В.Н. ВОЛКОВА, А.А. ДЕНИСОВ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ и СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Санкт-Петербург

Издательство СПбГТУ

Введение

Традиционно учебники и учебные пособия для инженерных специальностей принято начинать с характеристики объектов или проблемных ситуаций, при моделировании и исследовании которых необходимы дисциплина и учебник. Однако потребность в использовании понятия "система" возникала для объектов различной физической природы с древних времен: еще Аристотель обратил внимание на то, что целое (т. е. система – авт.) несводимо к сумме частей, его образующих.

В частности, термин "система" и связанные с ним понятия комплексного, системногоподхода исследуются и подвергаются осмыслению философами, биологами, психологами, кибернетиками, физиками, математиками, экономистами, инженерами различных специальностей. Потребность в использовании этого термина возникает в тех случаях, когда невозможно что-то продемонстрировать, изобразить, представить математическим выражением и нужно подчеркнуть, что это будет большим, сложным, не полностью сразу понятным (с неопределенностью) и целым, единым.

Например – "солнечная система", "система управления станком", "система организационного управления предприятием (городом, регионом и т. п.)", "экономическая система", "система кровообращения" и т.д.

В математике термин система используется для отображения совокупности математических выражений или правил - "система уравнений", "система счисления", "система мер" и т. п. Казалось бы, в этих случаях можно было бы воспользоваться терминами "множество" или "совокупность". Однако понятие системы подчеркивает упорядоченность, целостность, наличие определенных закономерностей.

Интерес к системным представлениям проявлялся не только как к удобному обобщающему понятию, но и как к средству постановки задач с большой неопределенностью.

По мере усложнения производственных процессов, развития науки, проникновения в тайны функционирования и развития живых организмов 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, доказывающий адекватность формальной математической модели.

Для решения таких задач стали разрабатываться новые разделы математики; оформилась в качестве самостоятельной прикладная математика, приближающая математические методы к практическим задачам; возникло понятие, а затем и направление принятие решений, которое постановку задачи признает равноценным этапом ее решения.

Однако новые направления не содержат средств постановки задачи, поскольку на протяжении многовековой истории развития по образному выражению С. Лема "математики изгоняли беса, значение, из своих пределов"¹, т. е. не считали разработку средств постановки задачи функцией математики.

Исследование процессов постановки задач, процесса разработки сложных проектов позволили обратить внимание на особую роль человека. Человек является носителем целостного восприятия, сохранения целостности при расчленении проблемы, при распределении работ, носителем системы ценностей, критериев принятия решения (появился термин "лицо, принимающее решение" - ЛПР).

Однако человек не всегда справляется с этой ролью.

Для того чтобы организовать процесс проектирования начали создаваться системы организации проектирования, системы управления разработками и т. п.

Иными словами, понятие "система" широко использовалось в различных областях знаний. Оно заинтересовало инженеров, и, на определенной стадии развития научного знания, теория систем оформилась в самостоятельную науку, как когда-то из прикладных арифметики, геометрии и др. сформировалась обобщенная теория – математика.

Системные представления стали включаться в той или иной форме в учебный процесс вузов, и в настоящее время междисциплинарные курсы "Теория систем", "Системный анализ", "Системология" и т. п. входят в учебные планы различных специальностей – технических, экономических, гуманитарных.

Для того чтобы обосновать предлагаемое название дисциплины и учебника, которое нам представляется наиболее соответствующим нынешнему состоянию системного знания, приведем краткую историю становления терминологии в этой области.

Развитие научного знания и его приложений к практической деятельности в XVIII–XIXв.в. привело к всевозрастающей дифференциации научных и прикладных направлений. Возникло много специальных дисциплин, которые часто используют сходные формальные методы, но настолько преломляют их с учетом потребностей конкретных приложений, что специалисты, работающие в разных прикладных областях (так называемые "узкие специалисты"), перестают понимать друг друга.

В то же время в конце XIXвека стало резко увеличиваться число комплексных проектов и проблем, требующих участия специалистов различных областей знаний.

Усложнилось управление экономикой стран, особенно тех, в которых преобладал принцип централизованного управления. Появилась потребность в специалистах "широкого профиля", обладающих знаниями не только в своей области, но и в смежных областях и умеющих эти знания обобщать, использовать аналогии, формировать комплексные модели. Понятие системы, ранее употреблявшееся в обыденном смысле, превратилось в специальную общенаучную категорию. Начали появляться обобщающие научные направления, которые исторически иногда возникали параллельно на разной прикладной или теоретической основе и носили различные наименования.

Роль интеграции наук, организации взаимосвязей и взаимодействия между различными научными направлениями во все времена выполняла философия. Это наука наук, которая одновременно являлась и источником возникновения ряда научных направлений.

В частности, И.Ньютон сделал открытия своих основных законов в рамках натурфилософии, как тогда называлась физика, являвшаяся частью философского знания.

Так, и в 30-е годы нашего столетия философия явилась источником возникновения обобщающего направления, названного теорией систем. Л. фон Берталанфи [1.62, 1.6, 1.7], считающийся основоположником этого направления, хотя и является биологом по основной профессии, но первый доклад о своей новой концепции сделал на философском семинаре, пользуясь в качестве исходных понятий терминологией философии.

Отметим, что важный вклад в становление системных представлений внес в начале XIXвека (еще до Л. фон Берталанфи) наш соотечественник А.А.Богданов [1.9]. Однако в силу исторических причин предложенная им всеобщая организационная наукатектологияне нашла распространения и практического применения.

Проведенные после публикации концепция Л. фон Берталанфи международные симпозиумы, часть трудов которых переведена и издана [1.23, 1.38], закрепили это направление как самостоятельное; расширили круг специалистов, принимавших участие в его развитии, хотя и не всегда пользовавшихся терминологией Л. фон Берталанфи. Здесь нужно отметить особую роль в становлении этого направления В.Н.Садовского, Э.Г.Юдина, И.В.Блауберга [1.23, 1.42, 1.8], С.П.Никанорова, инициировавшего перевод ряда первых работ по системным исследованиям [1.39, 1.60].

В нашей стране вначале теорию систем активно развивали философы [11,1.4, 1.42÷1.45, 1.49÷1.51 и др.]. Ими были разработаны концептуальные основы, терминологический аппарат. А также, исследованы закономерности функционирования и развития сложных систем, поставлены другие проблемы, связанные с философскими и общенаучными основами системных исследований.

Однако философская терминология не всегда легко преломляется к практической деятельности. Поэтому потребности практики почти одновременно со становлением теории систем привели к возникновению направления, названного исследованием операций [1.3, 1.11, 2.9, 2.59 и др.].

Это направление возникло в связи с задачами военного характера, поэтому, несмотря на довольно широкое распространение в других прикладных областях (благодаря развитому математическому аппарату, базирующемуся на методах оптимизации, математического программирования [2,59] и математической статистики [2.9]), все же исходная терминология этого направления (в частности, само понятие "операция") часто трудно интерпретируется в практических условиях проектирования сложных технических комплексов, в экономических задачах, при решении проблем организации производства и управления предприятиями, объединениями, научно-исследовательскими организациями, объектами непромышленной сферы и т.п.

В 60-е годы при постановке и исследовании сложных проблем проектирования и управления довольно широкое распространение получил термин системотехника,предложенный в 1962 г. доктором технических наук профессором Ф.Е.Темниковым (основателем первой в стране кафедры Системотехники в Московском энергетическом институте) при переводе книги Г.Гуда и Р.Макола [1.19] как эквивалент английского "SystemIngeneering" (редакции не нравился буквальный перевод "системная инженерия" или "инженерия систем", что в принципе более соответствовало содержанию книги и становлению теории систем в стране).

В связи с неточным переводом термин довольно быстро стал использоваться в основном в приложениях системных методов только к техническим направлениям [1.20, 1.35, 1.57 и др.]. Для других направлений был предложен термин системология(термин предложен в 1965 г, И.Б.Новиком и широко использовался В.Т.Куликом[1.30] и Б.С.Флейшманом [12]).

Применительно к задачам управления в определенный период более широкое распространение получил термин кибернетика, введенный М.А.Ампером (от "kiber" – кормчий, рулевой, управляющий чем-то), принятый для названия новой "науки об управлении в живых организмах и машинах" Н.Винером [1.12].

В нашей стране вначале кибернетика не признавалась наукой, а затем этот термин использовался в период становления работ по автоматизации управления как обобщающий для названия всех системных направлений. Наиболее известными отечественными работами в этой области являются двухтомный учебник "Основы кибернетики" под ред. заведующего кафедрой с аналогичным названием в Московском инженерно-физическом институте, докт. техн. наук, профессора Л.Т.Кузина [1.29], работы докт. техн. наук, профессора Л.А.Растригина [2.40, 4,8, 4.21 и др.], а для экономических приложений – работы докторов экономических наук, профессоров Н.Е.Кобринского, Б.З.Майминаса др. [1.26].

В связи с неоднозначной трактовкой термина и употреблением его во многих работах (особенно зарубежных), связанных с разработкой технических аналогов живых организмов, этот термин в настоящее время используется в более узком смысле – как одно из направлений теории систем, занимающееся процессами управлении техническими объектами. А для обобщения дисциплин, связанных с исследованием и проектирование сложных систем, используется терминсистемные исследования[1.44], а иногда сохраняется терминсистемный подход, который широко использовался в первые годы становления теории систем в двух смыслах – в смысле методологического направления философии, и в прикладном аспекте, как синоним понятия комплексный подход. В последнем случае многие работы только постулировали необходимость комплексности, многоаспектного рассмотрения проблемы, что в принципе уже было полезно, однако в этих работах не предлагались конкретные методы и методики, помогающие реализовать такой подход.

Наиболее конструктивным из направлений системных исследовании в настоящее время считается системный анализ, который впервые появился в работах корпорации RANDв связи с задачами военного управления в 1948 году. А в отечественной литературе получил распространение после перевода книги С.Оптнера "Системный анализ деловых и промышленных проблем" [1-39].

Этот термин используется в публикациях неоднозначно. В одних работах системный анализ определяется как "приложение системных концепций к функциям управления, связанным е планированием" [1.25, с. 38] или даже со стратегическим планированием и целевой стадией планирования [1.25, 13]. В других - термин "системный анализ" употребляется как синоним термина "анализ систем" [1.24] или "системное управление организацией" [1.60].

Однако, независимо от того, применяется термин "системный анализ" только к формированию целей и функций системы, к планированию развития предприятия, региона, или к исследованию системы в целом, включая и цели, и организационную структуру, работы этого направления отличаются от других направлений системных исследований тем, что в них предлагается методика проведения системного исследования, организации процесса принятия решения, делается попытка предложить подходы к выполнению этапов методики в конкретных условиях. И второе важное отличие – работа сцелями(их исследование, формулирование, структуризация или декомпозиция). Некоторые авторы даже в определении системного анализа подчеркивают, что это методология исследования целенаправленных систем [13]. При этом разработка методики и выбор методов и приемов выполнения ее этапов базируется на использовании понятий и закономерностей теории систем.

К этому времени возникла еще одна потребность в приложении системного анализа. По мере развития научно-технического прогресса усложняются выпускаемые изделия и технология производства промышленной продукции, расширяется ее номенклатура и ассортимент, увеличивается частота сменяемости выпускаемых изделий и технологий, возрастает наукоёмкость продукции. По мере повышения жизненного уровня населения растут потребности. Все это приводит к усложнению взаимоотношений человека с природой, к истощению ресурсов Земли, к экологическим проблемам.

В результате усложняются процессы управления экономикой, возникает необходимость управления самим научно-техническим прогрессом. На эту проблему впервые в нашей стране в 60-е годы обратил внимание академик В.М.Глушков [1.15].

В развитых капиталистических странах важность управления научно-техническим прогрессом и трудности, стоящие на пути решения этой проблемы, были осознаны примерно в те же годы. И с тех пор, более 30 лет в США, в частности, ведутся интенсивные научные исследования по этой проблеме в специальных, так называемых "думающих", бесприбыльных корпорациях (типа известной корпорации RAND). Результатом этих исследований явилось создание первой методики системного анализа – ПАТТЕРН (характеризуемой в гл. 4), основой которой является формирование и анализ "дерева целей", и других методов, широко используемых в США правительственными органами и крупными промышленными корпорациями для прогнозирования и управления в условиях ускоряющихся темпов НТП.

В нашей стране для решения проблемы управления экономикой вначале Институтом Кибернетики Академии наук Украинской ССР под руководством В.М.Глушкова были проведены исследования, показавшие возрастание роли информации в процессах управления.

В частности, В.М.Глушков ввел понятие "информационных барьеров".

Первый информационный барьербыл достигнут в тот Период, когда экономические связи полностью смыкались в рамках ограниченных коллективов (род, семья, племя) и сложность управления этим коллективом стала превосходить способности одного человека. Это произошло многие тысячелетия тому назад, и вызвало соответствующие изменения в технологии управления, которые состояли в изобретении двух механизмов управления экономикой: первый механизм – создание иерархических систем управления (при котором руководитель заводит себе помощников, а те, в свою очередь, распределяют функции между своими подчиненными); второй механизм – введение правил взаимоотношения между людьми и социальными коллективами: предприятиями, регионами, государствами и т. д. (эти функции первоначально выполняла религия, а в последующем – законодательная система). Одним из наиболее действенных способов реализации этого механизма являются экономические регуляторы, основанные на введении рыночных товарно-денежных отношений, которые организуют распределение товара, влияют на потребности в продукции, уровень цен и в конечном итоге – на производственные процессы.

Второй информационный барьерсвязан с ограниченной способностью к переработке информации у всего населения страны. Исследования Института Кибернетики АН УССР [1.15] показали, что сложность задач управления экономикой растет быстрее числа занятых в ней людей и что, если продолжить управлять страной прежними методами, на основе приоритета принципа контроля и переработки учетно-плановой информации, то в конце 70-х гг. в сфере управления только материальным производством нужно было бы занять чуть ли не все трудоспособное население страны.

Теоретические исследования о тенденциях роста численности управленческого персонала подтверждались и статистикой.

Например, в США в начале нынешнего столетия на одного конторского работника приходилось 40 рабочих; в 1940 г. - 10; в 1958 г. - 6; а в 1965 - всего лишь 1 рабочий [1.21]. Отечественная статистика аналогично констатировала рост численности управленческого персонала до 40 и более процентов от общей численности работников предприятия.

Иными словами, возникла ситуация, когда как бы каждым рабочим командует управленческий работник. На самом деле ситуация гораздо сложнее: система организационного управления занимается не только непосредственно организацией производства, но и его технической подготовкой, материальным, финансовым, кадровым и т. п. обеспечением, развитием предприятия и т. д. По мере укрупнения предприятий, более частого обновления номенклатуры выпускаемой ими продукции и технологий растет потребность в обслуживающих видах деятельности, а соответственно и численность управленческого персонала, что и приводит к такому парадоксальному результату.

Аналогичная ситуация наблюдалась и с ростом численности управленческого персонала регионов, страны. При этом возник как бы особый класс управленческих работников – номенклатура, а эффективность управления повысить не удавалось.

Для решения проблемы первоначально В.М.Глушковым было предложено использовать автоматизацию управления (и в середине 60-х годов началась разработка автоматизированных систем управления-АСУ), но в дальнейшем стало ясно, что необходимы более радикальные изменения в управлении страной, учет закономерностей функционирования и развития сложных систем с активными элементами.

В 70-е гг. для повышения эффективности управления в нашей стране было решено пойти по пути совершенствования программно-целевого механизма управления.

Был подготовлен и принят ряд постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР и развивающихся документов², в которых определялся порядок разработки прогнозов, основных направлений развитая, комплексных программ, перспективных планов на всех уровнях государственной структуры – от страны в целом до регионов, объединений и предприятий. Для управления НТП при Академии Наук СССР, Совете Министров СССР и Госплане СССР были созданы специальные комиссии, которые готовили прогнозы и основные направления экономического и социального развития страны (подробнее об этих реформах, именуемых косыгинскими, т. к, инициатором их был Председатель Совета Министров СССР того периода А. Н. Косыгин, см, в гл. 4).

При реализации этих документов и в работе названных комиссий использовались методы системного анализа, и в частности – закономерности целеобразования и методики структуризации целей, что поставило системный анализ в особое положение среди других научных направлений и способствовало его развитию и введению в учебный процесс.

В настоящее время, в условиях внедрения в экономику рыночных принципов, предоставление большой самостоятельности предприятиям и регионам роль методов и моделей системного анализа как наиболее конструктивного направления системных исследований возрастает, соответственно возрастает необходимость развития этих методов и приближения их к практическим потребностям.

Междисциплинарные научные направления, возникшие между философией и узко специальными дисциплинами, можно расположить примерно так, как показано в таблице (Таблица 1).

Направления

Наиболее известные ученые

Для того чтобы студенты могли самостоятельно расширить свои представления о названных системных направлениях, а таблице приведены также наиболее известные ученые, предложившие или развивающие эти направления.

Философия
Теория систем	Л. фон Берталанфи, Дж. ван Гиг, М.Месарович, В.Г.Афанасьев, А.И.Уёмов, Ю.А.Урманцев и др.
Системный подход	И.В.Блауберг, Э.Г.Юдин, В.С.Тюхтин, С.П.Никаноров, Э.Квейд, С.Янг и др.
Системология	И.Б.Новик, В.Т.Кулик, Б.С.Флейшман и др.
Системный анализ	С.Оптпер, Д.Клиланд, В.Кинг, Н.Н.Моисеев, Ю.И.Черняк, Е.П.Голубков, Ф.И.Перегудов, В. Н. Сагатовский, В.З.Ямпольский и др.
Системотехника	Г.Гуд, Р.Макол, Ф.Е.Темников, В.В.Дружинин, Д.С.Конторов, В.И.Николаев, А.Холл, Г.Честнат
Кибернетика	Н.Винер, У.Р.Эшби. А.И.Берг, Л.П.Крайзмер, Л.Т.Кузин, Л.А.Растригин, Н.Е.Кобринский, Е.З.Майминас и др.
Исследование операций	У.Черчмен, Р.Акофф, М.Сасиени, Т.Саати, Е.С.Вентцель и др.
Специальные дисциплины

Таблица 1

В середине расположен системный анализ, так как он использует примерно в одинаковых пропорциях концептуально-методологические представления (что характерно дня философии и теории систем) и формализованные методы и модели (что характерно для специальных дисциплин). Теория систем и системология в большей мере используют философские понятия и качественные представления. Исследование операций, кибернетика, системотехника, напротив, имеют более развитый формальный аппарат, но менее развитые средства качественного анализа и постановки сложных задач с большой неопределенностью и активными элементами.

На технические специальности в большей мере ориентированы системотехника и кибернетика. Однако инженеры в перспективе становятся руководителями производства, предприятия, и важно, чтобы они получили необходимые сведения об организационном управлении предприятием, о разработке автоматизированных систем управления объектами разного рода.

Для экономических специальностей необходимы знания не только о создании систем организационного управлении предприятиями, но и об управлении городом, регионом, экономикой страны в целом, о моделировании процессов планирования и управления функционированием предприятия.

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-экономических объектов стали в последнее время основным приложением системного анализа. Поэтому авторы считают эти направления наиболее необходимыми при подготовке инженеров по любым специальностям. Однако, поскольку методики и модели системного анализа базируются на основных положениях теории систем, а при иллюстрации возможностей закономерностей и понятий теории систем необходимы примеры, которые наиболее конструктивно представлены в работах по системному анализу, целесообразно читать студентам единую дисциплину "Основы теории систем и системного анализа".

Структура целей и задач этой дисциплины приведены на Error: Reference source not found.

В нижней части Error: Reference source not found приведена структура учебника, определяющая возможную последовательность изложения материала, содержащегося в его главах, и показана взаимосвязь глав с целями и задачами дисциплины.

В первых двух главах учебника излагаются основы теории систем и системного анализа, включая терминологию, классификации систем, закономерности их функционирования и развития, методы моделирования. В отдельную главу (гл. 3) вынесен специальный метод системного анализа - информационный подход (развиваемый одним из авторов учебника). В самостоятельной главе (гл. 4) рассматривается проблема ценообразования и структуризации целей как наиболее актуальная для подготовки специалистов по управлению предприятиями и регионами.

В прикладных главах, иллюстрирующих возможности и полезность практического применения теории систем и системного анализа, рассматриваются, проблемы проектирования (адаптации, развития) систем управления предприятиями, организациями, регионами – от анализа факторов, влияющих на создание я функционирование предприятия, и моделирования рыночных ситуаций, помогающих в определения потребности в продукции предприятия, до формирования его организационной структуры и системы нормативно-методического обеспечения управления деятельностью предприятия (гл. 5); методы и методики организации сложных экспертиз и их применение при оценке нововведений и инвестиционных проектов, при проведении маркетинговых исследований для предприятии разного рода – от посреднических до производящих изделия сложной техники и оборудования (гл. 6); проблемы проектирования и организации технологических процессов производства и управления, в т. ч. применение информационного подхода для выбора конфигурации и управления проектами сложных технических комплексов, применение морфологического моделирования при календарном планировании в условиях позаказной системы производства и т. п. (гл. 7); проблемы разработки и организации функционирования информационных систем (гл. 8).

Авторы выражают большую благодарность руководству Санкт-Петербургского государственному технического университета и Издательству СПбГТУ за предоставленную возможность издания учебника; президенту СПбГТУ, докт.техн. наук, профессору, чл.-корреспонденту РАН, академику Международной академии наук высшей школы Юрию Сергеевичу Васильеву за идею посвящения учебника 100-летию основания Санкт-Петербургского политехнического института (Технического университета) и отражения в нем роли политехников в развитии теории систем и системного анализа; рецензентам – докт. техн. наук, профессору, академику МАН ВШ Александру Яковлевичу Савельеву и докт. физ.-мат. наук, профессору, академику Экологической академии Бенциону Семеновичу Флейшману; докт. экон. наук, профессору, академику МАН ВШ Василию Романовичу Окорокову и докт.техн. наук, профессору, чл.-корреспонденту Инженерной академии Вадиму Николаевичу Бусурину, которые, будучи проректорами ЛПИ (ЛГТУ) в 80-е – 90-е гг., содействовали изданию первых учебных пособий авторов, составивших основу учебника; студентам и аспирантам СПбГТУ, подготовившим ряд прикладных разделов: О.И.Старостиной (§ 6.3), А.В.Кукушкину (§ 6.4), С.В.Широковой (§ 7.5), Г.Л.Молчадскому (раздел в § 8.4), А.А.Ионову и И.В.Релиной (§ 8.5), Д.А.Смолко (приложение 2), а также студентам, соискателям, сотрудникам, подготовившим подразделы, примеры и программные процедуры, иллюстрирующие возможности методов и методик системного анализа, о чем в тексте сделаны соответствующие ссылки.