Системный анализ

Системный анализ

Курс лекций

В этой связи особенно показательна модель атома, пред­ ложенная Н. Бором, который просто не стал рассматривать вопрос, почему электроны не «падают» на атомное ядро, как это было бы положено по классическим физическим законам макромира. Таким образом, классическая физика предстала не более чем эмпирическим обобщением фактов, характери­ зующих определенный уровень строения материи. Механи­ стическая картина мира лишилась своей универсальности.

Во-вторых, даже в тех случаях, где принципиально ре­ дукция сложных явлений к простым физическим процессам была теоретически возможна, она не всегда помогала эти явления таким образом формально описать. Аппарат диффе­ ренциальных уравнений, обслуживающий запросы классиче­ ской физики, оказался бессильным при решении задач, где количество переменных было больше трех-четырех, правые части уравнений были нелинейными, а количество управ­ ляющих воздействий (в терминологии классической физики «причин» того или иного поведения сложной системы) также было больше трех.

Аналитического решения подобных систем уравнений не находилось, а появившиеся позже численные методы, поз­ волившие довести размерность решаемых систем уравнений до нескольких десятков, также оказались бессильными при решении систем, состоящих из сотен уравнений для сотен переменных.

В этой связи интересным примером является то, что все химические законы, формально говоря, вытекают из уравне­ ния Шрёдингера, которое, однако, практически невозможно решить при описании реакций даже простых соединений.

Но уравнения именно такой и даже большей степени сложности и размерности надо было решать, чтобы опи­ сать поведение биологических, экологических, экономиче-

12

Предпосылки возникновения системного анализа

Лекция 1

ских и социальных систем. Кроме того, в процессе описания вышеупомянутых систем необходимо было учитывать такие принципиально не рассматривающиеся в рамках ньютонианской научной парадигмы моменты, как активное целеполагание отдельных элементов системы.

Иными словами, ньютонианская по своему духу наука на рубеже XIX и XX вв. оказалась не в силах решить целый ряд весьма актуальных проблем. Одновременно сам базис данной научной картины мира — классическая физика — сама пребывала в глубоком кризисе.

Таким образом, попытки описать все имеющиеся сложные системы с помощью редукции их к сумме некоторых простых элементов и применить для описания этих систем аппарат классической физики и математики потерпели крах. Однако предыдущие примеры эффективного решения целого ряда практических, технических задач уже показали практикам эф­ фективность научного подхода как такового. Перед учеными встала проблема создания новой научной методики и методо­ логии, адекватной специфике поведения сложных систем.

Первой попыткой создания такого рода методологии мож­ но считать работы нашего соотечественника А. А. Богданова, который, начиная с 1912 г. и до самого конца своей жизни — 1928 г., широко разрабатывал основы новой науки — тектологии. Основы тектологии или всеобщей науки об организации были изложены им в книге «Всеобщая организационная наука (тектология)».

Первые части данной книги, опубликованные в 1912 г., вызвали резкую критику Ленина в его работе «Материализм и эмпириокритицизм». Если не вдаваться в подробности, то Ленину очень не понравились структурные методы описания сложных систем, которые зачастую не требовали детального изучения физических механизмов реализации той или иной структуры.

13

Системный анализ

Курс лекций

А так как структура, в отрыве от описания физической сути элементов системы, этой структурой объединенных, есть конструкция идеальная, то такой подход мог «играть на руку идеализму». Разумеется, для Ленина подобное было неприем­ лемо. Благодаря ленинской критике работ Богданова, о резуль­ татах его исследований в России забыли. Сам А. А. Богданов, врач по образованию, трагически погиб в 1928 г., участвуя в опытах по переливанию крови.

Не вдаваясь в детали научных результатов А. А. Богдано­ ва, подчеркнем, что он настаивал на том, что его подход есть общенаучная методология, а не философия. «Мой исходный пункт, — пишет А. А. Богданов, — заключается в том, что струк­ турные отношения могут быть обобщены до такой же степе­ ни формальной чистоты схем, как в математике отношения величин, и на такой основе организационные задачи могут решаться способами, аналогичными математическим» [2].

Изучение и прогнозирование «динамики элементов», свойственных механистическому подходу, заменялись, таким образом, изучением и прогнозированием «динамики струк­ тур». Количественные характеристики как таковые, однако, не отрицались. Просто количественные методы стали носить подчиненный характер.

Хотя его «Тектология» была переведена в конце 20-х гг. на немецкий язык, официально признанные основатели систем­ ного анализа — Людвиг фон Берталанфи и Росс Эшби — на Бог­ данова в своих основополагающих работах не ссылались.

Людвиг фон Берталанфи выдвинул основную идею своей «Общей теории систем» в 1937 г. в лекциях на философском семинаре Чикагского университета. Будучи биологом по об­ разованию, Берталанфи остро ощущал ограниченность воз­ можностей классической ньютонианской физики в решении биологических проблем.

14

Предпосылки возникновения системного анализа

Лекция 1

Занимаясь междисциплинарными исследованиями, Берталанфи убеждался, что объединить различные исследова­ тельские программы в рамках одного проекта чрезвычайно трудно, если пытаться сделать это на основе изучения «физи­ ческой» специфики отдельных элементов сложной системы, например, системы типа «человек — машина».

Междисциплинарные исследования гораздо эффективнее протекали, если принимался другой принцип изучения про­ блемы — поиск общих закономерностей поведения систем принципиально различной природы. Например, одни и те же дифференциальные уравнения описывают движение жидко­ стей, теплоты и тока в проводах. Еще большее число общих закономерностей, в отличие от приведенного примера, можно найти в поведении сложных систем различной природы, ес­ ли попытаться описать их с помощью аппарата современных отраслей математики — кибернетики, теории информации, теории игр, аксиоматической теории принятия решений, фак­ торного анализа и т. п.

Таким образом, применение современных математиче­ ских методов, объединенных в рамках математической кибер­ нетики и исследования операций, позволяло найти общий подход к описанию систем различной физической приро­ ды. Следует подчеркнуть, что сами по себе задачи описа­ ния систем, состоящих из элементов различной физической природы, появились из непосредственной практики решения проблем управления. И, прежде всего, управления системами типа «человек — машина».

В этой связи сам Берталанфи в своей работе [32] при­ водит ставший классическим «пример аэропорта», когда фи­ зическая техника полета и технические характеристики со­ временных самолетов, которые можно считать весьма совер­ шенными, приходят в вопиющее противоречие с организаци­ онными принципами перевозки пассажиров. Примитивность

15

Системный анализ

Курс лекций

организации характеризуется часами ожидания в аэропорту и очередями на посадку, в то время как сам полет отнимает зачастую гораздо меньшее время.

Аналогичные по сути проблемы возникали и были осо­ знаны во время Второй мировой войны. Различные спосо­ бы применение однотипного вооружения давали существен­ но разные результаты. Выбор оптимальной стратегии давал огромные преимущества, даже несмотря на недостаток мате­ риальных средств.

Например, оказывалось, что потери судов в конвойных операциях в гораздо большей степени определяются выбо­ ром размеров конвоев, чем характеристиками судов. Имен­ но задача оптимальной организации конвоев стала первой задачей широко известной исследовательской фирмы «Рэнд корпОрейшен».

Подобные задачи Берталанфи группировал в три вида проблем, и соответственно три вида системных исследований:

1)Инженерия систем, т.е. научное планирование, проекти­ рование, оценка и конструирование систем «человек — машина».

2)Исследование операций, т. е. научное управление суще­ ствующими системами людей, машин, материалов, ве­ ществ, денег и т. п.

3)Человеческая инженерия, т.е. научная адаптация систем, и особенно машин, для получения максимальной эффек­ тивности при минимальных затратах.

Системный подход в решении всех перечисленных про­ блем находится в таком же соотношении с «механистическим» подходом, в каком системная инженерия находится с конкрет­ ным технологическим проектированием конкретных изделий.

Из построений Берталанфи следует однозначный вывод, что на современном этапе организационные аспекты практи-

16

Предпосылки возникновения системного анализа

Лекция 1

ческой деятельности требуют не менее пристального внима­ ния, чем технологические в узком смысле этого слова. Следует отметить, что современная наука и практика многократно под­ тверждали правоту Берталанфи.

Таким образом, к началу 70-х гг. системный анализ стал основой управления в экономике, политике, военном деле. В науке системный анализ стал основной методологией в эко­ номике, экологии, социологии, демографии, ряде разделов медицины.

По причине забвения идей А. А. Богданова в СССР, а так­ же в силу идеологического давления на науку, что в частности выразилось в объявлении в 50-х гг. кибернетики «наемной дев­ кой империализма», советские ученые несколько отставали в системных исследованиях от своих западных коллег. Однако запросы практики (в основном касающиеся принципов про­ ектирования больших человеко-машинных систем военного назначения) привели в конечном итоге к признанию и кибер­ нетики, и системного анализа в СССР.

Признанию системного подхода способствовали также сильные традиции междисциплинарных исследований и син­ теза научного знания, столь свойственные русской науке (что проявлялось в работах таких корифеев, как Менделе-1, ев, Вернадский, Докучаев, Чижевский и т.п.).

В 70-х гг. системные исследования в СССР идут все ин­ тенсивнее. Объектом их становятся как отдельные сложные конкретные человеко-машинные системы, так и большие со­ циально-экономические и экологические системы. Во второй половине 70-х гг. ведущие системные коллективы объединяют­ ся в рамках Всесоюзного института системных исследований АН СССР (ВНИИСИ АН и ГКНТ СССР) - ныне Институт системного анализа РАН (ИСА РАН).

Следует отметить, что разрабатываемые в рамках систем­ ного анализа методы были бы нереализуемы, если бы к сере-

17

Системный анализ

Курс лекций

дине XX в. не были созданы те отрасли математики, которые объединены в рамках математической кибернетики и иссле­ дования операций. Появление вычислительных машин также способствовало реализации методологии системного анализа, ибо подавляющее большинство математических задач систем­ ного анализа не имеют аналитических решений и разрешимы только численными методами.

Стоит подчеркнуть, что эти новые отрасли математики стремятся, в частности, формализовать дискретный характер поведения сложных систем, в отличие от традиционной мате­ матики, изучающей непрерывные процессы, описывая кото­ рые можно применять дифференциальные уравнения и дру­ гие математические методы, связанные с понятиям пределов, непрерывности, предельных переходов и т. п.

Не следует, однако, смешивать системный анализ с ма­ тематическими методами решения системных задач. Чтобы применить тот или иной математический аппарат необхо­ димо сначала сформулировать соответствующую задачу. Как показывают результаты системных исследований последних десятилетий, одну и ту же задачу можно попытаться решить с помощью различных математических методов.

Поэтому сама по себе структуризация проблемы, поста­ новка конкретной задачи, выбор наиболее адекватного специ­ фике задачи и специфике системного объекта типа математи­ ческого описания являются самостоятельными проблемами. Именно методология и методика их решения и является сутью системного анализа. Таким образом, приемы системного ана­ лиза обеспечивают успешное решение задач так называемого «предмодельного» этапа исследований. С практической точки зрения системные методы наиболее эффективны на предпроектных этапах.

Изучение системного анализа поэтому целесообразно строить, исходя из специфики задач в отличие от изучения

18

Предпосылки возникновения системного анализа

Лекция 1

математической кибернетики и исследования операций, ко­ торые призваны показать, как решать уже формализованные задачи, исходя из специфики математического аппарата, уже к этому моменту выбранного.

Существует много афористических, шутливых определе­ ний системного анализа, которые, тем не менее, помогают понять его суть. Приведем некоторые из них. Системный анализ — это кибернетика без математики, формализован­

ный здравый смысл, предпроектная стадия в разработках и предмодельная стадия в научных исследованиях.

Наиболее афористично охарактеризовал системный прин­ цип принятия решений и проектирования (в широком смысле этого слова) известнейший русский ученый Н. В. Тимофеев-Ре­ совский. Согласно его мнению: «Системный анализ, это когда сначала думают, а потом делают» (выделено нами). Добавим, что под «делом» в данном случае подразумевается и чисто научная либо конструкторская работа, в частности математи­ ческое решение уже сформулированной задачи.

Практическая доктрина системного подхода — противовес «ползучему эмпиризму завхозов-практиков», научное обосно­ вание решений, по одновременно предполагающая минимум научности, достаточный только для принятия решения.

Отсюда научная доктрина системного анализа — практи- ческо-управленческое видение научных проблем, стремление минимизировать их описание и применить для их решения наиболее простой, по возможности, формальный аппарат. Ис­ кусство системного анализа — это, прежде всего, умение макси­ мально просто сформулировать проблему, используя наиболее общие свойства сложных систем.

Интересно заметить, что на Западе часть специалистов по компьютерному моделированию в 1980-х и 1990-х гг. на­ зывали «аналитиками» в противовес собственно «программи­ стам». Аналитики как раз и изучают объект моделирования,

19

Системный анализ

Курс лекций

предлагают структуру модели, в значительной степени зави­ сящую и от целей моделирования. Программисты уже пипгут алгоритм предложенной модели, проводят идентификацию (определение) ее параметров, создают компьютерную реали­ зацию данной модели. Работа аналитика как раз и является прерогативой специалиста по системному анализу.

Ту же роль, что играют аналитики при разработке ком­ пьютерных моделей, выполняют инженеры-системотехники при конструировании сложных технических систем.

Исходя из приведенных характеристик системного анали­ за, наш курс будет строиться по следующей схеме. Вначале мы рассмотрим специфику поведения сложных систем. А затем покажем, какие объекты можно представить как сложные си­ стемы, какие методы формального описания в тех или иных случаях для тех или иных объектов целесообразнее приме­ нять. При этом, исходя из специфики объектов и задач, мы будем характеризовать границы применимости тех или иных методов.

Следует подчеркнуть, что хотя изложение системного анализа невозможно без обращения к тем или иным отраслям математики, мы, тем не менее, будем стремиться к этому в минимально необходимых пределах. Наш курс ни в коей мере не дублирует соответствующие математические курсы. Ибо, еще раз подчеркнем, системный анализ предшествует применению математических методов (когда это возможно). Однако это не снижает его ценность.

Ибо без системного изучения задачи применение ма­

тематических методов к исследованию сложных систем в подавляющем большинстве случаев просто невозможно.

Более того, иногда системная структуризация сложной проблемы сама по себе — максимально возможная стадия ее формализации.

20