами и составляет основное содержание задач системного анализа

Для того, чтобы успешно справиться с этой проблемой, необходимо изучить объект управления – то есть саму систему, а также определить цель управления – выяснить необходимое (целесообразное) состояние системы, то есть состояние, к которому она должна стремиться

Методы и процедуры системного анализа направлены на:

• Выявление целей

• Выдвижение альтернативных вариантов решения проблем

• Выявление масштабов неопределённости по каждому из вариантов

• Сопоставление вариантов по тем или иным критериям эффективности

• А также связанных организационных задач

Основные задачи системного анализа:

• Разрешение проблемной ситуации, возникшей перед объектом проводимого системного исследования

• Изучения проблем принятия решения

• Исследование процессов целеобразования

• Решение задач организации систем

• Конструирование имитационных систем любой сложности

• Задачи исследования взаимодействий анализируемых объектов с внешней средой

Лекция №2 (15.02.2021)

Главной задачей системного анализа является разрешение проблемной ситуации, возникшей перед объектом проводимого системного исследования

Системный анализ занимается:

• Изучением проблемной ситуации

• Выяснением ее причин

• Выработкой вариантов ее устранения

• Принятием решения и организацией дальнейшего функционирования системы, разрешающего проблемную ситуацию

Начальным этапом любого системного исследования является изучение объекта проводимого системного анализа с последующей его формализацией

На этом этапе возникают задачи, в корне отличающие методологию системных исследований от методологии других дисциплин, а именно, в системном анализе решается двуединая задача

С любой стороны, необходимо формализовать объект системного исследования, с другой стороны, формализация подлежит процесс исследования системы, процесс постановки и решения проблемы

Следующей важной задачей системного анализа является проблема принятия решения

Применительно к задачам исследования, проектирования и управления сложными системами, включающими в себя большое количество элементов и подсистем, проблема принятия решения связана с выбором определенной альтернативы развития системы в условиях различного рода неопределенности

Неопределенность может быть обусловлена наличием множества факторов, не поддающихся точной оценке:

• Воздействием на систему неизвестных факторов

• Многокритериальностью задач оптимизации

• Недостаточной определенностью целей развития систем

• Неоднозначностью сценариев развития системы

• Недостаточностью априорной информации о системе

• Воздействием случайных факторов в ходе динамического системы и прочими условиями

Еще один распространенный вид неопределенности представляет собой неопределенность, связанную с последующим влиянием результатов принятого решения на проблемную ситуацию

Поведению сложных систем свойственна неоднозначность, то есть после принятия решения возможны различные варианты поведения системы. Оценка этих вариантов, вероятности их возникновения является также одной из основных задач системного анализа

Как правило, в условиях указанных неопределенностей выбор альтернативы требует анализа сложной и многосторонней информации

В этом смысле целью применения системного анализа является повышение степени обоснованности принимаемого решения, расширения множества вариантов, среди которых производится обоснованный выбор

Для этого в системном анализе разрабатываются модели принятия решений, методы выбора решений и обоснования критериев, характеризующих качество принимаемых решений

На этапе выработки и принятия решений необходимо учитывать взаимодействие системы с ее подсистемами, сочетать цели системы с целями подсистем, выделять глобальные и второстепенные цели

Другой важной задачей системного анализа является исследование процессов целеобразования, их изучение и разработка средств работы с целями – формулирование, структуризация или декомпозиция целевых структур, программ и планов, а также связей между ними

Зачастую определение цели оказывается более трудной задачей, чем последующий выбор лучшего решения

В этом смысле системный анализ иногда определяют как методологию исследования целенаправленных систем

Формулирование цели при решении задач системного анализа является одной из ключевых процедур, потому что цель является объектом, определяющим постановку задачи системных исследований

Важное место в системном анализе занимают и задачи организации, в том числе:

• Проблемы управления в иерархических системах

• Выбор оптимальной структуры

• Оптимальных режимов функционирования

• Оптимальной организации взаимодействия между подсистемами и элементами

• Другие организационные задачи

Выявление и решение подобных проблем, может быть, успешно решено при совместной работе системных аналитиков и специалистов в соответствующей отрасли исследования

Задачей системного анализа является конструирование имитационных систем любой сложности

В системном анализе используется современный математический аппарат и вычислительные системы, однако для описания сложных систем, в том числе прогнозирования их поведения, оказывается невозможным опираться только на строгие математические методы

Поэтому в системном анализе широко используются неформальные процедуры. При этом одной из центральных методологических проблем системного анализа, возникающей при изучении сложных систем, является объединение формальных и неформальных методов анализа и синтеза

Основным инструментом, обеспечивающим это объединение, являются имитационные модели, созданные при помощи методов компьютерного моделирования

Отдельную группу задач системного анализа составляют задачи исследования комплекса взаимодействий анализируемых объектов с внешней средой

Решение подобных задач предполагает:

• Проведение границы между исследуемой системой и внешней средой

• Предопределяющей предельную глубину влияния рассматриваемых взаимодействий

• Которыми ограничивается рассмотрение

• Определение реальных ресурсов такого взаимодействия

• Рассмотрение взаимодействий исследуемой системы с системой более высокого уровня

Лекция №3 (17.02.2021)

Тема №1 «Системность как общее свойство материи»

Вопросы:

1. Системность в практической деятельности человека

2. Системность познавательных процессов

3. Системность окружающего мира

1 вопрос:

Начнем с рассмотрения практической деятельности человека, т.е. с его активного и целенаправленного воздействия на окружающую среду. Первая задача – показать, что человеческая практика системна

Всякое наше осознанное действие преследует цель. Во всяком действии легко увидеть его составные части или более мелкие действия. При этом легко убедиться, что эти составные части должны выполняться не в произвольном порядке, а в определенной последовательности

Это и есть та самая определенная, подчиненная цели взаимосвязанность составных частей, которая и является признаком системности

Другое название для такого построения деятельности – алгоритмичность

Понятие «алгоритм» возникло в математике и означало заданную последовательность операций над математическими объектами, приводящую к искомому результату

Со временем стали говорить об алгоритмах принятия управленческих решений, алгоритмах обучения, алгоритмах игры в шахматы, а в последние годы работают над алгоритмами изобретательства и музыкальной композиции

В управленческой работе существуют пока не поддающиеся алгоритмизации моменты. Поэтому содержащие их алгоритмы управления обозначают менее категоричным понятием – методики

Методики, как правило, существуют в форме рекомендательных текстов, в которых содержится общая идеология того, что необходимо сделать, но не всегда четко обозначена последовательность действий и их внутреннее содержание. Это означает, что в отличие от алгоритмов методики допускают больше творчества

Из вышесказанного следует три вывода:

1. Всякая деятельность алгоритмична

2. Не всегда алгоритм реальной деятельности существует в явном виде

3. В случае неудовлетворенности результатом причину неудачи следует искать в несовершенстве алгоритма

Последнее требует исследования, развития и совершенствования алгоритма, выявления и устранения его слабых мест и, следовательно, повышения системности

Роль системных представлений в человеческой деятельности постоянно увеличивается, повышая ее системность

Проиллюстрируем это на примере повышения производительности труда

В своем развитии человечество преодолело три масштабных организационно-технологических рубежа системности практической деятельности, определивших скачкообразный рост производительности труда (механизацию, автоматизацию, кибернетизацию) и в настоящее время успешно берет приступом последний рубеж – «интеллектуализацию труда»

Следует заметить, что каждый очередной организационно-технологический этап системности человеческой деятельности не отрицает предыдущего, а наоборот – «поглощает» его, сохраняя все лучшее, и развивается дальше вместе с ним

Системность человеческой деятельности

Механизация

Простейший и исторически первый способ повышения производительности труда

Человек вооружается механизмами – от простейших орудий и приспособлений, приводимых в действие мускульной силой, до сложнейших машин со встроенными в них двигателями – существенно (в несколько раз) увеличивает производительность своего труда

Однако механизация имеет естественный предел: работой механизмов управляет человек, а его возможности ограничены физиологически

Автоматизация

Решение ключевой проблемы механизации пошло по пути исключения участия человека из конкретного производственного процесса и возложения на машины не только выполнения самой работы, но и операций по ее регулированию

Технические устройства, объединяющие эти две функции, назвали автоматами, и следовательно, второй способ повышения производительности труда, или второй этап повышения системности общественного производства, получил название автоматизации

Автоматизация является мощным средством повышения производительности труда, и по мере совершенствования наших знаний о тех или иных производственных процессах эти процессы подвергаются все большей автоматизации

Однако у автоматизации, в свою очередь, существует естественный предел: в реальной жизни часто приходится сталкиваться с непредвиденными условиями и невозможностью полной алгоритмизации, а следовательно, и автоматизации многих практических действий

Кибернетизация

Повышение эффективности взаимодействия со сложными системами является объективной (и субъективной) необходимостью, и человечество вырабатывает способы решения возникающих при этом проблем

Совокупность таких способов представляет собой содержание третьего этапа системности практической деятельности человека

Поскольку кибернетика первой взялась за научное решение проблем управления сложными системами, этот этап назвали кибернетизацией

Кибернетика изучает системы с так называемой отрицательной обратной связью

В такого рода системах планируется (программируется) требуемый уровень развития системы, т.е. задается ее будущее желаемое состояние

Впоследствии, когда это состояние будет достигнуто, оно интерпретируется как результат целенаправленного воздействия на систему или управления с учетом влияния внешней среды (возмущений)

Контур управления, реализующий базовый принцип кибернетики

Для реализации базового принципа кибернетики находится закон изменения состояния системы во времени

Поскольку задача системы формируется как обеспечение приближения действительного состояния системы к требуемому (плановому), то путем определения разности между требуемым и действительными состояниями определяется изменение состояния системы

Далее вырабатывается необходимое управляющее воздействие , цель которого – свести к минимуму рассогласования между требуемым и текущим состояниями системы и обеспечить тем самым желаемую траекторию ее развития

В зависимости от входного сигнала в теории управления различают:

• Системы программного регулирования (рассматриваемы случай)

• Системы стабилизации (когда )

• Системы слежения (когда входной сигнал априорно неизвестен)

Эта детализация никак не сказывается на реализации базового принципа кибернетики, но вносит специфику в архитектурное построение системы

В рассмотренном случае требуется предварительный расчет траектории системы в пространстве состояний, который лимитируется двумя требованиями:

• Траектория должна проходить через цель

• Траектория должна быть оптимальной

В формализованных динамических системах к отысканию подобной траектории привлекается аппарат вариационного исчисления или динамического программирования

В том случае, если форма траектории (кривая развития) известна, задача сводится к поиску неизвестных параметров системы, а к ее решению привлекаются методы математического программирования

Для решения плохо формализуемых проблем остается уповать на эвристические решения, основанные на футурологических прогнозах, или на результаты имитационного моделирования

Если формальная алгоритмизация невозможна, определение траектории системы и выработка управляющих воздействий на ее развитие опираются на интеллект

Далее вполне логично возникает вопрос: нельзя ли смоделировать интеллектуальные возможности человека – хотя бы в той части, которая необходима для выполнения конкретных, пусть частных, интеллектуальных операций?

Здесь у науки два пути: понять алгоритмы интеллектуальной деятельности (т.е. изучить естественный интеллект), либо «изобрести» алгоритм с интеллектуальными свойствами (т.е. обратиться к искусственному интеллекту)

Упомянутое здесь понятие «отрицательная обратная связь», с которым имеет дело кибернетика, представляет собой лишь частный случай более общего системного принципа – принципа обратной связи

Системное мышление развивается не линейно, по прямой, а циклично, образуя пели и контуры в соответствии с принципом обратной связи

Это означает, что система возвращает часть выхода, или информацию о промежуточных и конечных результатах, на свой вход, чтобы оказать влияние на последующее развитие

Лекция №4 (24.02.2021)

Наряду с отрицательной обратной связью, которую в системном анализе называют уравновешивающей, системный принцип обратной связи включает еще усиливающую (положительную) связь и упреждающую (предвосходящую) обратную связь

Если изменение выхода системы, возвращаясь на ее вход, усиливает первоначальное изменение в том же направлении, мы имеем дело с усиливающей обратной связью

Если же изменение состояния системы служит сигналом для противодействия первоначальному изменению и последующему восстановлению потраченного равновесия, то возникает уравновешивающая обратная связь

Если предвидение будущего влияет на настоящее таким образом, что оборачивается самосбывающимся пророчеством, – на лицо упреждающая обратная связь

2 Вопрос:

Окружающий нас мир бесконечен в пространстве и во времени. Также неограниченны возможности расширения и углубления наших знаний о любом объекте этого мира, сколько бы он ни был велик или мал

Человек существует конечное время и располагает конечными материальными, энергетическими и информационными ресурсами. Тем не менее человеку удается познавать мир и, как показывает практика, познавать верно

Противоречия между неограниченными желаниями человека познавать мир и ограниченными возможностями делать это, между бесконечностью природы и конечностью ресурсов, находящихся в расположении человечества, имеют следствием появления аналитического и синтетического образов мышления, позволяющих, в свою очередь, поэтапно разрешать эти противоречия

Суть анализа состоит в разделении целого на части, или представлении сложного совокупностью более простых компонент

С помощью анализа мы получаем знание, однако теряем возможность понять свойства системы, чтобы познать целое и сложное, необходим и обратный процесс – синтез

С помощью синтеза мы обретаем понимание. Чтобы выяснить, как система функционирует и каковы ее свойства, существует только один путь: наблюдать ее в действии

И это относится как к естественным, так и к искусственным системам, как и к индивидуальному мышлению, так и к общему развитию человеческого знания

Аналитичность человеческого знания находит отражение в существовании различных наук и научных направлений, а также и в продолжающейся дифференциации последних в целях более глубокого изучения узких вопросов

В то же время в результате синтеза знаний из различных научных дисциплин возникают пограничные науки типа биохимии, биофизики или финансовой аналитики

Другая, более высокая форма синтеза знаний реализуется в развитии наук о самых общих свойствах природы – философии и теории систем

Таким образом, расчлененность мышления на анализ и синтез и взаимосвязанность этих способов мышления являются очевидными признаками системности познания

Эволюция взглядов на системность мышления и осознание диалектического единства анализа и синтеза прошло не сразу

В разные исторические эпохи системность имела различный характер

3 Вопрос:

Системность нашей деятельности и мышления вытекает из системности мира. Мир представляет собой иерархическую систему систем, которые постоянно развиваются и взаимодействуют между собой

Системность природы не только логически выводится на основе философских рассуждений и теоретических построений, но и реально проявляется в процессах и явлениях, протекающих как с участием человека, так и без него

Любую экономическую систему (от мировой экономики до отдельного предприятия) можно рассматривать как образование, состоящее из тех подсистем или, как принято еще называть, систем второго прядка – производственной, финансовой и обеспечивающей

Система производства является первичной, или базовой, а финансовая и обеспечивающая системы, возникающие для удобства функционирования производственной системы – вторичными

Они должны обеспечить гибкость и оперативность производственной системы и являются ее надстройкой

Система «предприятие»

С точки зрения системного аналитика такое взаиморасположение указанных систем можно проинтерпретировать как проекцию, или отображение, производственной и обеспечивающей систем в пространство финансов

Чем достовернее это отображение, тем большей эффективности можно ожидать от функционирования всех трех систем

Однако, несмотря на то что финансовая система является вторичной и интерпретируется как отображение производственной и обеспечивающей систем, она активно воздействует на динамику производственных и обеспечивающих процессов

Таким образом, управление производственной системой реализуется через финансовую систему

Последняя получает обобщенную информацию о состоянии производства в виде сигналов о затратах сырья, комплектующих, энергии, труда и других ресурсов, а также об ассортименте, объемах и качестве производимой продукции и на этой основе формирует управленческие решения в форме необходимых воздействий: от изменения заработной платы до финансирования разработки новой продукции

Приведенное описание небольшого фрагмента реального мира подтверждает его системность и иерархичность

Если учесть, что рассмотренные здесь системы входят как составные части в системы более высоких уровней – региональные системы транспорта, связи и энергетики, экономическую систему страны, мировую экономическую систему, то сомнений относительно системности всего материального мира оставаться не должно

Следовательно, системность является всеобщим свойством материи

Лекция №5 (01.03.2021)

Тема «Жизненный цикл системы»

Вопросы:

1. Рождение системы

2. Развитие системы

3. Гибель системы

1 вопрос:

В основе зарождения любой системы лежит хаус

В современной терминологии исходный хаос определяется как неорганизованная среда, в которую при зарождении системы привносятся (или возникают стихийно) элементы порядка и организации

Последующее развитие нового образования приводит к специализации отдельных элементов, появлению протосистемы, из которой уже вырастает система

Характерная особенность неорганизованной среды, или хаоса, заключается:

• В ее однородности (гомогенности)

• Аморфности

• Устойчивости

• Почти нулевой информативности (информационные оценки состояния неорганизованной среды соответствуют максимуму энтропии)

Это проявляется в слабой чувствительности среды к действию возмущений. Энергетические, информационные и продукционные внешние воздействия быстро затухают, не давая ощутимого эффекта

Состояние близкое к хаосу наблюдается в экономиках переходного периода. Явным признаком такого состояния является невосприимчивость экономики к воздействиям национальных органов управления

Как показал опыт России в 90-х годах прошлого века, требуются значительные ресурсы и немало времени, чтобы вывести экономику из хаотического состояния и направить ее в организованное русло

Для этого потребовалось реформировать почти все жизненно важные системы государства (законодательство, исполнительную власть, добывающие отрасли, транспорт, энергетику, образование, финансы и т.д.).

Многие из них находятся на стадии реформирования до сих пор

В большинстве случаев реформирование государственных систем проводилось под патронами международных организаций и с привлечением их финансовых ресурсов

Попытку комплексного преобразования среды можно усмотреть и в проекте Байкало-Амурской магистрали

Предполагалось, что мощный системообразующий фактор (железная дорога) изменит состояние огромной территории, богатой природными ресурсами

В этом примере кроется другой путь придания организованности первоначальному хаосу. В отличии от силового воздействия на всю среду (болото или электорат) в рамках этого пути предполагается нарушить состояние равновесия в локальных участках среды, где ввести порядок и организованность, что приведет к уменьшению энтропии

Процессы в этих локальных участках станут сильнее коррелировать с начальными условиями, а значит, возникнут предпосылки к прогнозированию событий и будущего состояния этих участков

Динамические процессы информационной стабилизации сопровождаются уменьшением числа степеней свободы локализуемых участков (хаос характеризуется бесконечным числом степеней свободы), а следовательно, структурированием и организацией неорганизованной среды

Таким образом, равновесное состояние всей неорганизованной среды нарушается возникновением в ней некоторых упорядоченных элементов. Эти элементы также обладают устойчивостью, т.е. сохраняют равновесие, но уже локально

Такая устойчивость элементов возникла вследствие установившегося внутри них порядка

После образования устойчивых структурных элементов начинаются их развитие и рост, что, в свою очередь, приводит к появлению у них новых функциональных качеств

У части элементов этот процесс будет сопровождаться потерей структурной устойчивости и саморазрушением. У другой части можно наблюдать увеличение жизнеспособности и структурное укрепление

Это означает, что эта (другая) часть элементов зарождающейся системы соответствует условиям существования

На этапе формирования системы, когда еще не окрепли ее внутрисистемные связи, не установились обменные процессы, система наиболее подвержена деформациям. Даже небольшие изменения в свойствах элементов или переадресация сигналов могут существенно сказаться на всем облике системы

В силу случайности характера развития элементы системы приобретают специфические особенности по переработке вещества, энергии, информации и знаний. Это означает, что стихийная специализация ее элементов и растет их разнообразие

Накопление новых свойств связывают с бифуркациями

Бифуркация характеризуется возникновением качественного отличного поведения элемента системы при количественном изменении его параметров

Предполагается, что в момент бифуркации абсолютно исключается возможность прогнозирования новообретаемых свойств

Поэтому элемент системы перерождается в чисто случайном направлении, придавая тем самым новое качество своей системе или приводя к возникновению новой системы

Затем начинается детерминированный этап развития, когда новое образование растет и эволюционирует. При этом закрепляются приобретенные качества и готовится новая бифуркация

Фаза бифуркации является очень ответственной для развития системы

Изучению бифуркационных процессов посвящена теории катастроф

В повседневной жизни бифуркацию можно сравнить с состоянием кризиса, когда достаточно малейшего толчка, чтобы круто изменить ход дальнейших событий.

Такие кризисы переживает человек во время тяжелой болезни. Финансовые кризисы также являются следствием бифуркации

Однако бифуркацию нельзя связать только с кризисом в его негативной трактовке. Бифуркация – это перерождение системы и, конечно, она может привести к появлению новых позитивных качеств