Основы теории систем. Учебное пособие

Принцип модульного построения: полезно выделение модулей в системе и рассмотрение ее как совокупности модулей. «Не в совокуп-

ности ищи единства, но более – в единообразии разделения». (Козьма Прутков)

Принцип иерархии: полезно введение иерархии элементов и их ранжирование. Этот принцип указывает на целесообразность и важность выявления доминирующих факторов и элементов в системе и определения разумного порядка рассмотрения частей системы. «Бу-

дешь гоняться за малыми выгодами, большого дела не сделаешь». (Конфуций)

Принцип функциональности: совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой. «Что чело-

век делает, таков он и есть». (Г. Гегель)

Принцип развития: учет изменяемости системы, ее способности к развитию, расширению, замене частей, накапливанию информации.

«Нет ничего более постоянного, чем перемены». (К.Л. Берне)

Принцип эквифинальности: система может достигнуть своего конечного состояния, определяемого собственными характеристиками системы, при различных начальных условиях и различными путя-

ми. «С неизбежностью и боги не спорят». (Симонид Кеосский)

Принцип децентрализации: сочетание в принимаемых решениях и управлении централизации и децентрализации. «Бог и дьявол до-

бились впечатляющих результатов благодаря специализации и разделению труда». (Сэмюэл Батлер)

Принцип неопределенности: учет неопределенностей и случай-

ностей в системе. «Руководители должны научиться жить в атмосфере неопределённости и получать от этого удовольствие, наслаждаясь схваткой с неизвестностью». (И. Энджел)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что характеризует общую теорию систем как науку?

2.Что такое системный и комплексный подходы? В чём их сходство и различие?

3.Что является объектом и предметом системного анализа?

11

4.Что такое системный анализ? В чём его отличия от других видов анализа?

5.В чём суть принципов единства и связности в теории систем и системном анализе?

6.В чём суть принципов иерархии и модульного построения в теории систем и системном анализе?

7.В чём суть принципов конечной цели и функциональности в теории систем и системном анализе?

8.В чём суть принципов развития и эквифинальности в теории систем и системном анализе?

2. ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА,

ТЕОРИИ СИСТЕМ И СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Опыт показывает вещи, а история дает их связь. (Г. Копринг)

Просматривая историю, мы невольно поражаемся незначительному количеству идей рядом с бога-

тым разнообразием фактов. Одной какой-нибудь идеей живет целое столетие. (Э. Кастеляр)

2.1. ЗАРОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ

СИСТЕМНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Попытки создания целостной системной картины мира предпринимались многими исследователями, начиная с древнегреческих ученых. Древнегреческое слово система было связано, прежде всего, с социально-бытовой деятельностью и применялось в значении «устройство, организация, союз, строй» и т.п., поэтому весьма длительное время термин «система» имел ярко выраженный онтологический смысл.

Важно то, что формирование понятия «система» из термина «система» шло через осознание целостности и расчлененности как естественных, так и искусственных объектов. Это и получило выражение в толковании системы как «целого, составленного из частей».

12

Осистеме мира говорят Г. Галилей и И. Ньютон, о системе точек

илучей – У. Гамильтон, о системе тел – П. Лаплас, о системе природы – П. Гольбах. Р. Декарт и Б. Спиноза, развивая механикоматематическую методологию, стремились к созданию целостной картины природы [4, 21].

Наиболее полное выражение эти стремления нашли в теории познания И. Канта (1724 – 1804). Г. Гегель высказал идеи, которые впоследствии легли в основу общей теории систем. Целое есть большее, чем сумма частей; целое определяет суть частей; части не могут быть познаны внецелого;части находятся вовзаимосвязии взаимозависимости.

Глубокую и основательную разработку получила идея системной организации научного знания. «Всякая наука, как и ее часть, предстает как система, поскольку система есть совокупность идей и принципов, которая может трактоваться как целое. В системе должны быть субординация и координация» (И.Г. Ламберт, 1728 – 1777).

Изменение принципов научного мировоззрения произошло в связи с углублением представлений о причинности. Статистическая физика, вслед за которой методы исследования, построенные на вероят- ностно-статистических принципах, стали распространяться на другие области знаний, породила ситуацию, при которой причинноследственные связи перестали быть единственным видом связей, признаваемых наукой. Разработкой статистических методов завершился первый этап формирования предпосылок системного подхода.

Дальнейшее формирование системных воззрений было связано с именами представителей различных наук и областей знаний. Французский химик Анри Луи Ле-Шателье (1850–1936) сформулировал закон подвижного равновесия: «Если система равновесия подвергается воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направленные так, чтобы противодействовать этому изменению». Биологам сформулированный Ле-Шателье для физических и химических систем закон известен как «закон о выживании». В экономике это «закон соответствия спроса и предложения». Этот и другие принципы и суждения составили впоследствии совокупность общесистемных закономерностей в теории систем.

13

Вопрос о научном подходе к управлению сложными системами первым поставил М.А. Ампер. В работе «Опыт о философии наук, или аналитическое изложение классификации всех человеческих знаний» (ч.1 – 1834 г., ч. 2 – 1843 г.) при классификации наук, он выделил науку об управлении государством и назвал ее кибернетикой (от «kiber» – кормчий, рулевой, управляющий).

В1843 г. польский философ Б. Трентовский опубликовал книгу «Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом», в которой он предпринял попытку построения научных основ практической деятельности руководителя (кибернета). Главная сложность управления, по мнению Б. Трентовского, связана со сложностью поведения людей. Эффективное управление может осуществляться только с учётом всех внешних и внутренних факторов, влияющих на объект управления.

В1891 г. академик Е.С. Федоров, работавший в области минералогии и кристаллографии, установил некоторые закономерности развития систем. Ему принадлежит наблюдение, что главным средством жизнеспособности и развития систем является не их приспособленность, а способность к приспособлению – «жизненная подвижность», не стройность, а способность к повышению стройности.

2.2. ВСЕОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИОННАЯ НАУКА А.А. БОГДАНОВА

Следующая ступень в изучении системности связана с именем философа, врача, экономиста А.А. Богданова (1873–1928). В период с 1911 по 1925 года вышли три тома его книги «Всеобщая организационная наука (тектология)». Все явления он рассматривает как непрерывные процессы организации и дезорганизации. Ему принадлежит идея о том, что все существующие объекты и процессы имеют определенную степень организованности. Причем уровень организации тем выше, чем сильнее свойства целого отличаются от простой суммы свойств его частей. Особенностью тектологии А.А. Богданова является то, что основное внимание уделяется закономерностям разви-

14

тия организации, рассмотрению соотношений изменчивого и устойчивого, учету собственных целей организации, значению обратных связей, роли открытых систем. А.А. Богоданов считал, что самые разнородные явления объединяются общими структурными связями и закономерностями, а законы организации систем едины для любых объектов. Он подчеркивал значение моделирования и математики как потенциальных методов решения задач тектологии. По его мнению, структурные отношения могут быть обобщены до такой же степени формализма, как отношения величин в математике.

А.А. Богданов вводит три типа комплексов: организованные, дезорганизованные и нейтральные. Система у Богданова – это динамический комплекс, который можно рассматривать как процесс, имеющий циклическое развитие. При этом он четко различает организацию и структуру. Организация рассматривается им как процесс постоянных преобразований, связанных с непрерывной сменой состояний равновесия. Внешняя среда видится источником неопределенности и одним из главных факторов организации.

Введение процессуального взгляда на организацию сложных систем, предполагающего все большую полноту функционального использования их свойств и структур, дало новый импульс развития системным исследованиям.

Для описания закономерностей функционирования организаций в «Тектологии» вводятся понятия формирующего и регулирующего механизмов, устойчивости и организованности форм, кризиса форм. Формирующий механизм объясняет процессы объединения и разделения, образования цепных связей. Регулирующий механизм связан с понятиями подвижногоравновесия, прогрессивного иконсервативногоотбора.

Отбор рассматривается как направленная процедура, обусловливающая возникновение форм организации. Отбор может быть положительным и отрицательным. Примером положительного отбора служит кооперирование отдельных предприятий. Примером отрицательного отбора является уменьшение числа процедур операций или уменьшение числа элементов комплекса. Положительный отбор по-

15

вышает автономность и функциональную целостность организации. Отрицательный отбор повышает структурную целостность и устойчивость системы. Механизмы структурного отбора связаны с определением рациональной меры централизации и децентрализации системы, и эти идеи о рациональном соотношении централизации и децентрализации, интеграции и специализации в организациях значительно опередили свое время.

2.3. КИБЕРНЕТИКА И ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ

В РАЗВИТИИ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Массовое усвоение системных понятий, осознание обществом системности мира, общества и человеческой деятельности началось с 1948 г., когда американский математик Н. Винер опубликовал книгу «Кибернетика». Первоначально он определил кибернетику как «науку об управлении и связи в животных и машинах». В следующей книге «Кибернетика и общество» Н. Винер с позиций кибернетики анализирует процессы, происходящие в обществе.

Примерно в то же время появились ещё два фундаментальных исследования – теория информации К. Шеннона и У. Уивера (1949) и теория игр Дж. фон Неймана и О. Моргенштерна (1944). В 1936 г. Тьюринг предложил идею абстрактной вычислительной машины. В совокупности эти работы заложили основы создания конструктивных методов исследования систем.

Американский ученый Джон фон Нейман (1903 – 1957 гг.) сыграл значительную роль в истории кибернетики. Он внес фундаментальный вклад в развитие функционального анализа, теории множеств, статистической физики, квантовой механики, математической логики, теории автоматов, вычислительной техники. Он – создатель теории игр, непосредственно связанной с теоретической кибернетикой. Им разработаны пути построения надежных систем из ненадежных элементов и доказана теорема о способности сложных автоматов к самовоспроизведению и к синтезу более сложных автоматов.

16

В 30-40-е гг. XX века в разных странах возникли группы ученых, ведущих поиск совместных подходов физики, математики, техники, физиологии к проблемам связи и управления. В США инициатором объединения ученых многих специальностей для совместного обсуждения далеких друг от друга проблем стал Н. Винер. В 1934 году он собрал в Принстоне на семинар группу нейрофизиологов, инженеровсвязистов, конструкторов вычислительной техники, ранее не знавших друг друга и удивленных тем, что они заговорили на одном научном языке, хотя словарь языка содержал термины из разных наук. На этом семинаре был принят ряд обобщающих терминов: термин «обратная связь» перешел из электротехники и автоматики в науку о живых организмах, слово «память» объединило различные методы хранения информации, принято понятие «бит» для измерения количества информации. Позже Н. Винер писал: «Я считаю, что встреча в Принстоне дала жизнь новой науке – кибернетике».

Серьёзный вклад в развитие кибернетики внесли советские учёные: руководитель Научного совета по кибернетике АН СССР – академик А.И. Берг, автор работ по теории конечных автоматов, кибернетике, проблемам автоматизированных систем управления – академик В.М. Глушков, известные учёные в области теории информации

– академики В.А. Котельников и А.А. Харкевич, выдающиеся математики и специалисты в области кибернетики – академик А.Н. Колмогоров и член-корреспондент АН СССР А.А. Ляпунов, математик, автор первых работ по линейному программированию – академик Л.В. Канторович. В развитие экономической кибернетики большой вклад внесли академики А.Г. Аганбегян и Н.П. Федоренко.

Теория информации, по определению К. Шеннона и У. Уивера, опирается на понятие информации, математическое выражение для которой аналогично выражению для негэнтропии в термодинамике. Теория информации является фундаментом коммуникационных технологий, и ее прикладное значение в различных отраслях весьма значительно, однако важной проблемой остается выяснение глубинных отношений между информацией и системной организацией.

17

Теория игр отличается от других рассмотренных системных методов исследований. Однако её можно поставить в ряд наук о системах. В ней рассматривается поведение «рациональных» игроков, пытающихся достичь максимальных выигрышей и минимальных потерь за счет применения соответствующих стратегий в игре с соперником (или природой). Следовательно, теория игр по существу рассматривает «системы», включающие антагонистические «силы».

2.4. РАЗВИТИЕ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ

Идея построения общей теории систем, приложимой к системам любой природы, была выдвинута австрийским биологом Л. фон Берталанфи (1901–1972). Впервые идеи общей теории систем были изложены Берталанфи в 1937 – 1938 годах в Чикагском университете. В 1947–1950 гг. Л. Берталанфи обобщил идеи, содержащиеся в теории открытых систем. В своей теории он обобщил принципы организа-

ции, целостности, изоморфизма и эквифинальности.

В отличие от винеровского подхода, где изучаются внутрисистемные обратные связи, а функционирование систем рассматривается как отклик на внешнее воздействие, Л. Берталанфи подчеркивает особое значение обмена веществом, энергией и информацией с открытой средой.

Л. фон Берталанфи неоднократно отмечал, что реальным историческим предшественником общей теории систем была гештальтпсихология (от нем. gestalt – структура, форма, конфигурация), в которой проблемы целостности и структуризации занимают важное место. Один из основоположников этого направления психологии М. Вертгеймер писал в 1925 г.: «Существуют связи, при которых то, что происходит в целом, не выводится из элементов, существующих якобы в виде отдельных кусков, связанных потом вместе, а напротив, то, что проявляется в отдельной части этого целого, определяется внутренним структурным законом этого целого. Гештальттеория есть это, не больше и не меньше».

18

Отправной точкой общей теории систем как самостоятельной науки можно считать 1954 год, когда было организовано общество содействия развитию общей теории систем. В 1956 г. общество опубликовало свой первый ежегодник «Общие системы».

Встатье, помещенной в первом томе ежегодника, Л. Берталанфи указал причины появления новой отрасли знаний. Во-первых, существует общая тенденция к достижению единства различных естественных и общественных наук, такое единство может быть предметом изучения общей теории систем. Во-вторых, развивая объединяющие принципы, которые имеют место во всех областях знания, теория систем приблизит нас к единству науки, а это может привести к достижению необходимого единства научного образования. Эти идеи объединения наук, однако, были впоследствии подвергнуты реши-

тельной критике Р. Акоффом. «Предложенный Берталанфи метод объединения наук приведёт лишь к дальнейшему разделению как теоретических и прикладных направлений неформализованных наук, так

иувеличению разрыва между формализованными (точными) и неформализованными науками» [21].

Вэтом споре, однако, трудно говорить о правоте какой-либо одной стороны. Ярким примером в этом отношении может служить учение о биосфере одного из величайших ученых ХХ века В.И. Вернадского. В концепции В.И. Вернадского рассматривается вопрос о глубоком единстве биотических и абиотических фактов существования и развития жизни на Земле. С методологической точки зрения эта концепция опирается на принцип целостности. При этом целостность биосферы понимается не как постулат, а как предмет и в некотором смысле результат исследования.

Существенный вклад в развитие общей теории систем внесли

наши ученые: А.И. Уемов, В.Г. Афанасьев, В.Н. Садовский, В.С. Тюхтин, Ю.А. Урманцев и др. Ими были разработаны концептуальные основы, терминологический аппарат, исследованы закономерности функционирования и развития сложных систем, обозначены проблемы, связанные с философскими и общенаучными основами системных исследований.

19

Создание Л. Фон Берталанфи общей теории систем определялось не только творческим развитием взглядов автора. К этому времени широкое внедрение методов и средств автоматизации, появление вычислительной техники, стремительное общее развитие науки и техники выдвинули в ряд важнейших проблему больших и сложных систем со сложными взаимодействиями их частей и элементов. Настоятельным требованием времени стала задача разработки практических методов познания и исследования сложных объектов и систем.

2.5. РАЗВИТИЕ ПРИКЛАДНЫХ

СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Начало прикладных научных системных исследований было положено в середине 30-х годов в Великобритании в связи с разработкой системы сопровождения и наведения взаимодействующих истребителей военно-воздушной обороны, обнаружения летательных объектов, слежения за самолетами противника. Период с 1935 по 1938 годы считают временем формирования основных положений нового научного направления – исследования операций.

Зарождение исследования операций как научной дисциплины было обусловлено неотложным требованием решения важных практических проблем. Поэтому научные работники, которые занимались соответствующими исследованиями, с одной стороны, заложили фундамент нового научного направления, с другой стороны, использовали полученные знания для решения практических проблем.

Основные отличия исходной концепции исследования операций от предшествующих математических методов принятия решений заключались в следующем.

Предполагалась разработка нескольких вариантов решений, нескольких путей достижения цели. При выборе решения допускался учет не только количественных, но и качественных критериев, что позволяло обеспечить большее соответствие решения реальной действительности.

20