Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория системного анализа и принятия решений в БЖД. Учебное пособие
.pdf
В. Л. ГОРОХОВ, В. В. ЦАПЛИН
ТЕОРИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В БЖД
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
В. Л. ГОРОХОВ, В. В. ЦАПЛИН
ТЕОРИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В БЖД
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2016
1
УДК 002.53:004.89
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор А. Н. Жуковский (Петербург-
ский государственный университет);
д-р техн. наук, профессор Т. А. Дацюк (СПбГАСУ)
Горохов, В. Л.
Теория системного анализа и принятия решений в БЖД:
учеб. пособие / В. Л. Горохов, В. В. Цаплин; СПбГАСУ. – СПб.,
2016. – 108 с.
ISBN
978-5-9227-0631-5
Содержит краткое изложение основ системного анализа применительно к проблемам безопасности жизнедеятельности, безопасности в техносфере, управления и мониторинга техногенными рисками.
Предназначено для всех студентов, изучающих курс БЖД, студентов,
обучающихся по направлению 280700 «Техносферная безопасность» по профилю «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» при изучении дисциплин «Теория системного анализа и принятия
рисками, системный анализ и моделирование», «Планирование и обработка
экспериментов», «Инфокоммуникационные системы техносферной безопасности», «Когнитивные технологии управления рисками в техносфере»,
а также для учащихся, изучающих раздел «Техносферные аспекты БЖД»
курса БЖД.
Ил. 2. Библиогр.: 12 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0631-5
В. Л. Горохов, В. В. Цаплин, 2016
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2016
решений в БЖД», «Управление
2
Предисловие
Настоящее пособие содержит материалы, излагаемые в дисциплинах «Теория системного анализа и принятия решений»
и «Теоретические основы анализа техносферной безопасности».
Эти материалы, относящиеся к математическому и естественнонаучному циклу учебного плана направления подготовки бакалавров
280700 «Техносферная безопасность», позволят сформировать базовые системные знания для изучения и анализа техно- и
биосферы.
Дисциплины призваны дополнить и развить знания, изложенные
в предыдущих курсах физики, математики и экологии, давая возможность аналитического описания техносферы средствами математической статистики, теории систем, теории управления и статистической термодинамики. Несмотря на наличие фундаментальных
монографий, отражающих содержание этих курсов, в настоящее
время отсутствует лаконичное и доступное введение в
данную тематику, объединяющее описание основ теории систем и статистическую термодинамику сложных открытых систем.
Таким образом, существует потребность в написании кратких
тезисных разделов по системотехнике и статистической термодинамике для студентов, обучающихся по направлениям «Безопасность жизнедеятельности» и «Техносферная безопасность».
В пособии, кроме того, рассматриваются системные особенности, присущие
техносфере, и взаимосвязь с географическими моделями Земли, необходимые для формирования и понимания геоинформационных моделей техносферной безопасности.
Перечисленные знания необходимы для освоения последующих дисциплин профессионального цикла и факультативов, таких
как «Безопасность жизнедеятельности», «Надежность технических
систем и техногенный риск», «Управление техносферной безопасностью», «Охрана окружающей среды и природопользование»,
«Инфокоммуникационные
системы техносферной безопасности».
Изложенные в пособии материалы также используются в курсах
«Моделирование процессов и объектов для решения задач техносферной безопасности» и «Управление безопасностью природнотехнических систем».
3
Изложение материала разбито на относительно самостоятельные части (соответствующие модулям рабочих программ). Основная часть посвящена системному подходу к анализу техносферы
и описанию био- и техносферы на основе статистической термодинамики как фундаментальной естественнонаучной картины предметной области.
В пособии формируются теоретические основы системного
подхода к анализу техносферы и техносферной безопасности
. Излагаются основные практические принципы системотехники. Показывается ведущая роль методов математического моделирования,
вероятностных методов принятия решений и управления техносферной безопасностью.
Для удобства читателей материал пособия разбит на ряд блоков. Самые важные из них – это блоки Основная тема, в которых
излагается основной материал, необходимый для освоения дисциплины.
Блоки Прелюдия содержат вводные замечания, связанные
с общефизическими, математическими и экологическими аспектами изучаемых тем. Блоки Примеры представляют собой наглядные
и простые примеры, иллюстрирующие основной материал. Блоки
Интерлюдия содержат методические указания по расшифровке
и интерпретации терминов. Блок Крещендо – это дополнительные
сведения и интересные обобщения, предназначенные для любознательных.
При первоначальной работе
с пособием, проводимой в сжатые
сроки, можно ограничиться чтением только блоков Основная тема
и Примеры, обращаясь за разъяснениями в блоки Прелюдия и Ин-
терлюдия.
4
Введение
Основные законы ноксологии, безопасности жизнедеятельности, экологии, как и законы взаимодействия экологических систем
в биосфере либо законы взаимодействия техносферы с окружающей средой, являются непосредственным проявлением законов
системотехники и статистической термодинамики. Как показало
развитие синергетики, отдельные системные составляющие техно-
сферы (антропосферы), условно обозначаемые как геотехниче-
ские системы (или как антропотехнические
процессы мониторинга и дистанционного зондирования эколо-
гических систем также подчиняются законам теории систем
и статистической термодинамики. Кроме того, при управлении
техносферными рисками и мониторинге рисков основную роль
играют системные процессы.
Таким образом, техносферная безопасность, охрана окружающей среды и разработка экологически безопасных технологий
требуют отчетливых и ясных
представлений о законах современной
теории систем и статистической термодинамики неравновесных систем. Поэтому перейдем к тезисному представлению теоре-
тических основ системного подхода, который используется для
развернутого описания био- и техносферы средствами статистической термодинамики.
системы), а также
5
Гла в а 1. СИСТЕМНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОСФЕРЫ
Природа – древний храм. Невнятным языком
Живые говорят колонны там от века;
Там дебри символов смущают человека,
Хоть взгляд их пристальный давно ему знаком.
Шарль Бодлер
1.1. Основные понятия теории систем и системотехники
Интерлюдия
Бурное развитие современных когнитивных, био-, нано- и информационных (NBIC) технологий породило новые феномены в природе и обществе,
в сильной степени определяющие пути эволюции техно- и биосферы. Технологическое преображение социума породило инновационные связи в биосфере и обществе. Эти связи и определяющие их явления потребовали выдвижения новых научных парадигм
ющих адекватное описание этих новых феноменов. Новые фундаментальные
явления встречаются в физике, техносфере, биологии, ноксологии и экологии. Получив название сложных систем (примеры – мегаполисы, Интернет,
космические системы связи и вооружений и т. д.), эти явления с трудом поддаются описанию рамках традиционной парадигмы
с тем, что сложные системы (явления или объекты) обладают рядом уникальных фундаментальных свойств: уникальностью объектов, слабой пред-
сказуемостью и целенаправленностью поведения объектов и, как следствие, свойством саморепликации.
Принципиально новым подходом, способным обеспечить описание подобных явлений, является теория систем и системного анализа. Эта теория
родилась
неравновесных термодинамических систем, теория случайных процессов, теория катастроф (теория динамического хаоса).
занных с развитием современных технологий, и показали, что исследование
техносферы и техносферной безопасности немыслимо без использования системных методов. Поэтому далее следует
ных принципов и понятий. Ниже кратко излагаются математические формулировки основных положений теории систем, необходимые для работы
в данной области.
в тесном взаимодействии таких научных дисциплин, как теория
Успехи системного анализа позволили преодолеть ряд кризисов, свя-
в виде теории систем и системотехники, да-
точных наук. Это связано
формулировка основных систем-
6
Основная тема
Традиционно системой называют совокупность взаимодей-
ствующих элементов, которые в результате взаимодействия
приобретают принципиально новые свойства, присущие именно этой совокупности.
Эти свойства называют системными свойствами. (Другое
название свойств – эмерджентность.)
Как уже отмечалось, среди систем можно выделить те, что
называют сложными, или большими, системами. Такие системы
обладают рядом принципиальных
1) очень большое число элементов в системе (более 10
особенностей:
14
);
2) все элементы в системе взаимодействуют между собой
прямо или косвенно;
3) структуры связей элементов носят иерархический характер;
4) каждый элемент в системе может быть, в свою очередь,
сложной системой со своими системными свойствами и целями.
Наличие этих особенностей приводит к появлению принципиально новых свойств в этих сложных системах.
Уникальность – свойство, при котором каждая система не
имеет полных аналогов своего развития во времени.
Слабопредсказуемость – знание поведения объекта на одном
промежутке времени не позволяет предсказать поведение на другом промежутке времени.
Целенаправленность – система способна управлять своей энтропией при воздействии среды. В частности это проявляется
в свойствах сохранения системы как таковой
за счет самореплика-
ции, адаптации и эволюции.
Сложные системы могут иметь различную природу. Это
и традиционные физические системы (звезды, планеты, геологические, геофизические, географические объекты и т. д.), и технические системы (производство, энергетические системы, транспорт,
связь), и биологические (клетка, растение, животное, экологические
системы, биосфера), и социальные. Описание подобных сложных
систем потребовало выдвижения новой парадигмы – системного
подхода, основанного на сочетании достижений современной ма-
тематики (теории множеств, абстрактной алгебры, теории меры)
и физики (теории динамических систем, теории случайных процес-
7
сов, теории динамического хаоса, теории неравновесных открытых
термодинамических систем).
Системный подход предполагает сочетание современных ме-
тодов математики и экспериментальной науки (мониторинг), преследуя прагматические цели решения практических задач анализа
техносферы. На основе перечисленных достижений физики и математики выявляются закономерности и строятся математические
и кибернетические модели объектов техносферы.
Интерлюдия
Как отмечал И. Пригожин, мы переживаем глубинные изменения
в научной концепции природы и человеческого общества как сложной системы. Эти изменения породили потребность в новых системных отношениях между человеком и природой – так же, как и между человеком и человеком. Идеи о слабой предсказуемости, нестабильности и флуктуациях в слож
ных системах начинают проникать в социальные науки. Сегодня мы знаем,
что человеческое общество представляет собой необычайно сложную систему, способную претерпевать огромное число бифуркаций, что подтверждается множеством культур, сложившихся на протяжении сравнительно короткой
истории человеческого общества. Установлено, что столь сложные системы
обладают высокой чувствительностью по отношению к флуктуациям. Беспорядок и хаос, неопределенность и даже непредсказуемость, столкновение интересов и конкуренция, временность и постоянные перемены – это есть общий закон природы («порядок рождается из хаоса»). Человеческая популяция
была вынуждена научиться выживать в такой сложной обстановке. Та популяция, ч умеет использовать это свойство живой материи как сложной системы, может
непредсказуемость развития сложных систем техносферы, связана со свойством неоднозначности происходящих в сложных системах процессов.
достичь успеха. Системная концепция рисков, которая учитывает
-
Суть системного подхода состоит в том, что изучаемые объ-
екты (сложные системы) представляются в виде иерархического
набора взаимодействий между компонентами системы. Эти взаимодействия описываются (с помощью современных методов математики) в виде набора отношений между характеристиками компонентов системы и выступают как кибернетические модели
системы. Чтобы подчеркнуть, что и
сама система, и ее компоненты
(подсистемы) описываются набором характеристик (физических
величин, переменных, параметров, факторов), их часто при ана-
лизе называют объектами. Имеется в виду, что они выступают
в качестве объектов эксперимента и являются «источниками»
8
экспериментальных данных, которые превращаются (благодаря
процедурам обработки данных) в измеренные значения параметров.
В дальнейшем исследователь или инженер использует именно эти
кибернетические модели для принятия решений в отношении этих
объектов. Такой подход особенно полезен в ситуации, когда традиционная наука (на настоящий момент это так) не обладает детальным описанием сложных систем
в виде всеобъемлющих законов.
Таким образом, анализ техносферной безопасности предполагает использование системных методик и рабочих инструментов
системотехники для управления техносферой на основе мониторинга техносферных рисков. Поэтому ниже кратко излагаются основные принципы системотехники, необходимые для научного
описания техносферы. Это три принципа, объединяющие фундаментальные особенности существования и действия
сложных систем. Они основаны на широком экспериментальном материале
всего спектра естественных и математических наук, а также общественных соглашений.
1.2. Принципы теории систем
Основная тема
При системном описании техносферы и природы важно помнить о том, что многочисленные подсистемы (объектов, элементов
системы), из которых состоит система, сами могут выступать
в ро-
ли сложных систем (иерархическая структура систем). При этом
материальное окружение, с которым взаимодействует система, обозначается термином окружающая среда. Разумеется, подсистемы,
взаимодействующие с другими подсистемами, могут тоже описываться как «окружающая среда» для данной подсистемы. Взаимодействующие со средой системы называются открытыми. Закры-
тые (замкнутые) системы со средой не
взаимодействуют.
Под состоянием системы понимается упорядоченная совокупность параметров, определяющих ход происходящих в системе
процессов. Поведение систем есть развернутая во времени последовательность реакций системы на внешнее воздействие. По мере
развития технологий доля сложных систем в деятельности человечества возрастает. Вместе с ней растет и необходимость в описании
9
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]