Основы-системного-анализа. Модуль основы системного анализа и моделирование экосистем
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Второе высшее образование 3 МОДУЛЬ 3. ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОСИСТЕМ Введение Проблемы взаимодействия человека с биосферой всегда носят системный, меж- дисциплинарный характер. В исследованиях этих проблем не обойтись без культуры моделирования, профессионального использования методов обработки информации, методов определения рисков в исследовании устойчивости биоценозов по отношению к антропогенным воздействиям. С одной стороны, проблемы экологии – это проблемы естественнонаучные и социальные, которые нельзя разделить, с другой – проблемы экологии требуют от исследователя принятия решений, адаптирующих человеческую деятельность к естественным циклам круговорота веществ в природе. Наука вступила в ту фазу своего развития, когда приходится иметь дело с явле- ниями не просто сложными, а комплексными, лежащими в различных областях знания. Развитие физики, математики, химии и других наук подготовило почву к комплексному исследованию проблем. Это нашло свое отражение в создании новой технологии исследований – системному подходу, системному анализу процессов и явлений. Системный анализ – это дисциплина не математическая. Он адаптирует методы, основанные на анализе формализованных моделей, во многом использует методы теорий исследования операций, статистического анализа, графов, игр и других мате- матических методов, но не исчерпывается использованием только этих методов. Как всякая синтетическая дисциплина, он широко использует качественное, вербальное описание. Что Вы будете изучать: Понятие и определение системного анализа. Объект и предмет системного анализа. Исторический аспект развития системного анализа. Связь системного анализа с другими дисциплинами. Особенности поведения сложных систем. Модели и моделирование. Критерии, используемые при принятии решений. Модуль 3 4 Цели модуля: ознакомить с основными понятиями системного анализа; дать представление об основных закономерностях проведения системного ана- лиза; обучить использованию различных математических методов при изучении экосис- тем; принимать конкретные решения и делать выводы на основе проведенного анализа. После изучения модуля Вы сможете: систематизировать и структурировать свои знания об изучаемом объекте; выделить основные компоненты и элементы системы; выбрать метод или методы исследований, наиболее подходящие для данной сис- темы; проанализировать полученные результаты; сделать конкретные выводы и разработать рекомендации для дальнейшего взаимодействия с экосистемой. Основная литература 1. Чепурных Н.В., Новоселов А.Л. Планирование и прогнозирование приро- допользования. Уч. пособие. М.: Интерпракс, 1995. 2. Гирусов Э.В., Бобылев С.Н., Новоселов А.Л., Чепурных Н.В. Экология и экономика природопользования. М., 1998. Дополнительная литература 1. Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития экологических сис- тем. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 2. Чепурных Н.В., Новоселов А.Л. Экономика и экология: развитие, катастро- фы. М.: Наука, 1996. Ключевые слова Система, системный анализ, системный подход, цели, ресурсы, мо- дель, устойчивость, прогноз, принятие решений. Второе высшее образование 5 3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В настоящее время не существует единой точки зрения по поводу содержания понятия системный анализ и область его применения. Наиболее точно отражающей понятие и цели использования системного анализа в решении конкретных проблем представляется следующая трактовка системного анализа. Задание 3.1. Подумайте, с какими системами Вы уже встречались в своей практике? Какие проблемы возникают при их изучении? Какими методами можно их проанализировать? Системный анализ – это конкретное теоретико-прикладное направление исследо- ваний, основанное на системной методологии и характеризующееся определенными принципами, методами и областью применения. Какие задачи решают с помощью системного анализа? Характерным для системного анализа является то, что поиск лучшего решения проблемы начинается с определения и упорядочения целей деятельности системы, при функционировании которой возникла данная проблема. При этом устанавливается соответствие между этими целями, возможными путями решения возникшей проблемы и потребными для этого ресурсами. Системный анализ характеризуется, главным образом, упорядоченным, логическим подходом к исследованию проблем и использованию существующих методов их ре- шения, которые могут быть разработаны в рамках других наук. Системный анализ предназначен для решения, в первую очередь, слабоструктури- рованных проблем, т.е. проблем, состав элементов и взаимосвязей которых уста- новлен только частично, задач, возникающих в ситуациях, характеризуемых наличием фактора неопределенности и содержащих неформализуемые элементы, непереводи- мые на язык математики. Одна из задач системного анализа – раскрытие проблем, стоящих перед руководи- телями, принимающими решения, настолько, чтобы им стали очевидны все основные последствия решений, которые можно было учитывать в своих действиях. Системный анализ помогает ответственному за принятие решения лицу более строго подойти к оценке возможных вариантов действий и выбрать наилучший из них с учетом допол- нительных, неформализуемых факторов и моментов. Какие этапы можно выделить при проведении системного анализа? Системный анализ – это всесторонний анализ, использующий принцип поэтап- ности: постановка цели, Системный анализ – это совокупность определенных научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем, возникающих во всех сферах целенаправленной деятельности общества, на основе системного под- хода и представления объекта исследований в виде системы. Модуль 3 6 определение задач, формулировка научной гипотезы, всестороннее изучение особенностей оптимального варианта (размещения про- изводства). При этом критерием оптимальности является эффективность, т. е. наибольшее удовлетворение потребностей населения. С какими дисциплинами связан системный анализ? Каковы его специфические методы исследований? Системный анализ – самостоятельная научная дисциплина, имеющая свою собст- венную теорию. Это разработанный специфический формальный аппарат и особые ме- тоды для практики. Одна из задач системного анализа – определение всего комплекса мероприятий, необходимых для достижения поставленных целей. При этом выявляются нерешенные проблемы, узкие места, требующие первоочередного внимания и концентрации ре- сурсов. Претерпев длительную историческую эволюцию, понятие система с середины ХХ в. становится одним из ключевых философско-методологических и специально- научных понятий. В современном научном и техническом знании разработка проблематики, связан- ной с исследованием и конструированием систем разного рода, проводится в рамках системного подхода, общей теории систем, теории систем в кибернетике, системотех- нике, системном анализе и т. д. Системный анализ можно охарактеризовать как науку об общих закономерностях строения и поведения сложных систем. Специфическим формальным его аппаратом являются экспертные системы, системно-динамические, дискретные (кибернетические) и интегральные модели. Задачи системного анализа в тех или иных случаях решаются с помощью различных отраслей современной математики: исследования операций, теории игр, оптимального управления, дискретной математики и иных. Прикладные разделы системного анализа касаются экономики и производственного менеджмента, прикладной экологии и природопользования, политологии, социологии, военного дела, отдельных отраслей медицины и демографии, информатизации, конст- руирования больших систем производственно-технического назначения. Привлечение методов системного анализа для решения указанных проблем необ- ходимо прежде всего потому, что в процессе принятия решений приходится осуществ- лять выбор в условиях неопределѐнности, которая обусловлена наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке. Что является объектом системного анализа? Система (от греч. systema – целое, составленное из частей; соединение), множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, обра- зующих определенную целостность, единство. Второе высшее образование 7 3.1.1. Объект системного анализа Объект системного анализа в теоретическом аспекте – это процесс подготовки и принятия решений; в прикладном аспекте – это различные конкретные проблемы, воз- никающие при создании и функционировании систем. В теоретическом аспекте системный анализ позволяет выделить: общие закономерности проведения исследований, направленные на поиск наи- лучших решений различных проблем на основе системного подхода; конкретные научные методы исследований; составные части проблемы; опреде- лить взаимосвязи, существующие как между элементами системы, так и между сис- темой и внешней средой и т.п.; различные методы и приемы исследований, разработанные в рамках других дис- циплин, но применимые для конкретной ситуации. В прикладном аспекте системный анализ вырабатывает рекомендации по созданию принципиально новых или усовершенствованных систем. Что является предметом системного анализа? В чем состоит его двойственность? 3.1.2. Предмет системного анализа Выделить предмет системного анализа, т.е. отнести системный анализ к категории наук, не представляется возможным, поскольку решением указанных выше проблем занимается целый ряд наук и научных направлений. Главная цель системного анализа – выработка конкретных рекомендаций, в том числе и на основе использования достижений теоретических наук в при- кладных целях. Это дает право говорить о двойственной природе системного анализа. С одной стороны, это теоретическое и прикладное научное направление, использующее в своих целях достижения многих других наук (точных: математика, гуманитарных: экономика, социология). С другой – системный анализ – это искусство, сочетающее объективные и субъективные аспекты, присущие как самому процессу анализа, так и процессу при- нятия решений на основе его данных. В последнем случае индивидуальные особен- ности лиц, принимающих решения (должностные, профессиональные, возрастные, творческие и жизненные позиции), оказывают непосредственное влияние на оконча- тельное решение проблемы. Каковы основные закономерности проведения системного анализа? 3.1.3. Основные закономерности проведения системного анализа Для системного анализа характерно наличие определенных типов стандартных компонентов, которые практически всегда присутствуют в анализе любой проблемы. Сочетание этих элементов в определенной последовательности, диктуемой структурой проблемы и причинно-следственными связями, приводит к ее системному решению. Модуль 3 8 При решении задач этой логической цепочки используются различные модели и критерии. Умение правильно использовать логические элементы системного анализа приводит к достижению желаемого результата. Цели. Это желаемые состояния системы или результаты ее деятельности, дости- жимые в пределах некоторого интервала времени. Цели деятельности вытекают из объективных потребностей и имеют иерархический характер. Цели верхнего уровня не могут быть достигнуты, пока не достигнуты цели ближайшего нижнего уровня. По мере перемещения вниз по уровням иерархии сис- темы цели конкретизируются. Цели должны быть сформулированы конкретно и четко, обеспечивая возможность количественной или порядковой (больше–меньше, лучше–хуже) оценки степени их до- стижения. Цели должны быть конкретизированы по времени и исполнителям. Пути достижения поставленных целей. Проблема нахождения наилучшего пути достижения поставленной цели распадается на две части: выбор из множества возможных вариантов наиболее рациональных и домини- рующих; выбор наилучшего варианта из рациональных. Потребные ресурсы. Основное свойство ресурсов – это их ограниченность, что требует их приоритетного выделения и экономного расходования. В связи с этим появ- ляется проблема взаимозаменяемости ресурсов. Ресурсы являются фильтром, через который пропускают принимаемое решение. Цели и стратегии должны соответствовать имеющимся ресурсам. Если ресурсов недо- статочно, то цели и стратегии должны быть скорректированы. Этот процесс продолжа- ют до тех пор, пока не будет обеспечена потребность целей и стратегий ресурсами. Однако пересмотр целей и стратегии возможен и в том случае, если один или не- сколько ресурсов недоиспользуются. В чем сходство и различие системного анализа и системного подхода? 3.1.4. Развитие системного анализа в историческом аспекте Сейчас очень часто используют выражения "системный анализ", "системный под- ход", "теория систем". И это не случайно. Наука вступила в ту фазу своего развития, когда приходится иметь дело с комплексными явлениями, в основе их лежат процессы Цели Пути достижения целей Потребные ресурсы Основные элементы системного анализа Второе высшее образование 9 разной природы, для анализа которых должны использоваться различные, но свя- занные между собой модели. Системный анализ и возникшая в его рамках технология исследований становятся все более необходимыми. Наука за всю историю своего су- ществования подготовила переход от изучения отдельных фактов к изучению явления в целом на основе анализа комплекса моделей. Большую роль в изучении любой науки играет осмысление исторических аспектов возникновения того или иного явления. Первые представления о системевозникли в античной философии, выдвинувшей онтологическое истолкование системы как упорядоченности и целостности бытия. Воспринятые от античности представления о системности бытия развивались в кон- цепциях Спинозы и Лейбница, затем при построении научной систематики XVII– XVIII вв., стремившейся к естественной интерпретации системности мира (например, классификация К. Линнея). Принципы системной природы знания разрабатывались в немецкой классической философии. Согласно Канту, научное знание есть система, в которой целое главенст- вует над частями. Шеллинг и Гегель трактовали системность познания как важнейшее требование диалектического мышления. Большую роль в развитие системного мышления внесла школа русских естество- испытателей, стремившихся к построению синтетических конструкций на основе де- тального анализа отдельных фактов. Достаточно вспомнить Д.И.Менделеева, создавшего "модель химии". В.И.Вернадс- кий создал концепцию синтеза взаимообусловленности развития живых и косных форм материи на Земле. В.И.Вернадский был первым, кто установил единство и взаимосвязь биотического и абиотического и необходимость изучения биосферы как единого це- лого. В.Н.Сукачев ввел понятие биогеоценозов. Внутренние связи биогеоценозов прева- лируют над внешними. Связи между биогеоценозами осуществляются главным обра- зом через геохимические циклы. Д.Н.Прянишников доказал, что почва – это сложнейшая система или даже орга- низм, созданный почвенной микрофлорой и растениями. Модель биосферы не может быть построена без анализа почвенных процессов. В трудах Н.В.Тимофеева-Ресовского окончательно было сформулировано опреде- ление биогеоценоза, которое используется в настоящее время при построении мате- матических моделей. Биогеоценоз – это часть пространства, через которое не про- ходят "существенные" геохимические границы. В настоящее время проблемы взаимоотношения человека и биосферы сделались особенно актуальными. Изучение антропогенных влияний человека на окружающую среду требует совместной деятельности целого ряда специалистов самой разной квалификации, имеющих разные взгляды на один и тот же предмет. В настоящее время работы в области системного анализа ведутся по следующим главным направлениям: философское; математическое – в рамках теории множеств, исследования операций, автомати- ческого регулирования, методов оптимизации дискретной математики, моделирова- ния на ЭВМ и другие; прикладное (в том числе и информационное обеспечение). В научной среде распространены близкие термины системный анализ и сис- темный подход (рис. 3.1). Если первый термин еще можно трактовать как специфи- ческую научную дисциплину, то второй – однозначно понимается как подход, который Модуль 3 10 Рис. 3.1. Схема методологии системного подхода Рис. 3.2. Схема методологии общей теории систем Системный подход Формирование четкой картины мира, с выделением подсистем и взаимосвязанных частей, которые образуют единое целое Способствует выработке метода мышления Необходим для анализа всех сложных объектов и явлений Позволяет определить функции компонентов и элементов системы Обеспечивает основу для представления отдельных фактов в виде единого целого Общая теория систем – всеобъемлющая теория ; фундамент научного исследования. Главная ее цель – создание направляющей основы Особенности: изучает абстрактные сис- темы; объединяет теории различных аспектов пове- дения систем; использует достижения математики; имеет общенаучные поня- тия; охватывает специа- лизированные теории по конкретным классам мо- делей Требования – должна быть: общей; иметь научный характер; постоянно мо- дифицироваться В результате НТР возникли сложные технические конструкции, комплексы технологий и совокупностей хозяйственных связей. Эпоха перехода от "века анализа" к "веку синтеза" Недопустимость хаоса в структурах, где одно зави- сит от другого. Развились знания, которые можно объединить в одно целое. Создание общей теории систем 1937 г. Чикаго предложил считать вид комплексом взаимодействия элементов и назвал его " открытой системой". В 1951 г. он опубликовал статью, в которой впервые появляется термин "общая теория систем" Почему? Когда? Как? Что? Кто? Где? Второе высшее образование 11 может быть результативным в любой предметной области. Таким образом, системный анализ можно рассматривать как основу для современного научного мышления. Системный анализ – это не только методология, но еще и приложение к практике, а именно: специфический комплекс методов и приемов проектирования, прогнозирова- ния, принятия решений, анализа проблемных ситуаций, информационного обеспе- чения (рис. 3.2). Любые химические законы, упрощенно говоря, вытекают из уравнения Шредингера, которое практически невозможно решить при описании реакций даже простых сое- динений. Между тем уравнения гораздо большей степени сложности и размерности надо было решать, чтобы описать поведение биологических, экологических, экономи- ческих и социальных систем. Попытки описать все имеющиеся сложные системы с помощью редукции их к сумме некоторых простых элементов, применить для описания этих систем аппарат класси- ческой физики и математики потерпели крах. Перед учеными встала проблема созда- ния новой методологии и конкретных методик, адекватных специфике поведения слож- ных систем. Первой попыткой создания такого рода методологии можно считать работы нашего соотечественника А.А.Богданова, который, начиная с 1912 г. и до самого конца своей жизни (1928 г.), разрабатывал основы новой науки – тектологии. Основы тектологии, или всеобщей науки об организации, были изложены им в книге «Всеобщая организа- ционная наука. (Тектология)». А.А.Богданов настаивал на том, что его подход есть общенаучная методология, а не философия. Изучение и прогнозирование «динамики элементов», свойственных механистическому подходу, заменялись, таким образом, изучением и прогнозирова- нием «динамики структур». Количественные характеристики как таковые не отрица- лись, они стали носить подчиненный характер. Занимаясь междисциплинарными исследованиями, Берталанфи убеждался, что объединить различные исследовательские программы в рамках одного проекта чрез- вычайно трудно, если пытаться сделать это на основе изучения «физической» специ- фики отдельных элементов сложной системы (например, типа «человек–машина»). Междисциплинарные исследования гораздо эффективнее протекали, если принимался другой принцип изучения проблемы – поиск общих закономерностей поведения систем принципиально различной природы. Таким образом, применение современных математических методов, объединен- ных в рамках математической кибернетики и исследования операций, позволяли найти общий подход к описанию систем различной физической природы. Подобные проблемы Берталанфи группировал в три вида (три вида системных ис- следований, соответственно): Инженерия систем – научное планирование, проектирование, оценка и конструи- рование систем «человек–машина»: Исследование операций – научное управление существующими системами людей, машин, материалов, веществ, денег и иные; Человеческая инженерия – научная адаптация систем и особенно машин для по- лучения максимальной эффективности при минимальных затратах. Современная наука и практика многократно подтверждали правоту такого подхода. В 70–80-х годах нашего столетия системные исследования в России и странах быв- шего СССР идут все интенсивнее. Объектом их становятся отдельные сложные конк- ретные человеко-машинные системы, большие социально-экономичекие и экологичес- кие системы. Ведущие научные коллективы объединяются во Всесоюзный институт Модуль 3 12 системных исследований АН СССР (до 1992 г. ВНИИСИ АН СССР) – ныне Институт системного анализа РАН (ИСА РАН). В своих исследованиях ученые широко ис- пользуют достижения математической кибернетики и исследование операций. Появ- ление быстродействующих вычислительных машин, работающих в диалоге с исследо- вателем, также способствует реализации методологии системного анализа, ибо подав- ляющее большинство таких математических задач не имеют аналитических решений и разрешимы только численными методами. Процедуры и методы системного анализа направлены именно на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределѐн- ности по каждому из вариантов и сопоставление вариантов по тем или иным критериям эффективности. |