Учебное пособие по ТСиСА

Минобрнауки России

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный инженерно-экономический университет»

Тарзанов В.В., Стельмашонок В.Л.

ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Санкт-Петербург

2013

УДК

ББК

Утверждено редакционно-издательским советом СПбГИЭУ в качестве учебного пособия по дисциплине «Теория систем и системный анализ» для направления – 090900 Информационная безопасность

Рецензенты:

Тарзанов В.В., Стельмашонок В.Л.

Теория систем и системный анализ. Учебное пособие/ В.В. Тарзанов, В.Л.Стельмашонок. – СПб.: 2012. - 346 с.

ISBN

Учебное пособие предназначено для обучения бакалавров направления «Информационная безопасность» по дисциплине «Теория систем и системный анализ». В пособии рассматриваются основные положения общей теории систем и системного анализа, принципы и этапы разработки моделей сложных процессов и систем. Дается общая характеристика методов анализа и синтеза систем.

УДК

ББК

ISBN

© СПБГИЭУ, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………..

Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ

1.1.Понятие системы. Системообразующие свойства……...

1.2.Закономерности сложных систем………………………..

1.3.Понятие структуры системы. Типы структур и их

Раздел 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

2.1.Понятие системного анализа……………………………

2.2.Понятие о методике системного анализа……………...

2.3.Задача выбора (принятия решения)……………………

Раздел 3. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ

3.1. Понятие модели. Цели, задачи и принципы моделирования…………………………………………

3.2.Классификация моделей………………………………

3.3.Общий порядок разработки моделей…………………

Раздел 4. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ

4.1. Топологические свойства структур, представленных

графами…………………............................................ .........

4.2. Показатели топологических свойств структур-графов......

4.3. Комплексный показатель качества организации

структуры..............................................................................

4.4. Идентификация структур…………………………..............

4.5. Топологические свойства структур, представленных

ориентированными графами...............................................

4.6. Показатели топологических свойств

структур-орграфов…………………………………………

4.7.Комплексный показатель организации взаимодействия

вструктуре............................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………..

ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Рабочая программа дисциплины «Теория систем и системный анализ» направлена на изучение теоретических основ, методов и средств общей теории систем и системного анализа.

Развитие современной науки привело к возникновению таких понятий, как большие и сложные системы, обладающие специфическими для них проблемами. Необходимость решения этих проблем вызвала к жизни множество приемов, методов, подходов, которые постепенно накапливались, развивались, обобщались, образуя, в конце концов, определенную технологию преодоления количественных и качественных сложностей. В разных сферах практической деятельности возникали такие ситуации, а соответствующие технологии вместе с их теоретическими основами получали разные названия: в инженерной деятельности — « методы проектирования», «системотехника»; в военных и экономических вопросах — « исследование операций»; в административном и политическом управлении — « системный подход», «политология»; в прикладных научных исследованиях

— « системное моделирование», «методология эксперимента» и т.д.

С другой стороны, теоретическая мысль на разных уровнях абстракции отражала системность мира вообще и системность человеческого познания и практики.

В начале 80-х годов прошлого века уже стало очевидным, что все эти теоретические и прикладные дисциплины образуют как бы единый поток, «системное движение». Системность стала не только теоретической категорией, но и осознанным аспектом практической деятельности. Поскольку большие и сложные системы по необходимости стали предметом изучения, управления и проектирования, потребовалось обобщение методов исследования систем и методов воздействия на них. Должна была возникнуть некая прикладная наука, являющаяся «мостом» между абстрактными теориями системности и живой системной практикой. Она и возникла - сначала в разных областях и под разными названиями, но в последние годы оформилась в науку, которая получила название «системный анализ». Хотя системный анализ находится в развитии, сегодня он выступает уже как самостоятельная дисциплина, имеющая свой объект исследования (систему), накопившая достаточно мощный арсенал средств и обладающая значительным практическим опытом.

Особенности современного системного анализа вытекают из самой природы сложных систем. Имея в качестве цели ликвидацию проблемы или, как минимум, выяснение ее причин, системный анализ привлекает для этого широкий спектр средств, использует возможности различных наук и практических сфер деятельности. Являясь по существу прикладной дисциплиной, системный анализ придает большое значение методологическим аспектам любого системного исследования. С другой стороны,

прикладная направленность системного анализа приводит к использованию всех современных средств научных исследований — математики, вычислительной техники, моделирования, натурных наблюдений и экспериментов.

В ходе исследования реальной системы обычно приходится сталкиваться с самыми разнообразными проблемами. Однако быть профессионалом в каждой из них невозможно одному человеку. Выход видится в том, чтобы тот, кто берется осуществлять системный анализ, имел образование и опыт, необходимые для опознания и классификации конкретных проблем, для определения того, к каким специалистам следует обратиться для продолжения анализа. Это предъявляет особые требования к специа- листам-системщикам: они должны обладать широкой эрудицией, раскованностью мышления, умением привлекать людей к работе, организовывать коллективную деятельность.

Самая же сложная и интересная часть системного анализа — это «вытаскивание» проблем из реальной жизни, отделение важного от несущественного, поиск правильной формулировки для каждой из возникающих задач. Но это уже почти искусство.

Данное учебное пособие формирует тот понятийный и методологический фундамент, без которого невозможно овладеть этим искусством.

Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ

1.1. Понятие системы. Системообразующие свойства Центральной концепцией теории систем, кибернетики, сис-

темного анализа и всей системологии является понятие системы. Термин система чаще всего используется в тех случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый объект как нечто целое

(единое), сложное, о котором невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав математическим выражением. Любое определение термина – это языковая модель и, следовательно, различия целей и требований к модели системы приводят к разным определениям. Кроме того, разная языковая среда, в силу ингерентности моделей (степени согласованности, приспособленности к окружающей среде), также обуславливает видоизменение определений.

Наиболее общее и универсальное определение системы можно получить, рассмотрев системообразующие свойства, т.е. свойства без которых объект исследования нельзя считать системой. Такими свойствами являются:

наличие цели;

целостность и делимость;

эмерджентность;

существенность связей;

организация.

Любая система является средством достижения цели. На этом принципе были построены все первые определения системы. В живой природе нет бесцельно функционирующих систем. Поэтому наличие цели (целей) является обязательным атрибутом системы, отличающим ее от любого другого объекта. Понятие «цель» и связанные с ним понятия целесообразности, целенаправленности лежат в основе развития систем. Процесс целеобразования и соответствующий ему процесс обоснования целей всегда находились в фокусе философии и теории познания. Анализ определений цели и связанных с ним понятий показывает, что в зависимости от стадии познания объекта в понятие «цель» вкладывают различные оттенки – от идеальных устремлений (типа цель – выражение активности сознания), до конкретных целей – конечных результатов, достижимых в пределах некоторого интервала времени.

Ученые Л.А. Растригин и П.С. Граве под целью понимают «модель желаемого будущего». При этом модель понимается в широком смысле слова. Несколько усовершенствовав это определение, БСЭ давало такое определение цели: «цель – заранее мыслимый результат сознательной деятельности …».

Будучи объединенными, взаимодействующие элементы образуют систему, которая обладает внешней и внутренней целостностью. Внешняя целостность означает обособленность от окружающей среды, а внутренняя предполагает некоторое природное единство элементов системы. Это позволяет отделить систему от

простого набора (конгломерата, множества) произвольных элементов. С другой стороны, система, как результат агрегирования составляющих ее элементов, должна допускать возможность декомпозиции, т.е. разбиения (деления) ее на составные части. При этом существенными здесь являются понятия элементов, подсистем и компонентов. Под элементом принято понимать простейшую, неделимую часть системы. Однако ответ на вопрос, что конкретно представляет собой эта часть, может быть неоднозначным. Например, в качестве элементов стола можно назвать ножки, ящики, крышку и т.д., а можно – атомы, молекулы, в зависимости от того, какая задача стоит перед исследователем. Иными словами систему можно расчленять на элементы различными способами, и это зависит от решаемой задачи, т.е. элемент – это предел декомпозиции системы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи.

Иногда система не может быть сразу разделена на составляющие, являющиеся пределом ее расчленения, т.е. на элементы. В таких случаях используют другие термины, предусмотренные в теории систем: подсистемы, компоненты.

Понятие «подсистема» подразумевает, что выделяется относительно независимая часть системы, обладающая системообразующими свойствами, и в частности, подцель, на достижение которой ориентирована подсистема. Если же части системы обладают системообразующими свойствами, а представляют собой