Теория систем и системный анализ. Учебное пособие

Д. Н. Букин

ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

Учебное пособие

Специальности 080801 Прикладная информатика (в экономике), 230100 Информатика и вычислительная тех-

ника

2008

Содержание

Введение Раздел 1. Системы и закономерности их функционирования и развития

Лекция 1. Эволюция понятия системы Лекция 2. Система: определения, сущность, классификация

Лекция 3. Закономерности функционирования и развития систем Раздел 2. Методы и модели теории систем и системного анализа Лекция 4. Системный анализ: сущность, этапы, методология Лекция 5. Методы формализованного представления систем (МФПС)

Лекция 6. Методы, направленные на активизацию интуиции и опыта специалистов (МАИС)

Раздел 3. Цели и закономерности целеобразования Лекция 7. Цели и закономерности целеобразования

Лекция 8. Анализ целей управления в системах управления временем Заключение Литература

5

3

Введение

Современное состояние общества характеризуется внедрением достижений научно-технического прогресса во все сферы жизнедеятельности человека. Создание сложных технических систем, проектирование и управление сложными комплексами, анализ экологической ситуации, особенно в условиях агрессивного техногенного воздействия, исследование социальных проблем коллективов, планирование развития регионов и многие другие направления деятельности требуют организации исследований, которые имеют нетрадиционный характер. По ряду специфических признаков все перечисленные объекты прикладной деятельности обладают свойствами больших систем. Таким образом, в различных сферах деятельности приходится сталкиваться с понятиями сложных систем.

Системный анализ - это определенный тип научнотехнической деятельности, необходимый для исследования, разработки, управления сложными объектами. Наиболее часто он используется для практических приложений теории систем к задачам управления. Конструктивность системного анализа связана с тем, что он предлагает методику проведения работ, позволяющую не упустить из рассмотрения существенные факторы, определяющие построение эффективных систем управления в конкретных условиях с опорой на определенный теоретический фундамент.

Данный курс является междисциплинарным, поскольку обобщает методологию исследования сложных технических, биологических и социальных систем. Таким образом, решение вопросов проведения и организации системных исследований связано со специфическими проблемами, требующими для своего разрешения привлечения результатов широкого спектра научных дисциплин – философских, экономических, технических и т.д. Особое место в проведении анализа и синтеза сложных систем занимают математические методы.

Как научное направление теория систем возникла в 30-е гг. ХХ в. Ее основоположником принято считать Л. фон Берталанфи. Проведенные после публикации концепции Л. фон Берталанфи международные симпозиумы закрепили это направление как самостоятельное и расширили круг специалистов, принимавших участие в его развитии. В 60-е гг. ХХ в. при постановке и исследовании сложных проблем проектирования и управления довольно ши-

6

4

рокое распространение получил термин «системотехника», предложенный в 1962 г. Ф.Е. Темниковым. В 70-е гг. возникают такие междисциплинарные направления, как ситуационное моделирование, информационный подход к анализу систем, концептуальное метамоделирование и др. Несмотря на то, что все эти направления развиваются как самостоятельные, можно отметить их общую ориентацию на системные исследования.

В80-е гг. ХХ в. целый ряд теоретических и прикладных дисциплин приобретает общую направленность, образует «системное движение». Появляется объективная необходимость в возникновении прикладной науки, устанавливающей связь между абстрактными теориями системности и системной практикой. Это движение постепенно оформилось в науку, получившую название «системный анализ». В конце 80-х гг. данная дисциплина вводится в учебные планы отечественных вузов.

Внастоящее время методы теории систем и системного анализа получили широкое применение при перспективном и текущем планировании научно-исследовательских работ, проектировании объектов различной природы, управлении производственными процессами, прогнозировании развития отдельных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Следует отметить, что в настоящее время перед аналитиками ставится задача не просто разрешения той или иной проблемы, а выработка таких рекомендаций, которые гарантировали бы оптимальность решения. Кроме того, в ходе исследования реальной системы обычно приходится сталкиваться с самыми разнообразными проблемами; быть профессионалом в каждой из них одному человеку невозможно. Специалист, занимающийся системным анализом, должен иметь образование и опыт, необходимые для классификации конкретных проблем и определения перечня специалистов, способных решить конкретные задачи анализа. Это предъявляет особые требования к современным специалистамсистемщикам: они должны обладать широкой эрудицией, раскованностью мышления, умением организовывать коллективную деятельность.

Курс состоит из трех разделов. В первом изложены основы теории систем, включая терминологию, классификации систем, закономерности их функционирования и развития. Второй раздел рассказывает о принципах и структуре системного анализа как осо-

7

5

бого научного направления. В самостоятельном разделе (Раздел 3) рассмотрена проблема целеобразования и структуризации целей, раскрывается роль методов системного анализа в совершенствовании организационного управления.

8

6

Раздел 1. Системы и закономерности их функционирования и развития

Лекция 1. Эволюция понятия системы

На протяжении всей истории становления теории систем и системного анализа представления о системах и закономерностях их построения, функционирования и развития неоднократно уточнялись и переосмысливались. Для того чтобы правильно трактовать и использовать основные понятия теории систем, необходимо ознакомиться с эволюцией понятия системы.

Исторически термин «система» возникает в античности (в переводе с древнегреческого он означает «состоящее из частей») и включается в контекст философских поисков общих принципов организации мышления и знания. Для понимания генезиса понятия «система» принципиален момент включения мифологических представлений о Космосе, Мировом порядке, Едином и т.п. в контекст философско-методологических рассуждений. Так, сформулированный Аристотелем тезис о том, что целое больше суммы его частей, имел уже не только мистический смысл, но и фиксировал проблему организации мышления. Число у пифагорейцев и бытие у элеатов – начало, не столько объясняющее и описывающее мир, сколько выражающее точку зрения становящегося рациональным мышления и требования мыслить единство многого. По утверждению Платона, существующее единое есть одновременно и многое, и единое, и части, и целое. Таким образом, согласно Платону, только «единство многого», т.е. «система» может быть предметом познания. Только с учетом данного подхода можно понять отождествление системы с мировым порядком, предпринимаемое стоиками эллинистического периода.

Вплоть до начала XIX в. закрепляется чисто эпистемологическая трактовка понятия системы. И. Кант отмечал: «Под системой я разумею единство многообразия знаний, объединенных одной идеей».

В XX в. «системность» трактуется как свойство объектов познания. Развитие инженерного подхода и технологий открывает эру искусственно-технического освоения систем. Теперь они не только исследуются, но проектируются и конструируются. Одновременно с этим оформляется и организационно-управленческая установка: объекты управления также начинают рассматриваться как системы,

9

7

это приводит к выделению все новых и новых классов систем: целенаправленных, самоорганизующихся, рефлексивных и т.д. Термин «система» вводится в лексикон практически всех профессиональных сфер. Начиная с середины XX в. широко разворачиваются исследования по общей теории систем и разработки в области системного подхода. Во второй половине ХХ в. возникают такие междисциплинарные направления, как системотехника, ситуационное моделирование, информационный подход к анализу систем, концептуальное метамоделирование.

Существенно уточнить законы системного функционирования и системной эволюции позволяют современные исследования в области синергетики, связанные с установлением законов самоорганизации открытых нелинейных систем. Основными моментами данных исследований являются следующие:

1.В любой системе необходимы элементы разумного хаоса и спонтанности, без чего система теряет гибкость, способность адекватно реагировать на внешние возмущения (флуктуации). Иными словами, структура не должна быть ни слишком жесткой, ни слишком аморфной, а должна предоставлять свободу своим элементам в рамках определенного порядка. По мнению знаменитого ученого И. Пригожина, именно наличие хаоса позволяет системе переходить от одной структуры к другой.

2.Эволюция системы может быть направляема за счет точечных воздействий на ее базовые элементы и структурные зависимости, что намного эффективнее грубых внешних воздействий.

3.В критических точках бифуркации, т.е. в точках «ветвления» будущих сценариев развития системы, существует конечное число таких сценариев (их называют «аттракторами»). При попадании в точке бифуркации на «аттрактор» ее будущее развитие вновь в значительной степени становится предсказуемым. Возникает впечатление, что существуют некие идеальные сценарии развития системы в каком-то особом «пространстве целей».

10

8

Лекция 2. Система: определения, сущность, классификация

Потребность в использовании понятия «система» возникает для объектов различной природы в тех случаях, когда невозможно что-то продемонстрировать, изобразить, представить формулой и т.п., и нужно подчеркнуть, что это будет большим, сложным, не полностью сразу понятным, при этом целым, единым. Например, Солнечная система, система управления станком, система организационного управления предприятием (городом, регионом и т. п.), экономическая система, система кровообращения, система уравнений и система исчисления в математике и т.д.

Существуют несколько десятков определений этого понятия. Приведем некоторые из них.

Система - совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой (Л. фон Берта-

ланфи, [12]).

Система - совокупность условно первичных элементов, устойчивое многообразие взаимодействий и взаимосвязей между которыми придает ей целостный характер и определяет поведение

[5].

Система - категория, обозначающая объект, организованный в качестве целостности, где энергия связей между элементами системы превышает энергию их связей с элементами других систем

[11].

Рассматривая различные определения системы, необходимо осознавать, что на разных этапах представления объекта в виде системы, в различных конкретных ситуациях можно пользоваться разными определениями. Причем по мере уточнения представлений о системе ее определение не только может, но и должно уточняться. Таким образом, при проведении системного анализа нужно, прежде всего, сформулировать «рабочее» определение, которое может уточняться, расширяться, или сужаться в зависимости от хода анализа. При этом необходимо, чтобы лица, формирующие это «рабочее» определение системы, в одинаковом смысле использовали характеризующие его понятия. К таким понятиям относят понятия элемента, связи, структуры, цели, подсистемы. Рассмотрим их.

11

9

Под элементом принято понимать простейшую, неделимую часть системы. Однако ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднозначным. Например, в качестве элементов системы «стол» 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. Поэтому примем следующее определение: элемент - это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи.

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.

Связи можно охарактеризовать:

-направлением (направленные и ненаправленные);

-силой (сильные и слабые).

Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы несколькими из названных признаков.

Важную роль в моделировании систем играет понятие обратной связи. Обратную связь можно проиллюстрировать схемой:

где X(t) - закон или алгоритм (программа) управления; Хтреб - требуемое значение регулируемого параметра; Хi - фактическое значение регулируемого параметра;

Х - рассогласование между Хтреб и Хi.. Обратная связь может быть:

12

10