Основы теории систем. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра информационных технологий

В.И. БАТИЩЕВ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ

Учебное пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2016

1

ПРЕДИСЛОВИЕ

У меня есть тысячи специалистов, которые могут построить пирамиду, но нет ни одного, кто ска-

зал бы, стоит ли её строить. (Джон Кеннеди)

Теория систем и развившиеся на ее основе прикладные дисциплины – относительно новые научные направления. В середине ХХ столетия в научной литературе появились термины: «системные исследования», «системный подход», «системное мышление», «системный анализ», «системотехника». Это привело к объединению усилий специалистов различных профессий для решения общих задач, связанных с изучением, проектированием и управлением сложными системами. Причем начиная с этого времени понятие «системность» стало не только теоретической категорией, но и осознанной необходимостью в практической деятельности.

Без системного подхода не обходится ни одна сфера высокопрофессиональной деятельности. Владение системным мышлением, системным анализом, системным моделированием и конструированием – высшая характеристика мыслительной культуры человека.

Незнание системных принципов не позволяет знаниям, закладываемым традиционным образованием, превращаться в умения и навыки их применения, в навыки ведения системной деятельности – построения и реализации целенаправленных, структурированных, обеспеченных ресурсами или ресурсоограниченных конструктивных процедур решения проблем. Системно мыслящий и действующий человек, как правило, прогнозирует и считается с результатами своей деятельности, соизмеряет свои желания, цели и свои возможности (ресурсы), учитывает интересы окружающей среды, развивает интеллект, вырабатывает верное мировоззрение и правильное поведение в человеческих коллективах.

Системные направления, базирующиеся на общей теории систем, стали включаться в той или иной форме в учебные программы вузов. В настоящее время междисциплинарные курсы «Теория систем и

3

системный анализ», «Системотехника», «Системология» входят в учебные планы различных специальностей – технических, гуманитарных, экономических.

В предлагаемом учебном пособии рассматриваются: основные категории и принципы системного подхода, этапы развития и становления теории систем и системного анализа как науки, понятия и определения теории систем, свойства и характеристики строения и функционирования систем, классификация систем и общесистемные закономерности. Большое внимание в учебном пособии уделено вопросам формализованного описания систем, экспертным методам описания и анализа систем, вопросам математического и системного моделирования.

Данное учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлениям 230700 – «Прикладная информатика» и 230100 – «Информатика и вычислительная техника», по специальностям 080801 – «Прикладная информатика в экономике» и 230102 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления». Оно будет также полезностудентамиаспирантамдругихспециальностей.

4

ВВЕДЕНИЕ

Когда человек разъял мир на части, он перестал понимать действия законов не только божьих, но

и человеческих. (Лао-Цзы)

Системность, системные представления, системный подход, системное мышление, системный анализ являются понятиями новой мировоззренческой парадигмы, сформировавшейся в ХХ веке.

В рамках этой системной парадигмы можно говорить о наступлении этапа системно-междисциплинарного подхода к проблемам науки, образования, техники и технологии, этапа, концентрирующего внимание не только на вещественно-энергетических, но и на инфор- мационно-логических, междисциплинарных аспектах построения и исследования картины мира.

Системность проявляется в двух аспектах. Первый отождествляет системность с объективным, независимым от человека свойством действительности. Такое понимание делает системность онтологическим, объективно-диалектическим свойством всего сущего. Другой аспект системности подразумевает привлечение, объединение накапливающихся знаний о самом свойстве, т.е. системность выступает как гносеологическое явление.

Развитие общей теории систем было вызвано необходимостью дополнить концептуальные схемы, известные под названием анали- тико-механистического подхода и связанные с науками о неживой природе. Эти концепции называют также «аналитическими», так как они основаны на принципах анализа: от целого к частям и от более сложного к простому. Названные концептуальные схемы являются также дедуктивными, т.е. используется переход от общего к частному. Р. Декарт писал: «Нет такой проблемы, которую я не мог бы решить. Если вдруг я не в состоянии с ней справиться, то разбиваю её пополам и пытаюсь решить отдельно каждую часть. А если какая-то из них всё же не поддаётся решению, я и её делю, и т.д.».

5

С помощью таких подходов можно правильно объяснить явления в некоторых физических и технических системах. Однако для исследования систем в биологии, социологии, психологии, политологии, экономике, информациологии они не подходят. Они не могут дать объяснения сущности таких понятий, как организация, развитие, самосохранение, регулирование, характеризующих живые, организационные и ор- ганизационно-технические системы. Аналитический метод не пригоден для изучения систем, которые должны рассматриваться с позиций целостности. Разложение таких систем на составные части бессмысленно.

Важным предположением аналитико-механистического подхода является тот факт, что свойства всей системы могут быть выведены из свойств ее частей. Системный же подход к исследованию и понимания объекта можно рассматривать как синтез интуитивного и аналитического методов. Он отрицает попытку сведения свойств целого к сумме свойств его частей, но заимствует у аналитического подхода интерес к внутренней структуре объекта. На первое место выдвигается совокупность системных свойств целого, которые не присущи составным элементам системы. Системный подход концентрирует внимание на тех взаимодействиях, которые являются причиной возникновения системных свойств.

Системный подход основан на применении общей теории систем, основных ее приложений к решению сложных проблем. С этой точки зрения общая теория систем, наряду с кибернетикой, служит теоретической базой системной методологии. «Общая теория систем пред-

ставляет собой логико-математическую область исследований, задачей которой является формулирование и выведение общих принципов, применимых к "системам" вообще безотносительно к их конкретному виду, природе, составляющим элементам и отношениям

(или связям) между ними». Так трактует общую теорию систем один из ее основоположников – Л. фон Берталанфи [21].

6

1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД, СИСТЕМНОЕ МЫШЛЕНИЕ,

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

Системный подход – это некоторый общеметодологический принцип. Его гносеологический аспект – теория систем. Его рецептурная реализация – это системный анализ. (Н.Н. Моисеев)

1.1. ОСНОВНЫЕ КАТЕГОРИИ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Системный подход в форме теоретической концепции под названием «общая теория систем» возник как реакция на исключительно бурный рост аналитических подходов в науке, все более и более удаляющих творческую мысль от того, что длительное время называлось проблемой целостного организма.

Системный подход – это принцип познавательной и практической деятельности, при котором рассматривается система в целом, а не ее отдельные части. Назначение системного подхода заключается

втом, что он направляет человека на системное видение действительности, заставляет рассматривать мир с позиций его системного устройства.

Методология, специфика системного подхода определяется тем, что он ориентирует исследование на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих её механизмов, на выявление многообразных типов связей сложногообъекта и сведениеихв единую теоретическую картину.

По определению Джона Ван Гига, системный подход является в своей основе методологией проектирования систем, а не улучшения её отдельных частей. Первый вопрос, который возникает при системном подходе, – «какова цель существования системы в её связи с другими системами?» Такой подход называется экстраспективным в отличие от интроспективного подхода, направленного внутрь системы

вслучаях, когда занимаются улучшением систем. При улучшении системы ищут причины отклонения в рамках существующей системы, не считая возможным раздвинуть её рамки. Проектирование сис-

7

тем в целом означает создание оптимальной или рациональной структуры (новой конфигурации) системы.

Оптимальный проект обычно нельзя получить путём внесения некоторых изменений в существующие формы. Он основывается на планировании, оценке и принятии таких решений, которые предполагают новые и положительные изменения для системы в целом.

Цель теории систем заключается в построении концептуальной и диалектической основы для развития методов, пригодных для исследования более широкого класса систем, чем те, которые связаны с неживой природой. Общая теория систем как наука характеризуется следующими качествами:

использует «целостный» подход к системам (в соответствии с которым все явления рассматриваются как «целостности») при сохранении идентичности систем и свойств неделимых элементов;

повышает общность частных законов посредством нахождения подобных структур в системах (изоморфизм) независимо от того, к каким дисциплинам и специальным наукам относятся эти законы;

побуждает к использованию математических моделей, которые описаны с помощью языка, не зависимого от конкретного смысла; эти модели благодаря свойственной им общности помогают установить аналогию (или ее отсутствие) между системами. С помощью математических моделей мы переходим от анализа содержания к анализу структуры, что позволяет избежать многих ненужных исследований;

способствует единству науки, являясь связующей основой для систематики знаний. Общую теорию систем можно рассматривать как систему систем, указывающую на расхождение и на сходство между различными дисциплинами.

Системный анализ – это научный, всесторонний подход к принятию решений. Он предполагает исследование проблемы принятия решения в сложной системе. Проблема изучается в целом, определяются цели развития объекта управления и различные пути их реализации в свете возможных последствий. При этом возникает необходимость согласования работы различных частей объекта управления,

8

отдельных исполнителей, с тем, чтобы направить их на достижение общей цели.

Системный анализ – это система понятий, методов и технологий для изучения, описания, реализации систем различной природы и характера; это система общих законов, методов, приемов исследования сложных систем и решения междисциплинарных проблем.

В отличие от многих научных дисциплин, основанных на полной формализации решаемых задач, системный анализ допускает приемлемость неформализуемых процедур. Системный анализ предназначен для решения в первую очередь слабоструктурированных проблем, т.е. проблем, состав элементов и взаимосвязей которых установлен только частично, задач, возникающих, как правило, в ситуациях, характеризуемых наличием фактора неопределенности и содержащих неформализуемые элементы, не переводимые на язык математики.

Современный системный анализ использует такие методы и процедуры, как абстрагирование и конкретизация, анализ и синтез, индукция и дедукция, формализация, алгоритмизация, моделирование, распознавание, классификация и идентификация образов, экспертное оценивание, тестирование.

На смену «линейному» мышлению стало приходить многоуровневое системное мышление, с большей адекватностью отражающее в нашем сознании закономерности и связи объективного мира. Доминирующие позиции в научных изысканиях стал занимать метод компьютерного моделирования.

Мировоззренческий принцип экстремальности с его традиционной постановкой вопроса: «что делать?» – заменяется принципом компромисса, т.е. антитезой: «чего следует избегать, чтобы не совершить ошибок?» При такой постановке системный анализ становится не только методом обоснования решений, но и источником новых знаний, которые формируют комплексное мировоззрение исследователя и помогают раскрыть многоаспектную сущность изучаемого явления.

Математические методы исследования операций, служившие основой системной аналитики, наращиваются понятийными (логико-

9

лингвистическими) моделями, построенными на «мягких» вычислительных процедурах и положениях теории нечётких множеств и языковых средствах, близких к естественному языку.

Системный подход стал признанным научным направлением благодаря своей направленности на разработку специфических познавательных средств, отвечающих задачам исследования и конструирования сложных объектов.

1.2. ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Принципы системного подхода – это положения общего характера, являющиеся обобщением опыта работы человека со сложными системами. Их часто считают ядром методологии. Известно около двух десятков такихпринципов. Рассмотрим некоторыеиз них[4, 19, 20, 26].

Принцип конечной цели: абсолютный приоритет конечной цели. При анализе следует не упускать из виду основную цель, назначение системы. При синтезе необходимо оценивать изменения и усовершенствования в системе относительно того, мешают или помогают они достижению конечной цели. «Стремясь к вершине, не перепутай Олимп с Везувием». (А. Кнышев)

Принцип единства: совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности элементов. «Целостное представление о системе требует, прежде всего, изучения её организации». (Н.Н. Моисеев)

Принцип связности: рассмотрение любой части совместно с ее связями с окружением. В соответствии с этим принципом систему следует рассматривать как часть другой системы. «Системное мыш-

ление учит нас, что нет ничего внешнего. Вы и причины ваших проблем – это части одной системы». (П. Сенге)

Принцип измерения: о качестве функционирования системы можно судить только с позиций системы более высокого порядка.

«Ты должен расстаться с тем, что ты хочешь лучше познать и оценить, по крайней мере, на время. Только покидая город, ты видишь, как высоко его башни поднимаются над домами». (Ф. Ницше)

10