Основы теории систем. Учебное пособие

Важную роль в постановке задачи и организации исследования операций играли интересы людей и коллективов, принимающих участие в операции, и прогноз влияния принимаемыхрешений на ихповедение.

Учитывалось, что отдельно взятая операция не изолирована от других, поэтому предусматривались этапы сбора информации и анализа факторов, влияющих на принятие решения, выявление наиболее значимых факторов, формулировка условий, определяющих допустимые решения и их качество;

В течение двух десятилетий значительно выросли и стали значительно различаться по направлениям группы по исследованию операций. Так, в США группа по исследованию операций военно-морских сил превратилась в расширенную группу оценки операций, работающую по контракту с Массачусетским технологическим институтом под руководством Джакинто Стейнхарда. В 1948 г. командование сухопутными войсками США по контракту с университетом Джона Гопкинса сформировало управление по исследованию операций, начальником которого был назначен Эллис А. Джонсон. Военновоздушные силы США расширили свои отделы исследования операций под началом Ле-Рой А. Бразерса. В 1949 г. Объединенный комитет начальников штабов создал группу оценки систем вооружения, первым техническим директором которой был назначен Филип М. Морз. В то же время при авиационной корпорации «Дуглас» появился проект РЭНД, развившийся вскоре в корпорацию РЭНД.

После окончания войны эти организации от сугубо военной проблематики перешли к более широкому кругу проблем, связанных с планированием, прогнозированием и оптимизацией. К 1955 г. центр тяжести интересов научных групп стал явно смещаться в сторону работ в невоенных сферах. Были достигнуты значительные успехи в теории поиска, теории игр, программировании, теории полезности и других областях.

Одновременно наблюдался рост исследования операций в основных отраслях промышленности и в научной деятельности университетов. Уже в 1955 г. Филип М. Морз смог сделать обзор состояния

21

исследования операций и сделал предложение уделять больше внимания фундаментальным теоретическим исследованиям, экспериментальным работам и подготовке специалистов в данной области. К моменту официального рождения нового научного направления были опубликованы всего лишь две работы на эту тему – брошюра П. Блекетта «Исследование операций» в 1948 г. и книга Ф. Морза и Д. Кимбелла «Методы исследования операций» в 1952 г.

Увеличение потока публикаций и рост общей научной активности в области исследования операций и системного анализа началось в 60-х годах. Первая книга по системному анализу, не переведенная в

СССР, вышла в 1956 г. Ее издала РЭНД (авторы А. Кан и С. Манн). Через год появилась «Системотехника» Г. Гуда и Р. Макола (издана в нашей стране в 1962 г.), где изложена общая методика проектирования сложных технических систем. В 1962 г. вышел один из лучших учебников по системотехнике А. Холла «Опыт методологии для системотехники», переведенный у нас в 1975 году. В 1965 г. появилась весьма обстоятельная книга Э. Квейда «Анализ сложных систем для решения военных проблем» (переведена в 1969 г.). В ней представлены основы анализа систем, обоснование методов оптимального выбора при решении сложных проблем в условиях высокой неопределенности. Также в 1965 г. вышла книга С. Оптнера «Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем» (переведена в 1969 г.). Насыщенная большим количеством новых идей, она дает полное и ясное представление о системном анализе.

В 60-е годы широкое распространение получил термин системотехника, предложенный в 1962 г. Ф.Е. Темниковым (основателем первой в стране кафедры системотехники в МЭИ) при переводе книги Г. Гуда и Р. Макола как неточный эквивалент английского «System Engineering». В связи с таким переводом термин довольно быстро стал использоваться в основном в приложениях системных методов к техническим направлениям. Для других направлений был предложен термин системология. Впервые термин был введен в 1965 г. И.Б. Новиком.

22

Термин «системный анализ» используется в публикациях неоднозначно. В одних работах системный анализ определяется как «приложение системных концепций к функциям управления, связанным с планированием» и целевой стадией планирования. В других – термин «системный анализ» употребляется как синоним термина «системное управление организацией». Однако при любом подходе работы этого направления отличаются от других направлений системных исследований тем, что в них предлагается методика проведения системного исследования, организация процесса принятия решения, предлагаются подходы к приложениям методик к конкретным условиям. И второе важное отличие – работа с целями. Некоторые авторы даже в определении системного анализа подчеркивают, что это методика исследования целенаправленных систем.

В практическом плане прикладной системный анализ является методикой улучшающеговмешательства вреальныепроблемныеситуации.

2.6. СИНЕРГЕТИКА И РАЗВИТИЕ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Серьёзный прорыв в исследовании систем был совершен в связи с исследованиями в области синергетики. Термин «синергетика» был впервые введен Германом Хакеном в курсе его лекций, прочитанных в 1969 г. в университете Штутгарта, для обозначения новой дисциплины, предполагающей изучение общих законов самоорганизации, обусловленных согласованным действием элементов сложной системы без управляющего воздействия извне. По Хакену, синергетика занимается изучением систем, состоящих из большого числа частей, сложным образом взаимодействующих между собой, и направлена на исследование вопросов нелинейной самоорганизации временных, пространственных, пространственно-временных структур в природе и обществе.

Г. Хакен заметил, что при переходе от неупорядоченности к порядку во всех явлениях возникает сходное поведение элементов, которое он назвал кооперативным, синергетическим эффектом. Обна-

23

ружение единства модели позволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманию представителями другой области науки и переносить научные результаты из одной отрасли в другую. В то же время, синергетику можно рассматривать как современный этап развития кибернетики и системных исследований.

Параллельно с этими исследованиями Брюссельской научной школой во главе с И. Пригожиным активно проводились работы в области термодинамики необратимых процессов и неравновесных физических систем. За успехи в этой области Илья Пригожин в 1977 году был удостоен Нобелевской премии.

И. Пригожин предложил новую, оригинальную теорию системодинамики, раскрывающую механизмы самоорганизации систем. Он заново сформулировал многие известные прежде положения: иерархичность системной структуры, присутствие случайных процессов на каждом уровне организации, несводимость друг к другу и невыводимость одна из другой закономерностей разных уровней организации и др. Ему удалось конкретизировать диалектические закономерности процессов, протекающих в природе, обществе и познании.

Вцелом синергетика Г. Хакена и теория изменений И. Пригожина оказались очень близкими объектами и методами исследования, поскольку они впитали понятийный аппарат друг друга.

Важную роль в развитие и продвижение идей синергетики сыграла российская синергетическая школа. В.И. Аршинов, В.А. Белавин, В.Г. Буданов, Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, В.Н. Садовский получили новые результаты как в области общей систем- но-синергетической методологии, так и в моделировании сложных систем и процессов.

Всоответствии с базовыми положениями синергетики, истинный смысл возникающих при этом кооперативных процессов заключен во внутренних причинах, во многом непредсказуемой самоорганизации систем. Синергетическая модель самоорганизации является на сегодняшний день наиболее обобщающей и наиболее эвристически плодотворной моделью, описывающей взаимные переходы

24

порядка и хаоса в эволюции систем. «Хаос есть способ самообновле-

ния». (Ф. Варела)

Синергетика дополняет системный подход изучением сложных структур, находящихся вдали от равновесия. Из кибернетики и системного анализа известно о существовании в системе некоторых механизмов коллективного взаимодействия – положительных и отрицательных обратных связей. Отрицательные обратные связи создают системы как устойчивые, консервативные, стабильные объединения элементов. В XX веке теория управления, кибернетика, экономика, политология и другие дисциплины уделяли значительное внимание механизмам, обеспечивающим отрицательные обратные связи. Однако когда система уходит от равновесия, доминирующую роль начинают играть положительные обратные связи, которые не подавляют, а усиливают индивидуальные движения составляющих. Флуктуации, незначительные прежде процессы, малые движения выходят на макроуровень.

При исследованиях сложных нелинейных систем можно выделить два различных подхода в зависимости от того, на что в первую очередь направлено внимание исследователя.

Первый подход строится на модели структурно устойчивой системы с единственной кризисной точкой – точкой бифуркации, практически всегда находящейся в состоянии гомеостаза. Это взгляд наблюдателя извне. В арсенале синергетических методов такая ситуация описывается в рамках теории катастроф.

В другом случае – это взгляд на процесс самоорганизации изнутри, когда наблюдатель включен в систему и его наблюдение за нестабильной системой, диалог с ней вносят неконтролируемые возмущения. Соответствующий аппарат развивается на базе теории динамического, или детерминированного хаоса. В этих направлениях известны работы российского математика В.И. Арнольда и французского математика Р. Тома, в которых развивается математический аппарат для описания катастрофических синергетических процессов. Известны также работы Н.Н. Моисеева, разрабатывавшего идеи универсального эволюционизма и

25

коэволюции человека и природы, работы биофизиков, М.В. Волькенштейна и Д.С. Чернавского.

На основе синергетической концепции разработан новый подход к аналитическому конструированию многосвязных систем управления многомерными динамическими объектами, опирающийся на идею инвариантных многообразий – аттракторов, представляющих собой устойчивые состояния системы, на которых наилучшим образом согласуются свойства объекта и требования задачи управления.

Современная синергетика стала признанным междисциплинарным направлением исследования сложных систем. Синергетику можно рассматривать и как развитие идей системного подхода и как развитие кибернетики, особенно в тех ее разделах, которые касаются описания процессов коммуникации и самоорганизации с использованием принципа обратной связи.

Оценивания в целом роль теории систем на современном этапе, можно обратиться к словам новосибирских ученых Ф.И. Перегудова и Ф.П. Тарасенко: «… наибольшую ценность общей теории систем представит не столько ее математическое оформление, сколько разработка целей и задач системных исследований, развитие методологии анализа систем, установление общесистемных закономерностей».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назовите основные причины, обусловившие развитие системных исследований.

2.Каким образом менялись представления о причинно-следственных отноше-

ниях с развитием системных воззрений?

3.Какова роль тектологии А.А. Богданова в развитии теории систем?

4.Охарактеризуйте период развития прикладных системных исследований.

5.Назовите и охарактеризуйте основные принципы общей теории систем,

сформулированные Л. Берталанфи.

6.Что такое синергетика? Какое место она занимает в современной науке?

7.Каково влияние идей кибернетики на формирование системных воззрений?

26

3.СИСТЕМА. СИСТЕМООБРАЗУЮЩИЕ ПОНЯТИЯ

ИОПРЕДЕЛЕНИЯ

Хороший словарь должен изменять господствующий образ мыслей. (Д. Дидро)

Верно определяйте слова, и вы освободите мир от половины недоразумений. (Р. Декарт)

3.1. КАТЕГОРИИ И ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ

Понятийный аппарат теории систем включает несколько сотен понятий, определений, категорий и постоянно расширяется и уточняется [4, 5, 20, 26]. Основу для определения системы составляют базовые понятия и категории системного подхода и теории систем, к которым относятся:

целое – форма существования системы в определённом качестве, выражающем её независимость от других систем. Целое – это завершённое, состоящее из органично взаимосвязанных между собой частей;

целостность – свойство однокачественности системы как целого – основа стабильности, постоянства системы;

множество – набор каких-либо объектов, обладающих общим для всех характерным свойством;

совокупность – сочетание, объединение, общий итог чего-

либо;

организация – свойство объектов обнаруживать взаимозависимое поведение частей в рамках целого. Организация характеризуется упорядоченностью системы в соответствии с системообразующим фактором.

Центральное место в теории систем занимают термины система

ивнешняя среда.

Понятие «система» используют в тех случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объект как нечто це-

27

лое (единое), сложное, о котором невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав математическим выражением.

Внешняя (окружающая) среда – это совокупность внешних условий функционирования систем.

Если для архитектора дом плюс отопительная система плюс электросистема плюс водоснабжение – одна большая система, то для инженера-теплотехника системой является отопительная система, а само здание есть внешняя среда. Для социолога – семья есть система, а дом, квартира – это окружение, или внешняя среда для этой семьи.

Если внутренние связи в системе в некотором смысле «сильнее» внешних, то система может существовать как таковая и являться подсистемой большей системы. Если же внутренние связи ослабевают и увеличивается сила или число внешних связей с отдельными элементами (подсистемами данной системы), то целостность нарушается, и система в рамках большей системы перестает существовать как целое.

Один из основоположников системного подхода – Р.Л. Акофф считал, что термин «система» используется для обозначения обширного класса явлений. Системой он определял любую сущность, кон-

цептуальную или физическую, которая состоит из взаимозависимых частей. Так, например, говорят о философских системах, системах чисел, системах связи, системах управления, системах образования, системах оружия. Некоторые из названных систем являются концептуальными конструкциями, другие – физическими сущностями.

Первоначально слово «система» было связано с формами соци- ально-исторического бытия. Позднее принцип порядка, идея упорядочивания переносится на Вселенную и затем на физические и искусственные объекты. Наука эпохи Возрождения выработала понятие

концептуальной системы. Ее важнейшие категории – вещь и свой-

ства, целое и часть, субстанция и атрибуты.

Л. фон Берталанфи определил систему как «комплекс взаимодействующих компонентов» или как «совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой».

28

А.И. Уемов предложил характеризовать систему через системообразующее отношение, интерпретируемое на некотором множестве элементов.

Затем в определениях системы появляется понятие «цель». Вначале – в неявном виде: в определении Ф.Е. Темникова «система – организованное множество». В этом определении цель появляется при раскрытии понятия «организованное», потом – в виде конечного результата, системообразующего критерия, функции (определения В.И. Вернадского, У.Р. Гибсона, П.К. Анохина), а позднее – и с явным упоминанием о цели.

Внекоторых определениях уточняются условия целеобразования через окружающую среду и интервал времени, в пределах которого будет существовать система и ее цели. Так, например, по определению В.Н. Сагатовского, система – «конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с определенной целью в рамках определенного временного интервала».

Вматематике система – это множество, на котором реализуется заранее заданное отношение с фиксированными свойствами.

Винформационном смысле система рассматривается как совокупность моделей и отражает семантику предметной области в отличие от неинтерпретированных частных математических моделей.

Другими словами, система – это совокупность взаимосвязанных элементов, обладающая интегративными свойствами, а также способ отображения реальных объектов.

Определение любого объекта окружающей материальной и идеаль- нойдействительностикакобъекта-системыдалЮ.А. Урманцевв1968г.

Объект-система – это композиция, или единство, построенное по отношениям (в частном случае – взаимодействиям) r множества отношений {R} и ограничивающим эти отношения условиям z мно-

жества {Z} из первичных элементов m множества{M}, выделенного

по основаниям a множества оснований {A} из универсума U . При

этом множества {A},{R},{Z}, как порознь, так и совместно, могут

29

быть пустыми или содержать 1, 2, …, бесконечное число одинаковых или разных элементов.

Несмотря на внешнюю громоздкость данного определения оно отличается строгостью и одновременно простотой. На самом деле – система декларируется как некое единство, а не любая совокупность переменных, что вполне отвечает общепринятым интуитивным представлениям. В системе предполагаются отношения (взаимодействия) между единичными (неделимыми на данном уровне рассмотрения) элементами, которые, в свою очередь, выделяются не произвольно, а лишь по вполне определенным основаниям. Сами же отношения при этом не любые, а ограничиваются некоторыми условиями (законами композиции), что устраняет неопределенность на стадии их установления. Более того, в определении допускается существование пустых систем (нуль в математике, пустота в физике и т.д.).

Далее в определение системы начинают включать, наряду с элементами, связями и целями, наблюдателя, т.е. лицо, представляющее объект или процесс в виде системы при их исследовании или принятии решения.

На необходимость учета взаимодействия между изучаемой системой и исследователем указывал еще У.Р. Эшби, но первое определение, в которое в явном виде включен наблюдатель, дал Ю.И. Чер-

няк. «Система есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания.»

Таким образом, эволюцию определения системы можно выразить последовательностью: элементы и связи, затем – цель, затем – наблюдатель.

Следует отметить, что на разных этапах представления объектов в виде систем можно пользоваться разными определениями, учитывая конкретные особенности проблемы, ради решения которой создается система.

В качестве «рабочего» определения понятия системы в литературе по теории систем часто рассматривается следующее.

30