Основы системного анализа(текст лекций)

2

УДК 517 ББК 22.161

Р е ц е н з е н т ы:

Доктор технических наук, профессор В. Я. Карташов (Кемеровский государственный университет)

Кузбасское региональное отделение Российской академии естествознания

Основы системного анализа : текст лекций / сост. Ю. Е. Воронов ; Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2008. – 107 с.

ISBN 978-5-89070-604-1

Рассмотрены основные понятия прикладного системного анализа, а также основные методы, используемые в системном анализе: моделирование, строгие математические методы, алгоритмизация, слабоформализуемые и в принципе неформализуемые процедуры.

Владение основными понятиями, методами и процедурами системного анализа позволит студентам успешно осваивать учебный материал и решать возникающие проблемы.

Предназначено для студентов специальности 190701 – “Организация перевозок и управление на транспорте” и может быть использовано студентами других специальностей, а также аспирантами, научными работниками и преподавателями.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского государственного технического университета.

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время для большинства мыслящих людей совершенно ясно, что не существует отдельных, абсолютно обособленных, наук – физики, химии, биологии, математики и т.д. Все они тесно связаны друг с другом, постоянно контактируют, переходят друг в друга, образуя вместе некую единую систему знаний. Для обобщения всех этих знаний в некое неразделенное знание нужна наука, изучающая общие для всех конкретных наук закономерности. Такой типично меж- и наддисциплинарной наукой и стал системный анализ.

С другой стороны, системный анализ является прикладной дисциплиной, призванной вырабатывать практические рекомендации для решения возникающих проблем. К числу используемых для этого методов относятся и строгоформализованные (оптимизация, принятие решений), и лишь направленные на формализацию (моделирование, экспериментальные исследования), и слабоформализованные (экспертные оценки, коллективный выбор), и в принципе неформализуемые процедуры (формулирование проблем, выявление целей, формирование критериев, генерирование альтернатив).

Курс системного анализа направлен на преодоление недостатков узкой специализации дисциплин, изучаемых в вузе, усиление междисциплинарных связей, развитие у будущих специалистов системного мышления, приобретение навыков системного решения проблем. Это является одним из важнейших направлений перестройки высшего образования.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Системные представления на современном этапе достигли уже такого уровня, что в полезности системного подхода к решению возникающих в практике проблем сейчас никого не надо убеждать. Не только ученые, но и инженеры, педагоги, менеджеры, деятели культуры и др. осознали, что успехи и неудачи в их деятельности во многом зависят от того, насколько системной была эта деятельность. Если в процессе деятельности появилась проблема, то это является сигналом недостаточной системности действий; разрешение же возникшей проблемы свидетельствует о возросшем уровне системности.

4

Это вовсе не значит, что мышление стало системным только сейчас. Оно было таким всегда и другим быть не может. Разные уровни может иметь лишь осознание системности. Мало того, оказалось, что в природе вообще нет ничего несистемного. И хотя осознание всеобщей системности мира пришло не сразу, и приходило с трудом, не прийти оно не могло, т.к. системные представления возникли по объективным причинам и развиваются под воздействием объективных факторов.

1.1. Системные представления в практической деятельности

Первой объективной причиной возникновения и фактором развития системных представлений является природная системность человеческой практики. Практическую деятельность человека можно определить как активное воздействие на окружающую среду для достижения определенной цели. Всякое действие представляет собой совокупность взаимосвязанных более мелких действий, причем все эти действия должны выполняться не произвольно, а в определенной последовательности.

Последовательность построения деятельности по-другому называется алгоритмом. Если раньше понятие алгоритма применялось только в математике и означало точно определенную последовательность операций над числами и другими математическими объектами, то сейчас говорят уже об алгоритмичности любой деятельности. При этом речь идет не только об алгоритмах действий, явно алгоритмичных (обучение, принятие управленческих решений), но даже об алгоритмах творчества (изобретательство, сочинение музыки и т.п.).

Оказывается, что:

−все действия подчиняются определенному алгоритму, хотя этот алгоритм в реальных условиях не всегда и осознается (например, композитор сочиняет музыку, шофер автоматически реагирует на изменение дорожной обстановки, вратарь šне думаяŸ ловит в броске мяч и т.п.);

−если результаты каких-то действий оказываются неудовлетворительными, то причину этого следует искать, прежде всего, в несовершенстве алгоритма.

Таким образом, в практической деятельности налицо основные признаки системности, а именно: подчиненность этой деятельности

5

определенной цели, структурированность, взаимосвязанность составляющих ее частей, алгоритмичность.

Из того, что говорилось, может сложиться впечатление, что человек лишь пассивно наблюдает за окружающим миром и постепенно осознает для себя объективную системность своей деятельности в этом мире. Однако это не так. Понимая полезность системного подхода, человек эту системность сознательно повышает.

Это можно продемонстрировать на примере одной из глобальных проблем человечества – проблемы повышения производительности труда. Никому не надо доказывать, что производительность труда необходимо повышать. Вопрос только в том, как это сделать. При всей сложности такого вопроса достигается это в основном за счёт совершенствования средств труда и улучшения его организации.

Простейшим способом повышения эффективности труда является механизация. Действительно, человечество на протяжении своего существования постоянно вооружается различными механизмами – начиная от простейших ручных орудий и приспособлений и кончая сложнейшими современными машинами. С помощью механизмов и машин один человек может выполнить такую работу, которую без них могло бы выполнить лишь большое количество людей.

Пример. Подсчитано, что если бы уровень механизации строительных работ сейчас оставался на этапе строительства ДнепроГЭСа, то для сооружения нынешних одних только гидроэлектростанций понадобилось бы всё трудоспособное население страны.

Механизация позволяет решить очень много проблем, её возможности и сейчас ещё далеко не исчерпаны. Тем не менее, механизация имеет свой естественный предел. Работой механизмов управляет человек, а его возможности ограничены. Ограничена скорость реакции человека, поэтому нет смысла механизировать очень быстрые процессы. Машина не должна иметь слишком много приборов и рычагов управления – у человека только два глаза и две руки. Короче говоря, ¡узким местом¢ механизации является сам человек.

А раз так, то для дальнейшего повышения производительности труда человека из производственного процесса надо исключить, т.е. возложить на машины не только функцию выполнения самой работы, но и функции управления. Технические устройства, которые позволяют это сделать, называются автоматами, а этот уровень решения

6

проблемы повышения производительности труда, а значит, и системности общественного производства, получил название, соответственно, автоматизации. По сравнению с системой под названием šмашинаŸ в систему под названием šавтоматŸ дополнительно включена подсистема управления.

Автоматы полностью освобождают человека от выполнения работы. Они могут иметь самые различные назначение и сложность (например: игровые автоматы, автоматическая телефонная связь, автоматические линии, цеха и заводы, промышленные роботы). Со временем автоматизации поддаются все более сложные процессы, в том числе и такие, которые раньше выполнялись только с использованием мыслительной деятельности. Особое место среди таких автоматов занимают компьютеры.

Подсчитано, например, что если бы сейчас плановые, экономические и финансовые органы обрабатывали информацию на счётах и арифмометрах, то всё трудоспособное население страны должно было бы работать в бухгалтериях. И если этого нет, то только благодаря компьютеризации.

Однако автоматизировать можно только те работы, для которых точно известно – что, как и в каком порядке нужно делать в каждом конкретном случае. Автоматы работают по определённому алгоритму, и если этот алгоритм хотя бы в одной какой-то своей части неправилен или неточен, или если при работе встречается операция, не предусмотренная алгоритмом, автомат будет либо делать не то, для чего он предназначен, либо не будет работать вообще.

Отсюда следует, что и у автоматизации есть свой естественный предел, и обусловлен он тем, что в реальной жизни весьма часто встречаются непредвиденные ситуации, и, кроме того, многие практические действия невозможно алгоритмизировать. Особенно часто такие проблемы возникают при управлении человеческими коллективами, крупными производственными комплексами, при вмешательстве в жизнедеятельность человеческого организма, при воздействии человека на природу, т.е. при управлении сложными системами.

Основная идея разрешения таких проблем состоит в том, чтобы использовать ту человеческую способность, которая называется интеллектом, который как раз и характеризуется способностью ориентироваться в незнакомых условиях и решать не описываемые математически задачи. На этом принципе строятся, например, автоматизи-

7

рованные системы управления, в которых формализованные операции выполняют автоматы и ЭВМ, а неформализованные – человек.

На этом уровне повышения производительности труда и системности общественного производства к системе šавтоматŸ подключена интеллектуальная составляющая, и он получил название кибернетизации. Причем на современном этапе кибернетика не ограничивается использованием только естественного человеческого интеллекта. Уже давно ведутся широкомасштабные работы по созданию т.н. šискусственного интеллектаŸ, на который возлагаются большие надежды.

1.2. Системность мышления и познания

Второй объективной причиной возникновения системных наук является системность человеческого мышления, а, следовательно, и познания.

Как известно, окружающий нас мир бесконечен в своих проявлениях и свойствах. Человек же существует ограниченное время и располагает конечными материальными, энергетическими и информационными ресурсами. И, тем не менее, ему удаётся познавать мир и, как показывает практика, познавать правильно. За счёт чего?

Дело здесь в особенностях человеческого мышления. Одна из таких особенностей состоит в том, что ему объективно присущи аналитический и синтетический образы мышления. Аналитический способ мышления позволяет человеку познавать мир постепенно, всё более углубляя знания о нём. Это проявляется в существовании различных наук, причем их дифференциация продолжается и сейчас.

Однако получение этих глубоких, но разрозненных знаний, является лишь промежуточным этапом познания, поскольку конечной целью является познание проблемы в целом. Поэтому эти знания человек должен как-то обобщать. Для этого у человека предусмотрен обратный аналитическому образ мышления – синтетический. Результатом этого является возникновение т.н. šпограничныхŸ наук, таких как, например, биохимия, физическая химия, биотехнология и т.п. Однако šпограничныеŸ науки это лишь одна из форм приобретения синтетических знаний. Другую, более высокую форму дают науки философского направления. К числу таких наук можно отнести собственно философию, изучающую, как известно, всеобщие свойства материи, математику, тоже отражающую некоторые общие отноше-

8

ния, а также такие системные науки как кибернетика, теория систем, теория организации и др.

Таким образом, расчлененность мышления на анализ и синтез, и их взаимосвязанность являются очевидными признаками системности познания.

Эволюция взглядов на системность мышления. Следует отметить, что в ходе исторического развития взгляды на способы познания мира не были одинаковыми.

В древних цивилизациях (Египет, Греция, Рим) преобладало нерасчлененное знание. Мир тогдашними учеными изучался как нечто целостное. Недаром именно в то время были заложены основы философии, сформулированы основные всеобщие законы мироздания.

Однако после того как основные мировые законы были открыты и сформулированы, ученые и мыслители стали осознавать необходимость проникновения вглубь изучаемых явлений. На этом этапе на передний план вышел аналитический способ мышления. Аналитический подход позволил достигнуть на пути глубокого познания природы, можно без преувеличения сказать, гигантских успехов. Однако одновременно с этим появилась привычка рассматривать вещи и процессы природы обособленно, была утрачена способность понимать их во взаимосвязи.

По мере всё более глубокого проникновения в суть изучаемых различными науками явлений снова стало появляться понимание незавершенности аналитического знания, необходимости синтеза накопленных знаний в некоторое целое, неразделённое знание. Это происходит, естественно, уже на более высоком, нежели в древнем мире, уровне. Этот этап мы переживаем в настоящее время.

1.3. Системность как всеобщее свойство материи

Итак, мы убедились в том, что важнейшими причинами возникновения и факторами развития системных представлений являются природная системность практической деятельности человека и внутренняя системность человеческого мышления.

Поскольку и в первом, и во втором случае речь идет о человеке, закономерно возникает вопрос: а может быть системность является свойством самого человека? Может быть, он просто выработал её для удобства изучения мира и облегчения своей деятельности в нём, а сам

9

мир не только безразличен к тому, кто и как его познает, и познает ли вообще, но может и не иметь ничего общего с нашими представлениями о нём? На этот извечный вопрос о познаваемости мира философы, причем независимо от взглядов, давали три различных ответа.

Одни (Ф. Бэкон) говорили, что умственные построения совершенно произвольны и в природе ничему не соответствуют (соответствия между субъективным мышлением и объективным миром нет вообще).

Другие (Б. Спиноза, И. Кант, Е. Дюринг), наоборот, считали, что и субъективное мышление, и объективный мир подчинены одним и тем же законам, а значит, системность является свойством природы и все умственные построения не могут быть ничем иным, как отражением природных явлений (соответствие между субъективным мышлением и объективным миром однозначное).

Третьи (Ф. Энгельс) отмечают, что мышление обладает все-таки некоторой свободой и любой мысленной конструкции не обязательно соответствует какая-то реальная система (соответствие неоднозначное). А то, насколько наши представления о мире соответствуют реальности, может быть проверено практикой.

Эта последняя концепция представляется на сегодняшний день наиболее правильной, и ее придерживается современная наука.

Отсюда следует, что системность – это не свойство человеческой практики или мышления, а свойство самой материи. При этом системность настолько присуща материи, что специалисты-системщики называют её даже единственной формой существования материи. При этом известные формы существования материи – пространство, время, движение – представляют собой, по их мнению, лишь частные проявления всеобщей системности мира. Современные научные данные и системные представления позволяют говорить о мире как о бесконечной иерархической системе систем, находящихся в постоянном развитии.

1.4. Системность как объект исследования

Как уже говорилось, осознание системности мира не было пассивным. Человек сознательно повышал, а значит, и изучал системные отношения. История развития системных представлений шла по двум направлениям. С противоположных исходных позиций приближались

10

к современному пониманию системности философия и конкретные науки. Философия, как известно, изучает всеобщие свойства мироздания и проявление этих свойств в конкретных науках. Применение категорий философии к изучению конкретных систем означает выявление в общих закономерностях их функционирования особенностей этих систем. Такой метод движения от общего к частному в науке получил название ¡дедуктивного¢. Конкретные науки в своем движении от частного к общему используют противоположный, ¡индуктивный¢ метод – от исследования реальных систем к установлению общих закономерностей и собственно системным закономерностям.

Надо отметить, что системность всегда, осознанно или неосознанно, была методом любой науки. Любой учёный прошлого, даже не помышлявший о системах, именно с ними и имел дело. Быстрее всего системность была осознана в сфере человеческого познания. Философия, логика, математика – это области познания, в которых споры по системным проблемам уходят, что называется šв глубь вековŸ. Однако для нас особый интерес представляет системность как объект исследования в области естественных и технических наук.

Первым в явной форме вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил в 30-40-е годы ХIХ века известный французский физик Ж.-М. Ампер. При создании классификации всевозможных, в том числе и не существовавших тогда, наук он выделил специальную науку об управлении государством и назвал ее кибернетикой (от греческого слова šискусство управления кораблёмŸ). Под искусством управления он понимал общие правила поведения, которыми должно руководствоваться правительство, чтобы обеспечить бесконфликтное развитие общества.

Эти положения существенно развил польский философ Б. Трентовский. В своей книге šОтношение философии к кибернетике как искусству управления народомŸ (1848 г.) он изложил разработанные им научные основы практической деятельности руководителя (кибернета). Главная сложность в управлении народом, говорил Трентовский, заключается в нестандартности поведения людей. Как общественные группы, так и отдельные личности имеют разные, зачастую не совпадающие, а иногда и прямо противоположные интересы, в результате чего в обществе постоянно существуют противоречия. Так вот, кибернет должен уметь, исходя из общего блага, одни противо-