Теория систем и системный анализ

ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ Формализацией мы называли процесс выделения существенных для моделирования свойств объекта и связей между ними, с целью их описания. В более широком смысле слова под формализацией понимают построение теории или какой-либо области знания в таком виде, который допускает использование математических (строгих) методов исследования. Можно сказать, что формализация – это отображение результатов мышления в точных понятиях. В современной науке процесс формализации (в широком смысле) неотделим от методологии, основанной на системном подходе. Системный подход – это методология анализа объектов, в основе которой лежит рассмотрение изучаемых объектов как систем. Система (греч. συστεμα – целое, составленное из частей, соединенное) – это совокупность взаимодействующих, взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность. Любой объект окружающего мира можно рассматривать как систему. Сам этот термин указывает на необходимость комплексного, всестороннего исследования объекта в отличие от ранее принятого разделения исследований на физические, химические, биологические и т.д. На этой междисциплинарной основе можно получить более полные представления о реальных объектах, выявить их новые свойства, определить взаимоотношения объекта и внешней среды и т.д. Применение методологии системного подхода позволяет решать задачи проектирования, анализа целенаправленной деятельности, функционирования, планирования, управления и оптимизации для систем самой разнообразной природы и сложности. Общие свойства и закономерности различных систем исследуются наукой, которая впоследствии получила название «теория систем». Её первую концепцию выдвинул во второй половине XX века австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи. Согласно его определению, общей теорией систем называется наука, занимающаяся изучением преимущественно больших и сложных систем. Предшественниками фон Берталанфи были А.А.Богданов, В.И.Вернадский, Н.Винер и др. [Выдающийся кибернетик Уильям Росс Эшби так писал в 1966 году об общей теории систем: «По сути дела, в течение двухсот лет наука одерживала победы главным образом благодаря тому, что она исследовала многие представляющие большой практический интерес системы, взаимодействие отдельных частей в которых было довольно слабым... Однако, начиная с сороковых годов, предпринимаются серьезные попытки исследования динамических систем, отличающихся большими размерами и наличием богатых внутренних связей... Так возникла теория систем – попытка объединения научных принципов, которые могли бы служить ориентиром в нашем стремлении овладеть динамическими системами».] Понятия «большая система» и «сложная система» достаточно субъективны. Большие системы — это системы, в которых число разных состояний элементов или взаимосвязей между элементами комбинаторно велико или несчетно. <Примеры> При исследовании больших систем перебор состояний системы исключен. Для них требуются специфические методы исследования и синтеза. Одним из таких методов является декомпозиция системы, разбиение ее на подсистемы. Сложные системы — это системы, обладающие большим числом достаточно сильных взаимосвязей между составляющими их элементами. <Примеры> Процессы в сложных системах не могут быть описаны на языке классической математики, аналитическими средствами. Например, в классической аналитической математике аргументы функций не зависят друг от друга, не зависят от значений функций. В сложных же системах мы встречаем отношения, при которых не только значение функции определяется своими аргументами, но и сами аргументы зависят от функции и друг от друга. [Примером ситуации такого рода является широко известная в физике задача многих тел: требуется описать систему, состоящую из нескольких взаимодействующих тел, где каждое из тел системы определяет движение других, но те, в свою очередь, также влияют на его движение. Отношения в такой системе симметричны. В этих взаимодействиях нет причин и следствий, поэтому нет возможности использовать привычный аппарат математических функций. В результате, задача многих тел в общей постановке до сих пор не решена аналитически.] Отметим, что большая система не обязательно должна быть сложной, а сложная – не обязательно должна быть большой. В настоящее время трактовка теории систем, данная Л. фон Берталанфи, значительно расширена. В современном понимании, теория систем – это направление системных исследований, целью которых является изучение: - различных видов и типов систем; - основных принципов и закономерностей поведения систем; - функционирования и развития систем. Теория систем выявляет наиболее общие закономерности систем, не зависящие от их природы, уровня сложности и т.п., и создает, тем самым, основу для системного подхода. Изучение и описание объекта как системы неизбежно связано с моделированием. Моделирование систем осуществляется на двух уровнях. На внешнем уровне происходит выделение самой системы и её связей с внешней средой. На внутреннем уровне моделирование системы состоит в выделении элементов системы и связей между ними. На практике при моделировании систем решаются два типа задач: – задача анализа (исследование свойств уже существующей системы); – задача синтеза (построение новой системы с заранее заданными свойствами). Применение системного подхода к решению прикладных задач привело к возникновению дисциплины под названием «системный анализ». Современный системный анализ является наукой, изучающей структуру, свойства и поведение абстрактных систем с целью их описания и управления ими. Рассмотрим основные понятия теории систем и системного анализа. Определить систему – это значит выделить её из состава внешней среды. Элемент системы – это некоторая самостоятельная часть системы; разделить систему на элементы можно различными способами, в зависимости от решаемой задачи. Для любой системы существует системообразующий фактор – то, что объединяет элементы в систему и придает ей целостность. Подсистема – это группа элементов системы, которая сама является системой более низкого уровня. Каждый элемент системы можно рассматривать как её подсистему. С другой стороны, вся система может быть элементом более общей системы (надсистемы). Любая система имеет структуру. Структура отображает состав элементов системы и связи между ними. Состояние системы задаётся набором значений, которые принимают основные характеристики системы в определённый момент времени. Поведение системы – это процесс перехода системы из одного состояния в другое. Если переход системы из одного состояния в другое происходит скачкообразно, то система называется дискретной. Если же при переходе между любыми двумя состояниями система обязательно проходит через некоторое промежуточное состояние, то она называется динамической (непрерывной). Системный подход базируется на ряде основополагающих принципов, которые задают общее направление изучения реальных объектов как систем, и учитываются в любых исследованиях системного характера. Основные принципы теории систем и системного анализа: 1. Целостность (связность системы, обеспечивающаяся наличием более сильных связей между ее элементами, чем связей между системой и внешней средой; относительная независимость и отделенность системы от внешней среды). 2. Эмерджентность (несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов). 3. Структурность (наличие у любой системы структуры, т. е., определенных элементов и сети связей и отношений между ними). 4. Иерархичность (наличие отношений внутри системы в соответствии с определенной иерархией, а также включение рассматриваемой системы как подсистемы во внешние иерархии систем). 5. Целеполагание (стремление системы к определенному предпочтительному для нее состоянию, выступающему в качестве цели системы). Одной из задач теории систем является классификация систем по различным признакам. В частности, системы классифицируются по сложности, детерминированности, характеру поведения и характеру взаимодействия с внешней средой. По степени сложности системы делятся на простые, сложные и сверхсложные. Простые системы имеют простую структуру и достаточно легко поддаются математическому описанию. Сложные системы имеют много элементов и достаточно много сильных внутренних связей между элементами. Как следствие, математическое описание таких систем очень усложняется. Сверхсложные системы имеют очень сложную структуру и очень большое количество сильных внутренних связей. Такие системы практически не поддаются математическому описанию и могут быть исследованы только методами имитационного моделирования. Сложность системы также может определяться её поведением (например, существуют системы, сочетающие непрерывное и дискретное поведение; такие системы, безусловно, являются слож­­ными). По детерминированности выделяются детерминированные и стохастические системы. Стохастическими называют системы, на поведение которых оказывают влияние случайные факторы. По характеру поведения системы делятся на дискретные и динамические (см. выше). Изучению динамических систем уделяется особое внимание. Для описания таких систем надо определить их входы (способность воспринимать воздействия других систем), выходы (способность данной системы воздействовать на другие) и механизмы функционирования (преобразования входных воздействий в изменения состояний и выходы системы). Три перечисленных выше подхода к классификации систем можно комбинировать. Тогда говорят о дискретно-детерминированных системах, сверхсложных стохастических системах и т.п. По характеру взаимодействия со средой системы делятся на замкнутые (не сообщающиеся с внешней средой) и открытые (в которых происходит постоянное взаимодействие с внешней средой, например, обмен энергией и веществом). Необходимо отметить, что абсолютно замкнутыми могут быть только абстрактные системы; в реальных системах всегда есть какое-то количество внешних связей. Выше уже говорилось, что системный подход неизбежно связан с моделированием. С одной стороны, моделирование – это главный инструмент системного подхода. Оно является центральным этапом исследования или проектирования любой системы. С другой стороны, системный подход – это одна из методологических основ моделирования, применяемая, в первую очередь, при моделировании сложных и сверхсложных объектов или процессов. В соответствии с системным подходом при построении модели необходимо, во-первых, определить систему, а во-вторых, разработать не только модель самой системы, но и модель ее взаимодействия с внешней средой. Кроме того, при построении модели объекта проводится его системный анализ: выявляется, из каких элементов и подсистем состоит объект, каковы цели объекта как системы (что определяет его целенаправленное поведение), что является его системообразующим фактором, каковы структура объекта и его иерархическое строение, какие его свойства несводимы к сумме свойств его элементов, каковы основные функции объекта и как они зависят от его структуры и его свойств. Таким образом, сравнивая классический и системный подход в исследованиях или проектировании, можно отметить, что классический подход рассматривает объект путем перехода от частного к общему (или синтезирует объект из частей путем слияния компонент). Системный же подход предполагает последовательный переход от общего к частному (т.е., от цельного представления о системе к её отдельным свойствам). В современных условиях, когда большинство научных, технических, социально-экономичес­ких задач связано с большими, сложными и сверхсложными системами, приоритетным является системный подход, а теория систем, системный анализ и моделирование играют все более важную роль.