Основы теории систем (Курс лекций УлГТУ)

УДК 681.51: 69(076) ББК 32.817+38я73

О-75

Рецензент

доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство» строительного факультета Ульяновского государственного технического университета С. А. Пьянков

Рекомендовано научно-методической комиссией строительного факультета в качестве курса лекций

Основы теории систем : курс лекций для студентов направления О-75 08.03.01 «Строительство» / сост. А. А. Битюрин. – Ульяновск :

УлГТУ, 2023. – 81 с.

Составлен в соответствии с учебными программами по дисциплине «Основы теории систем» для направления 08.03.01 «Строительство» профилей «Промышленное и гражданское строительство», «Теплогазоснабжение и вентиляция», «Управление жилищно-коммунальным хозяйством» и «Дизайн архитектурной среды».

Предназначен для изучения и закрепления лекционного курса дисциплины, подготовки к сдаче зачета или экзамена и может быть использован на других направлениях обучения, на которых данная дисциплина изучается.

Работа подготовлена на кафедре «Промышленное и гражданское строительство» УлГТУ.

УДК 681.51: 69(076) ББК 32.817+38я73

© Битюрин А. А., составление, 2023 © Оформление. УлГТУ, 2023

3

ВВЕДЕНИЕ

«Теория систем» представляет собой научную дисциплину, которая изучает различные явления, отвлекаясь от их конкретной природы, и основывается лишь на формальных взаимосвязях между различными составляющими их факторов и на характере их изменений под влиянием внешних условий. При этом результаты всех наблюдений объясняются лишь взаимодействием их компонент, например, характером их организации и функционирования, а не с помощью непосредственного обращения к природе вовлеченных в явления механизмов (будь они физическими, биологическими, социологическими или чисто концептуальными). Для «Теории систем» объектом исследования является не «физическая реальность», а так называемая «система», т.е. формальная

взаимосвязь между наблюдаемыми признаками и свойствами. В силу ряда принципиальных соображений язык, используемый для описания поведения систем – это язык теории обработки информации и теории целенаправленного действия (принятия решений, управления).

Общая теория систем интересуется самыми фундаментальными понятиями и аспектами системы. Многие теории, посвященные системам более конкретного типа (например, динамическим системам, автоматам, системам управления, теоретико-игровыми «системами», и т. п.), развиваются уже длительный период. Общая же теория систем занимается основными вопросами, общими для всех этих более специальных дисциплин. Кроме того, для действительно сложных явлений, к которым относятся большинство явлений, изучаемых в социологии и биологии, специфический язык, используемый классическими теориями, не позволяет адекватным и надлежащим образом описать происходящее в реальности. И либо из-за подобного несоответствия между характером событий и имеющимися возможностями описания, либо просто из-за недостатка сведений многие действительно сложные проблемы можно сформулировать лишь в самых общих терминах, имеющих качественный, и весьма часто и просто лингвистический характер.

При этом предполагается, что и для той, и для другой цели может служить одна и та же теория. Более того, чтобы она смогла справляться со всем этим, она должна быть заведомо простой, элегантной, общей и строгой, исключающей всякую возможность разночтения.

Чтобы получить на обозначенные вопросы более общие ответы, достаточные для уровня инженерно-технического специалиста, был разработан курс «Основы теории систем», основные теоретические аспекты которого изложены в данном издании. Лекционный курс рассчитан на 16 академических часов, поэтому лекции с первой по восьмую являются обязательными. Лекции с девятой по двенадцатую служат в качестве дополнительного материала.

4

ЛЕКЦИЯ 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ «СИСТЕМЫ», ИСТОРИЯ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ В МИРЕ. ПОНЯТИЕ МАТЕРИАЛЬНОСТИ И НЕМАТЕРИАЛЬНОСТИ СИСТЕМЫ

Прежде чем начать наш лекционный курс, необходимо ввести понятие системы, от которого мы будем отталкиваться в дальнейшем при изучении всей дисциплины. Так что же такое «система» в наиболее общем смысле? В специализированной литературе существует много разных определений. Вот одно из них [1, 6]: Система – это совокупность

элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих некоторое целостное единство. В справочной литературе встречаются различные трактовки понятия «система». Например, система

– это порядок, обусловленный правильным расположением частей в

определенной связи, строгой последовательностью действий [2].

А теперь попробуем разобраться более детально, что подразумевается под «элементами», о каких именно элементах идет речь и какое единство может их объединять?

Сначала обратимся к истории. Считается, что понятие «система» возникло еще в древнем мире, когда Аристотель обратил внимание на то, что целое (т. е. система) не сводимо к сумме частей, из которых оно состоит. Потребность в использовании этого термина возникает в тех случаях, когда невозможно что-то продемонстрировать, изобразить, представить математическим выражением и необходимо отметить, что это будет большим, сложным, не сразу понятным, но при этом целым, единым. Примерами могут служить Солнечная система, система управления станком, управление предприятием, государством и прочее.

Развитие научного знания и его приложений к практической деятельности в XVIII–XIX веках привело к возрастающей дифференциации научных и прикладных направлений. Возникло много специальных дисциплин. Эти дисциплины для исследования конкретных прикладных проблем используют сходные формальные методы, но настолько изменяют их с учетом конкретных приложений, что специалисты, работающие в различных прикладных областях, перестают понимать друг друга.

Французский математик Жак Адамар, исследуя процесс изобретательства, обнаружил, что для повышения эффективности процесса творчества необходимы обе формы мышления и переключения с одной формы на другую [2]. После осознания необходимости соединения

5

гуманитарного и формального мышления между философией и математикой появился набор дисциплин, в которые входят средства гуманитарного познания, позволяющие представить строение познаваемого объекта, и формальных методов, в которых содержатся уже известные законы содержания и функционирования объектов и помогающих таким образом в развитии познания в ограниченные сроки.

В XX веке существенно возросло число комплексных проектов и проблем, требующих для их реализации или решения участия специалистов из различных областей знаний. Появилась необходимость в специалистах «широкого профиля», обладающих знаниями и навыками не только в своей сфере деятельности, но и в идентичных областях, и умеющих эти знания обобщать, использовать и применять аналогии, строить комплексные модели. Понятие системы, ранее использовавшееся в обыденном смысле, превратилось в специальную общенаучную дисциплину, стали появляться обобщающие научные направления, которые ранее иногда возникали параллельно на разных практических или теоретических основах и имели различные наименования.

Для создания единых общих терминов, единого языка общения представителей различных наук в начале прошлого века был проведен семинар ученых множества специальностей. Наука об общих принципах управления в живых организмах и машинах получила название «кибернетика». А имеющееся словосочетание «кибернетический подход» может рассматриваться как первая общая точка зрения естествознания, обобщающая гуманитарные и формальные знания. Для объединения дисциплин, использующихся в исследовании и проектировании сложных объектов принципиально разной природы, появилась теория систем и

системный подход.

Родоначальником теории систем считают биолога Л. Фон Берталанфи [2], который в начале прошлого века ввел понятие открытой системы и сформулировал основные идеи и закономерности общего направления, получившего название теории систем. Еще ранее важный вклад в создание системных представлений внес наш соотечественник А. А. Богданов, однако, в силу ряда обстоятельств, созданное им научное направление – тектология, не нашла практического применения.

Параллельно развивались направления, смежные с теорией систем:

исследование операций, имитационное моделирование, ситуационное

моделирование, синергетика, информационный подход.

Для обобщения и интеграции дисциплин, касаемых исследования и проектирования сложных систем, применяется термин «системные исследования», а в некоторых случаях используется термин «системный

6

подход», который широко применялся в первые годы развития теории систем в двух аспектах – в смысле методологического направления философии и в практическом аспекте, как синоним термина «комплексный подход». Таким образом, между философией и математикой развивается множество научных направлений с различной степенью сочетания гуманитарного и формального знаний. Междисциплинарные научные направления, возникшие между философией и узко специальными, научными направлениями, сформировали вполне определенную структуру.

В 80-х гг. ХХ в. появилась синергетика – новое научное направление, изучающее общие закономерности в процессах образования, устойчивости и самоликвидации структурированных, временных и пространственных строений, в сложных неравновесных системах самой различной физической природы (химических, биологических, физических, социальных).

Синергетика развивается как самостоятельная научная дисциплина, но в последнее время наметились явные признаки сближения теории систем и синергетики. Например, синергетические исследования применяются в теории систем для объяснения закономерности самоорганизации. Максимально конструктивным из всех направлений системных исследований на сегодняшний день считается системный анализ. Наиболее ярко выражена необходимость системного анализа стала

в70-е годы ХХ в., когда развитие научно-технического прогресса, усложнение технологии производства и увеличение перечня ассортимента и номенклатуры выпускаемой продукции, усложнение взаимоотношений человека и природы привели к необходимости создания системы управления самим научно-техническим прогрессом.

Наиболее конструктивным из направлений системных исследований

внастоящее время считается системный анализ, который впервые появился в результате необходимости решения целого ряда задач военного управления [2] и получил в дальнейшем широкое развитие далеко за пределами военной отрасли. В 80-е гг. прошлого века дисциплина «системный анализ» была впервые введена в учебные планы вузов СССР.

Параллельно с направлениями, явно использующими термин «система», возникали междисциплинарные направления, которые развивались как самостоятельные, но фактически были ориентированы на системные исследования. Среди них: ситуационное моделирование (авт.

Д. А. Поспелова, Ю. И. Клыкова и др.), информационный подход к анализу

(Б. Ф. Фомина) [2].

7

В период становления теории систем довольно часто возникали дискуссии о том, материальны или нематериальны системы. С одной стороны, стремясь подчеркнуть материальность систем, некоторые исследователи в своих определениях заменяли термин элемент терминами вещь, объект, предмет; и хотя последние можно трактовать и как абстрактные объекты или предметы исследования, все же авторы этих определений явно хотели обратить внимание на овеществленность, материальность системы.

Однако, в результате последующих исследований в теории систем, была показана бессмысленность спора о их материальности и нематериальности. По мнению В. Г. Афанасьева – одного из исследователей, объективно существующие системы и само понятие «системы», условно говоря, «взаимно дополняют друг друга», одновременно подчеркивая и материальность, и нематериальность системы.

8

ЛЕКЦИЯ 2.

ПОНЯТИЯ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМ

Привычное толкование таких понятий, как элемент, связь и др., не всегда совпадает с их значением как специальных терминов системного описания и анализа объектов. Поэтому целесообразно дать краткое пояснение основных понятий, уточняющих представление о системе. Разделим эти понятия на две группы. К первой группе отнесем понятия, входящие в определения системы и характеризующие ее строение:

элемент, компоненты, подсистема, связь, структура, цель. Ко второй группе отнесем понятия, характеризующие функционирование и развитие

системы: состояние, поведение, равновесие, устойчивость, развитие,

жизненный цикл.

Понятия, входящие в определение системы, тесно связаны между собой и, по мнению Л. фон Берталанфи, не могут быть определены независимо, а определяются, как правило, одно через другое, уточняя друг друга, и поэтому принятую последовательность их изложения следует считать условной [2].

Элемент. Под элементом принято понимать простейшую, неделимую часть системы. Однако ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднозначным. Например, в качестве элементов стола можно назвать «ножки, ящики, крышку» и т.д., а можно – «атомы, молекулы», в зависимости от того, какая задача стоит перед исследователем.

Аналогично в системе управления предприятием элементами можно считать подразделения аппарата управления, а можно – каждого сотрудника или каждую операцию, которую он выполняет. С непониманием этой проблемы была связана типичная ошибка при обследовании существующей системы управления как первой стадии разработки автоматической системы управления (АСУ). Инженеры в соответствии со своим подходом обеспечения полноты подвергали анализу все документы, вплоть до реквизитов, что существенно затягивало работу, в то время как для разработки технического задания на создание

автоматической системы управления производством (АСУП) такой детализации не требовалось.

Поэтому примем следующее определение: элемент – это предел деления системы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи, поставленной цели. Для помощи в выделении элементов при анализе конкретных проблемных ситуаций можно

9

использовать информационный подход, и в частности, меру информации восприятия.

Систему можно разделить на элементы различными способами в зависимости от формулировки задачи, цели и ее уточнения в процессе проведения системного исследования. При необходимости можно изменять принцип разделения, выделять другие элементы и получать с помощью нового разделения более адекватное представление об анализируемом объекте или проблемной ситуации.

Определяя элемент, необходимо употребить понятие цель, которое будет обозначено в дальнейшем (понятия, определяющие систему, не могут быть определены отдельно друг от друга), поэтому не следует применять понятие цели как объект рассмотрения или задачи, хотя это и не всегда удобно.

Компоненты и подсистемы. Иногда термин «элемент» используют в более широком смысле, даже в тех случаях, когда система не может быть сразу разделена на составляющие, являющиеся пределом ее деления. Однако при многоуровневом делении системы лучше использовать другие термины, предусмотренные в теории систем: сложные системы принято вначале делить на подсистемы или на компоненты.

Понятие «подсистема» подразумевает, что выделяется относительно независимая часть системы, обладающая свойствами системы и, в частности, имеющая подцель, на достижение которой ориентирована подсистема, а также другие свойства – целостности, коммуникативности и т.п., определяемые закономерностями систем.

Если же части системы не обладают такими свойствами, а представляют собой просто совокупности однородных элементов, то такие части принято называть компонентами. Разделяя систему на подсистемы, следует иметь в виду, что так же, как и при разделении на элементы, выделение подсистем завиcит от цели и может меняться по мере ее уточнения и развития представлений исследователя об анализируемом объекте или проблемной ситуации.

Связь. Понятие «связь» входит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение ее целостных свойств. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику), и функционирование (динамику) системы.

Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Действительно, элементы, вступая во взаимодействие (связь) друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали в свободном состоянии.

В определениях системы термины «связь» и «отношение» обычно используются как синонимы. Однако существуют разные точки зрения: одни исследователи считают связь частным случаем отношения; другие –

10