Области применения системного анализа

, 1.5. Области применения системного анализа Системный анализ применяется для решения крупных проблем, связанных с деятельностью многих людей, с большими материальными затратами [6]. Человеческую деятельность можно условно разделить на две области: - область рутинной деятельности, т.е. регулярных, повседневно решаемых задач; - область решения новых, впервые возникших задач. В первой из них способы решения задач обычно хорошо отработаны и почвы для системного анализа не представляют, хотя само наличие рутины в некоторых случаях составляют проблему (например, тенденция к постоянному увеличению работников аппарата управления). Во второй области (науке, перспективном планировании) методы системного анализа применимы почти повсеместно. Потребность в системном анализе возникает, например, в следующих ситуациях: 1. При решении новых проблем, когда с помощью системного анализа формулируется проблема, определяется, что и о чем нужно знать, кто должен знать и понимать. 2. Если решение проблемы предусматривает увязку целей со множеством средств их достижения. 3. Если проблема имеет разветвленные связи, вызывающие отдаленные последствия в разных отраслях народного хозяйства, и принятие решения по ним требует учета полной эффективности и полных затрат. 4. Во всех случаях, когда в народном хозяйстве создаются совершенно новые уникальные системы, совершенствуется производство или методы и формы экономического управления. 5. Во всех проблемах, связанных с автоматизацией производства, а особенно управления, в процессе создания автоматизированных систем управления. 6. Если принимаемые на будущее решения должны учитывать факторы неопределенности и риска. 7. Во всех случаях, когда планирование или выработка ответственных решений о направлениях развития принимается на достаточно отдаленную перспективу. 8. Везде, где требуется выработка критериев оптимальности с учетом целей развития и функционирования системы и т. п. 1.6. Определение системы Главной категорией системных исследований в целом и системного анализа в частности является понятие системы. Существует множество определений понятия «система». Под системой, например, понимается [6]: − (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из частей; соединение) − множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, 11 , − − − − − − − которое образует определённую целостность, единство (Большой Российский энциклопедический словарь); комплекс элементов, находящихся во взаимодействии и единстве (Людвиг фон Берталанфи); множество элементов с отношениями между ними и между их атрибутами (А. Холл, Р. Фейджин); совокупность элементов, организованных таким образом, что изменение, исключение или введение нового элемента закономерно отражаются на остальных элементах (В.Н. Топоров); взаимосвязь самых различных элементов; все, состоящее из связанных друг с другом частей ( С. Бир); отображение входов и состояний объекта в выходах объекта (М. Месарович). Мы будем придерживаться следующих определений системы [2]: система есть средство достижения цели; система есть совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как целое. 1.7. Понятие модели системы Одной из составных частей процедуры проведения системного анализа является формализация описания системы, т.е. построение модели. Понятие модели системы играет важную роль в проведении системных исследований любой направленности [2]. Модель – это искусственно создаваемый образ конкретного объекта, процесса или явления, в конечном счете, любой системы. Понятие модели связано с наличием какого-либо сходства между выбранными объектами, один из которых является оригиналом, а другой – его образом, выполняющим роль модели. Модели являются всегда упрощенным описанием системы. Модель – это отображение реальной системы (оригинала), имеющее определенное объективное соответствие ей и позволяющее прогнозировать и исследовать ее функциональные характеристики, т.е. характеристики, определяющие взаимодействие системы с внешней средой. Анализируемая система может быть описана разными моделями, каждая из которых обладает характерными свойствами и пригодна для решения лишь определенного круга задач, относящихся к структуре и функционированию системы. Рассмотрим основные виды моделей систем и способы их построения (табл. 1.3). Таблица 1.3 Модель системы Модель черного ящика Описание Модель типа «черный ящик» (названием подчеркивается отсутствие сведений о внутреннем содержании «ящика») отображает только связи системы со средой в виде перечня «входов» и «выходов» 12 , Продолжение табл. 1.3 Модель системы Описание Трудность построения модели черного ящика состоит в том, что надо решать, какие из многочисленных реальных связей включать в состав модели, т.е. отвечать на вопрос, какие связи существенны с точки зрения решаемой задачи. Кроме того, всегда существуют и такие связи, которые нам неизвестны (не выявлены), но они тоже могут оказаться существенными Метод черного ящика применим в различных ситуациях. Во-первых, конструкция системы может не интересовать наблюдателя, которому важно знать только поведение системы. Во-вторых, этот метод используется при недоступности внутренних процессов системы для исследования. В-третьих, метод черного ящика используется при исследовании систем, все элементы и связи которых в принципе доступны, но либо многочисленны и сложны, что приводит к огромным затратам, либо изучение недопустимо по каким-либо соображениям Модель состава В том случае, когда системного аналитика интересуют вопросы системы внутреннего устройства системы, модели черного ящика оказывается недостаточно. Для решения данного вопроса необходимо разрабатывать более детальные, более развитые модели. Одной из разновидностей таких моделей, раскрывающей внутренне содержание системы, является модель состава системы. Модель состава системы описывает из каких подсистем и элементов она состоит. Трудности построения модели состава: - в зависимости от цели исследования, постановки задачи по достижению данной цели и исходной информации, имеющейся для решения задачи, одну и ту же систему следует представить в виде различных частей, различных иерархий; - условным является также разбиение системы над подсистемы; - неоднозначность границ между системой и окружающей средой, которые определяются целями построения модели и не имеют абсолютного характера. Модель структуры Тип модели, который еще глубже характеризует внутреннюю системы композицию системы, называется моделью структуры системы. Модели данного типа наряду с характеристикой состава системы отражают взаимосвязи между объектами системы: элементами, частями, компонентами и подсистемами. Таким образом, модель структуры системы является дальнейшим развитием модели состава. Трудности построения модели структуры системы: - каждый элемент − «черный ящик», следовательно, все сложности построения модели черного ящика; - разные модели состава − разные модели структуры, следовательно, все сложности построения модели состава; - для одной модели состава можно строить разные модели структуры. 13 , Окончание табл. 1.3 Модель системы Динамические модели систем Описание Выше были построены модели, которые являются как бы «фотографиями» системы, отображают ее в некоторый момент времени. В этом смысле их можно назвать статическими моделями. Динамические модели отражают поведение систем, описывают происходящее с течением времени изменения, последовательность операций, действий, причинно-следственные связи. Системы, в которых происходят какие бы то ни было изменения со временем, называются динамическими, а модели, отображающие эти изменения, − динамическими моделями систем. Различают два типа динамики системы: ее функционирование и развитие. Под функционированием понимают процессы, которые происходят в системе (и окружающей ее среде), стабильно реализующей фиксированную цель. Развитием называют изменения, происходящие с системой при смене ее целей. Характерной чертой развития является тот факт, что существующая структура перестает соответствовать новой цели, и для обеспечения новой функции приходится изменять структуру, а иногда и состав системы. Всякая реальная динамическая система подчинена принципу причинности: отклик системы на некоторое воздействие не может начаться раньше самого воздействия. Условия, при которых модель отражает этот принцип, называются условиями физической реализуемости модели. 1.8. - - - 1. Основные признаки системы К основным признакам системы можно отнести следующие: целостность, связность или относительная независимость от среды и систем (это наиболее существенная количественная характеристика системы), с исчезновением связности исчезает и сама система, хотя элементы системы и даже некоторые связи, отношения между ними могут быть сохранены; наличие подсистем и связей между ними или наличие структуры системы (это наиболее существенная качественная характеристика системы), с исчезновением подсистем или связей между ними может исчезнуть и сама система; возможность обособления или абстрагирования от окружающей среды, т.е. относительная обособленность от тех факторов среды, которые в достаточной мере не влияют на достижение цели; связь с окружающей средой по обмену ресурсами; подчиненность всей организации системы некоторой цели; эмерджентность или несводимость свойств системы к свойствам элементов. Чтобы определить систему необходимо сделать следующее: Исходя из намеченных функций, система вычленяется (проводится граница) из внешней среды. 14 , 2. Четко определяется функция системы и в соответствии с ней система проверяется на полноту элементов, целостность, единство с позиции ее функционирования. 3. Строится структура системы. 4. Устанавливаются внутренние законы, по которым система функционирует и развивается 1.9. Понятия, характеризующие строение и функционирование систем Рассмотрим понятия, с помощью которых уточняют представление о системе и характеризуют ее строение и функционирование (табл. 1.4) [5, 9]. Таблица 1.4 Понятие Элемент Подсистема Структура (от латинского слова «structure», означающего строение, расположение, порядок) Связь Определение Это предел членения системы с точки зрения решения конкретной задачи или поставленной цели. Поскольку элемент выступает как своеобразный предел возможного членения объекта, собственное его строение (или состав) обычно не принимается во внимание в характеристике системы Представляет собой компонент более крупный, чем элемент, и в тоже время более детальный, чем система в целом. Возможность деления системы на подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы. Подсистема должна обладать свойствами системы, в частности свойством целостности Отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и их группами (компонентами, подсистемами), которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Структура может быть представлена: - в виде графического отображения; - в виде теоретико-множественных описаний; - в виде матриц; - в виде графов; - с помощью языков моделирования структур. Структуру часто стремятся представить в виде иерархии. Структуры систем бывают разного типа, разной топологии (или же пространственной структуры) Обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Данное понятие одновременно характеризует и строение, и функционирование системы. Связь можно охарактеризовать направлением, силой, характером (видом). По первым двум признакам связи делятся на направленные и ненаправленные, слабые и сильные. По характеру – на связи подчинения, связи порождения, равноправные, связи управления, связи развития, связи функционирования. 15 , Продолжение табл. 1.4 Понятие Состояние Поведение Равновесие Устойчивость Развитие Определение По месту приложения – внешние и внутренние. По направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах – прямые и обратные. Связи в конкретных системах могут одновременно характеризоваться несколькими из перечисленных признаков. Обратная связь является основой саморегулирования и развития систем, приспособления их к меняющимся условиям существования. Принцип обратной связи следует отличать от самой обратной связи. Обратная связь подразумевает наличие канала для передачи информации (воздействия) от управляемого объекта (с его выходов) к управляющему. Принцип обратной связи есть принцип коррекции входных воздействий в процессе управления на основе информации о выходе управляемой системы. Принцип обратной связи – это универсальный принцип управления, позволяющий в изменяющейся среде достигать заданной цели. В зависимости от характера самой цели выделяют положительные и отрицательные обратные связи. Отрицательная обратная связь – обратная связь, предназначенная для поддержания системы в заданном состоянии (при неизменном значении описывающих ее параметров), т.е. для достижения так называемой долговечной цели. Положительная обратная связь – обратная связь, предназначенная для перевода системы в новое состояние, которое зависит от сложившейся конкретной ситуации, т.е. для достижения текущей (меняющейся, конкретизирующейся) цели Понятие состояние характеризует мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты), либо макропараметры, макросвойства системы Если система способна переходить из одного состояния в другое (например, s1 → s2 → s3), то говорят, что она обладает поведением. Поведение можно представить как функцию st = f ( st −1 , yt , xt ), где yt, xt – соответственно управляющие и возмущающие (неконтролируемые) входы системы (помехи) Понятие равновесия определяют как способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранить свое состояние сколь угодно долго Способность системы возвращаться в состояние равновесия после того как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий, называют устойчивостью Если в системе количественные изменения характеристик элементов и их отношений в системе приводят к качественным изменениям, то такие системы называются развивающимися 16 , Окончание табл. 1.4 Понятие Цель Целеобразование (целеполагание) Определение Это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему Направление системного анализа, занимающееся исследованием процесса формулирования и анализа целей в системах разного рода 1.10. Классификация систем Классификацией называется распределение некоторой совокупности объектов на классы по наиболее существенным признакам. Признак или их совокупность, по которым объекты объединяются в классы, являются основанием классификации. Класс – это совокупность объектов, обладающих некоторыми признаками общности. Анализ существующих классификаций с учетом логических правил деления всего объема понятий, связанных с системами, позволяет сформулировать следующие требования к построению классификации: - в одной и той же классификации необходимо применять одно и то же основание; - объем элементов классифицируемой совокупности должен равняться объему элементов всех образованных классов; - члены классификации (образованные классы) должны взаимно исключать друг друга, т. е. должны быть непересекающимися; - подразделение на классы (для многоступенчатых классификаций) должно быть непрерывным, т. е. при переходах с одного уровня иерархии на другой необходимо следующим классом для исследования брать ближайший по иерархической структуре системы. Для выделения классов систем могут использоваться различные классификационные признаки (табл. 1.5) [2, 3, 6]. Таблица 1.5 Классификационные признаки Природа элементов Классы Характеристика различных классов систем Являются объектами реального времени Материальные Абстрактные Происхождение Это умозрительное представление образов или моделей материальных систем, которые подразделяются на описательные (логические) и символические (математические) Представляют собой совокупность объектов природы Это результат созидательной деятельности человека. Естественные Искусственные 17 , Продолжение табл. 1.5 Классификационные признаки Длительность существования Изменчивость свойств Классы Постоянные Временные Статические Динамические Квазистатические (квазидинамические) Степень сложности Простые Сложные Большие 18 Характеристика различных классов систем К постоянным обычно относятся естественные системы, хотя с точки зрения диалектики все существующие системы – временные. К постоянным относятся искусственные системы, которые в процессе заданного времени функционирования сохраняют существенные свойства, определяемые предназначением этих систем Системы, при исследовании которых можно пренебречь изменениями во времени характеристик их существенных свойств. Статическая система – это система с одним состоянием Эти системы имеют множество возможных состояний, которые могут меняться как непрерывно, так и дискретно Системы, находящиеся в неустойчивом положении между статикой и динамикой, которые при одних воздействиях ведут себя как статические, а при других воздействиях − как динамические Системы, которые с достаточной степенью точности могут быть описаны известными математическими соотношениями (пример: деталь, оконная задвижка, подбрасывание монеты и т.п.) Сложные системы − это системы, которые нельзя скомпоновать из некоторых подсистем. Это равноценно тому, что: а) наблюдатель последовательно меняет свою позицию по отношению к объекту и наблюдает его с разных сторон; б) разные наблюдатели исследуют объект с разных сторон. Пример: ЭВМ, условные рефлексы, выбор материала ветрового стекла автомобиля и т.п. Это системы, не наблюдаемые единовременно с позиции одного наблюдателя либо во времени, либо в пространстве. В таких случаях система , Продолжение табл. 1.5 Классификационные признаки Классы Степень взаимодействия с внешней средой Открытые Характеристика различных классов систем рассматривается последовательно по частям (подсистемам), постепенно перемещаясь на более высокую ступень. Каждая из подсистем одного уровня иерархии описывается одним и тем же языком, а при переходе на следующий уровень наблюдатель использует уже метаязык, представляющий собой расширение языка первого уровня за счет средств описания самого этого языка. Создание этого языка равноценно открытию законов порождения структуры системы и является самым ценным результатом исследования. Пример: АСУ, промышленные предприятия, воинские части и т.п. Эти системы обладают особенностью обмениваться с внешней средой массой, энергией, информацией Эти системы изолированы от внешней среды Замкнутые (или закрытые) Степень организованности Хорошо организованные Система, у которой определены все элементы, их взаимосвязь, правила объединения в более крупные компоненты, связи между всеми компонентами и целями системы, ради достижения которых создается или функционирует система. При этом подразумевается, что все элементы системы с их взаимосвязями между собой, а также с целями системы можно отобразить в виде аналитических зависимостей. Пример: сложное электронное устройство При представлении объекта в виде плохо организованной системы не ставится задача определить все учитываемые компоненты, их свойства и связи между собой, а также с целями системы. Для плохо организованной системы формулируется набор макропараметров и функциональных закономерностей, которые будут ее характеризовать Плохо организованные 19 , Окончание табл. 1.5 Классификационные признаки Классы Характеристика различных классов систем Системы, обладающие свойством адаптации к изменению условий внешней среды, способные изменять структуру при взаимодействии системы со средой, сохраняя при этом свойство целостности; системы способные формировать возможные варианты поведения и выбирать из них наилучшие. Пример: биологические системы, предприятия и их система управления, городские структуры управления и т.п. Самоорганизующиеся Контрольные вопросы 1. Объясните, что такое системность. Как Вы понимаете тезис: «системность – всеобщее свойство материи»? 2. Что такое системный подход, системные исследования и системный анализ? 3. Состав задач системного анализа. 4. Назовите принципы системного анализа. 5. Когда применяются методы системного анализа? 6. Состав общей теории систем. 7. Дайте определение понятия «система». 8. Что такое элемент, подсистема и структура системы? 9. Определите понятие «связь». Что такое обратная связь? 10. Понятие состояния и поведения системы. 11. Дайте определение внешней среды. 12. Что такое модель? Модель черного ящика, модель состав системы и модель структуры системы. 13. Дайте классификацию систем по признакам. 2. ЛОГИКА И МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА 2.1. Логические основы системного анализа Логика (греч. logos – речь, мысль, разум) есть наука о законах, формах и приемах правильного построения мысли, т. е. мышления, направленного на познание объективного мира [6]. Основные задачи логики: − выявление условий достижения истинных знаний, − изучение внутренней структуры мыслительного процесса, − выработка логического аппарата и правильного метода познания. Виды логики, обусловленные наличием двух аспектов мышления (содержательного и формального): 20