T_sist_Pavlov
.pdfТомский межвузовский центр дистанционного образования
С.Н. Павлов
ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
Учебное пособие
ТОМСК – 2003
Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра автоматизированных систем управления (АСУ)
С.Н. Павлов
ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
Учебное пособие
2003
Корректор: Красовская Е.Н.
Павлов С.Н.
Теория систем и системный анализ: Учебное пособие. Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. 134 с.
Павлов С.Н., |
2003 |
Томский межвузовский центр |
|
дистанционного образования, |
2003 |
|
3 |
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение....................................................................................................................... |
5 |
|
1 Системы и закономерности их функционирования и развития................... |
7 |
|
1.1 |
Определение системы......................................................................................... |
7 |
1.2 |
Понятия, характеризующие строение и функционирование систем............. |
9 |
1.3 |
Виды и формы представления структур......................................................... |
13 |
1.4 |
Классификация систем..................................................................................... |
22 |
1.5 |
Закономерности систем.................................................................................... |
27 |
1.6 |
Закономерности целеобразования................................................................... |
30 |
2 Методы и модели теории систем и системного анализа............................... |
34 |
|
2.1 |
Классификация методов моделирования ....................................................... |
34 |
2.2 |
Методы формализованного представления систем ...................................... |
39 |
2.3 |
Методы, направленные на активизацию использования интуиции и |
|
|
опыта специалистов........................................................................................... |
45 |
3 Структурный и функциональный подход в теории систем. |
|
|
Моделирование .................................................................................................... |
54 |
|
3.1 |
Дескриптивное и конструктивное определение систем. .............................. |
54 |
3.2 |
Модели и моделирование................................................................................. |
56 |
3.3 |
Структурный и функциональный подходы в системном анализе............... |
65 |
3.4 |
Измерительные шкалы..................................................................................... |
68 |
4 Формирование, структуризация и анализ цели............................................. |
84 |
|
4.1 |
Проблемы формулирования цели при управлении развивающимися |
|
|
системами........................................................................................................... |
85 |
4.2 |
Первые методики системного анализа целей ................................................ |
86 |
4.3 |
Разработка основных принципов методики предприятия |
|
|
организационной системы (предприятия) ...................................................... |
96 |
|
4.3.1 Принципы разработки методики проектирования и развития |
|
|
предприятия ............................................................................................... |
97 |
|
4.3.2 Анализ факторов, влияющих на создание и функционирование |
|
|
предприятия (организации) ...................................................................... |
99 |
|
4.3.3 Моделирование рыночных ситуаций................................................... |
100 |
|
4.3.4 Задачи и принципы формирования и анализа структур, цели и |
|
|
функций системы управления................................................................ |
102 |
5 Системный анализ в управлениях.................................................................. |
105 |
|
5.1 |
Сущность автоматизации управления в сложных системах...................... |
105 |
|
5.1.1 Структура системы с управлением....................................................... |
105 |
|
5.1.2 Пути совершенствования систем с управлением................................ |
108 |
5.2 |
Основные понятия системного анализа ....................................................... |
108 |
5.3 |
Основные определения системного анализа................................................ |
109 |
5.4 |
Типы моделей сложных систем..................................................................... |
111 |
5.5 |
Принципы и структура системного анализа................................................ |
112 |
5.6 |
Структура системного анализа...................................................................... |
112 |
|
4 |
|
5.7 |
Организационная структура и ее основные характеристики..................... |
118 |
|
5.7.1 Виды организационных структур......................................................... |
119 |
6 Экономический анализ систем ........................................................................ |
122 |
|
6.1 |
Понятие экономического риска..................................................................... |
122 |
6.2 |
Понятие инвестиционного проекта............................................................... |
122 |
6.3 |
Примеры задач по привлечению инвесторов............................................... |
123 |
6.4 |
Анализ и решение задач с помощью дерева решений................................ |
124 |
6.5 |
Пример процедуры принятия решения ........................................................ |
126 |
6.6 |
Имитационное моделирование экономических процессов........................ |
130 |
Литература.............................................................................................................. |
134 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к системным представлениям проявлет не только как к удобному обобщающему понятию, но и как к средству постановки задачи с большой неопределенностью. Потребность использовать этот термин возникает, когда невозможно что-то продемонстрировать, изобразить, представить математическим выражением и нужно подчеркнуть, что это будет большим, сложным, не полностью сразу понятным и целым. Например, солнечная система, система организационного управления предприятием, регионом, экономическая система. С развитием научно-технического прогресса появились задачи, которые не решались с помощью традиционных математических методов и в которых все большее место стал занимать собственно процесс постановки задачи, возросла роль эвристических методов, усложнился эксперимент. Для решения таких задач стали разрабатываться новые разделы математики. Возникло новое направление − принятие решений, которое постановку задачи признает равноценным этапом ее решения, приближающим математические методы к практическим задачам.
При проектировании начали создаваться системы организации проектирования, системы управления разработками, и т.д. Понятие «система» широко использовалась в различных областях знаний, заинтересовало инженеров, и на определенной стадии развития научного знания теория систем оформилась в самостоятельную науку, как из прикладных арифметики, геометрии и др. сформировалась обобщенная теория – математика.
Системные представления стали включаться в учебный процесс, и в настоящее время в учебные планы различных специальностей входят дисциплины «Теория систем», «Системный анализ», «Системология» и т.д.
Роль интеграции наук, организации взаимосвязей и взаимодействия между различными научными направлениями во все времена выполняла философия. В 30-х годах предыдущего столетия философия явилась источником возникновения обобщающего направления, названного теорией систем. Основоположниками этого направления считаются Л. фон Берталанфи и наш соотечественник А.А. Богданов.
В нашей стране вначале теорию систем активно развивали философы. Однако философская терминология не всегда легко преломляется в практической деятельности. Поэтому потребности практики почти одновременно со становлением теории систем привели к возникновению направления, названного исследованием операций (математический аппарат, базирующийся на методах оптимизации, математического программирования и математической статистики). В 1960-е годы при постановке и исследовании сложных проблем проектирования и управления довольно широкое распространение получил термин системотехника, предложенный в 1962 г. Ф.Е. Темниковым. Этот термин довольно быстро стал использоваться в основном в приложениях системных методов только к техническим направлениям, а для других направле-
6
ний был предложен термин системология. Применительно к задачам управления в определенный период широкое распространение получил термин кибернетика. В настоящее время он используется в более узком смысле как одно из направлений теории систем, занимающееся процессами управления техническими объектами. А для обобщения дисциплин, связанных с исследованием и проектированием сложных систем, используется термин системные исследования, а иногда сохраняется термин системный подход, который широко использовался в первые годы становления теории систем. Наиболее конструктивным из направлений системных исследований в настоящее время считается системный анализ, который предлагает методику проведения системных исследований, организацию процесса принятия решения, делает попытку предложить подходы к выполнению методики в конкретных условиях.
Для понимания процессов организационного управления полезны общеметодологические представления и закономерности теории систем. Разработка методик анализа целей, методов и моделей совершенствования организационной структуры, управления функционированием социально-экономи- ческих объектов стали в последнее время основным приложением системного анализа. Поэтому эти направления являются наиболее необходимыми при подготовке инженеров по любым специальностям.
Целью дисциплины можно считать следующее: дать представление о теории систем и системном анализе, о полезности их применения при моделировании задач управления и проектирования. Перечислим три подцели:
1.Ознакомить с основами теории систем и системного анализа.
2.Дать представление о методах теории систем и методиках системного анализа.
3.Развить стремления и навыки применения системных представле-
ний.
7
1 СИСТЕМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ИРАЗВИТИЯ
1.1Определение системы
Развитие определения системы. Термин система используется в тех случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объект как нечто целое (единое), сложное, о котором невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав математическим выражением. Рассмотрим принципиальные изменения определения системы не только по форме, но и содержанию.
1.S≡<A, R>, где A={ai}, R={rj};
2.S≡<{ai}, {rj}>, ai A, rj R; 3.S≡ [{ai}&{rj}], ai R, rj R.
В приведенных формализованных записях определения использованы различные способы теоретико-множественных представлений: в первых двух – используются различные способы задания множеств и не учитываются взаимодействия между множествами элементов и множествами связей R. В третьем отражен тот факт, что система это не простая совокупность элементов и связей того или иного вида, а включает только те элементы и связи, которые находятся в области пересечения друг с другом.
4. Если элементы принципиально неоднородны, то выделяются разные множества элементов A={ai} и B={bj}:
S≡<A,B,R>.
5. Для уточнения элементов и связей в определения включают свойства (атрибуты) QА, дополняя понятие элемента (предмета):
S≡<A,QA,R>.
6. Затем в определении системы появляется понятие цель. Вначале в неявном виде, потом в виде конечного результата, системообразующего критерия, а поздне − с явным упоминанием цели:
S≡<A,R,Z>, где Z − цель, совокупность или структура целей.
7. В некоторых определениях уточняются условия целеобразования – среда SR, интервал времени ∆T, т.е. период, в рамках которого будет существовать система и ее цели. Определение В.Н. Сагатовского: система «конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с определенной целью в рамках определенного временного интервала»:
S≡<A,R,Z,SR,∆T>.
8
8. Далее в определение системы начинают включать, наряду с элементами, связями и целями, наблюдателя N, т.е. лицо, представляющее объект или процесс в виде системы при их исследовании или принятии решения:
S≡<A,R,Z,N> .
9.Первое определение, в котором в явном виде включены наблюдатель и свойства элементов, дал И.Ю. Черняк: «Система есть отражение в сознании субъекта (или исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания».
10.В последующих вариантах этого определения Ю.И. Черняк стал
учитывать язык наблюдателя LN: «Система есть отображение на языке наблюдателя (исследователя, конструктора) объектов, отношений и их свойств в решении задачи исследования, познания»:
S≡<A,QA,R,Z,N,LN> .
Материальность или нематериальность системы. С одной стороны,
стремясь подчеркнуть материальность системы, некоторые исследователи в определениях заменяли термин элемент термином вещь, объект, предмет.
С другой стороны, исследователи систему трактуют как отображение, т.е. нечто существующее лишь в сознании исследователя.
Бессмысленность спора материальности и нематериальности системы показал В.Г. Астафьев: «Объективно существующие системы – и понятие системы; понятие системы, используемое, как инструмент познания системы, - и снова реальная система, знания о которой обогатились нашими системными представлениями; - такова диалектика объективного и субъективного в системе ...»
Это высказывание наглядно представлено на рис. 1.1.
Материальное
состояние
Нематериальное
состояние
Материальное
состояние
Рис. 1.1
9
Таким образом, в понятии система (как и любой другой категории познания) объективное и субъективное составляют диалектическое единство, и следует говорить не о материальности или нематериальности системы, а о подходе к объектам исследования как к системам, о различном представлении их на разных стадиях познания.
Система и среда. На первых этапах системного анализа важно уметь отделить систему от среды, с которой взаимодействует система. Сложное взаимодействие системы со средой состоит в том, что система образует особое единство со средой; она, как правило, представляет собой элемент систем более высокого порядка; элемент любой исследуемой системы в свою очередь рассматривается как система более низкого порядка.
Развивается это определение в одной из методик анализа целей [4] разделением сложной среды на надсистему или вышестоящие системы, ни-
жележащие или подведомственные системы, системы актуальной или существенной среды.
Такому представлению о среде соответствует определение: «Среда есть совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы».
Выделяет систему из среды наблюдатель, который отделяет элементы, включаемые в систему, от остальных, т.е. от среды, в соответствии с целями исследования.
Выбор определения системы. Из вышесказанного ясно, что на разных этапах представления объекта в виде системы, в различных конкретных ситуациях можно пользоваться разными определениями. Причем по мере уточнения представления о системе или при переходе на другой уровень ее исследования определение системы должно уточняться.
Таким образом, при проведении системного анализа нужно, прежде всего, отобразить ситуацию с помощью как можно более полного определения системы, а затем, выделив наиболее существенные компоненты, влияющие на принятие решения, сформулировать «рабочее» определение, которое может уточняться, расширяться или сужаться в зависимости от хода анализа.
1.2 Понятия, характеризующие строение и функционирование систем
Элемент. Под элементом принято понимать простейшую неделимую часть системы, хотя это понятие и является неоднозначным. Поэтому примем следующее определение: элемент – это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи, поставленной цели.
Систему можно расчленять на элементы различными способами в зависимости от формулировки задачи, цели ее уточнения в процессе проведе-