Теория систем и системный анализ. Теория систем и системный анализ слово система (организм, строй, союз, целое, составленное из частей) возникло в Древней Греции около 2000 лет
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
2. ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ Слово «система» (организм, строй, союз, целое, составленное из частей) возникло в Древней Греции около 2000 лет назад. Древние ученые (Аристотель, Декарт, Платон и другие) рассматривали сложные тела и процессы как составленные из различных систем (например, атомов). Развитие астрономии Коперником, Галилеем, Ньютоном и др. позволило перейти к гелиоцентрической системе мира, к категориям типа «целое и часть», «сходство и различие» и др. Далее развитие теории систем и системного анализа происходит под влиянием различных философских воззрений, теорий о структуре познания и возможности предсказания (Бэкон, Гегель, Кант и другие). В результате такого развития системный анализ выходит на позиции методологической науки. Естествоиспытатели XIX-XX вв. (Богданов, Винер, Эшби и другие) не только актуализировали роль модельного мышления и моделей в естест- вознании, но и сформировали основные системообразующие принципы, принципы системности научного знания, «соединили» теорию открытых систем, философские принципы и достижения естествознания. Современное развитие теория систем, системный анализ получили под влиянием достижений как классических областей науки (математика, физика, химия, биология, история и др.), так и неклассических областей (синергетика, информатика, когнитология, теории нелинейной динамики и динамического хаоса, катастроф, нейроматематика, нейроинформатика и др.). Необходимо особо подчеркнуть влияние техники (с древнейших времен) и технологии (современности) на развитие системного анализа, в частности, на ее прикладную ветвь – системотехнику, на методологию проек- тирования сложных технических систем. Это влияние – взаимное: развитие техники и технологии обогащает системный анализ новыми методами, моделями, средами. Различают три ветви науки, изучающей системы: − собственно, теорию систем (системологию) которая изучает теоретические аспекты и использует теоретические методы (теория информации, теория вероятностей, теория игр и др.); − системный анализ (методологию, теорию и практику исследования систем), которая исследует методологические, а часто и практические аспекты и использует практические методы (математическая статистика, исследование операций, программирование и др.); − системотехнику (практику и технологию проектирования и исследования систем). Общим у всех этих ветвей является системный подход, системный принцип исследования – рассмотрение изучаемой совокупности не как простой суммы составляющих (линейно взаимодействующих объектов), а как совокупности нелинейных и многоуровневых взаимодействующих объектов. Любую предметную область также можно определить как системную, например, информатику можно определить как науку, изучающую информационно-логические и алгоритмические аспекты системных процессов, системные аспекты информационных процессов. Это определение можно считать системным определением информатики. Системный анализ тесно связан с философией. Философия дает общие методы содержательного анализа, а системный анализ – общие методы формального, межпредметного анализа предметных областей, выявления и описания, изучения их системных инвариантов. Системный анализ предоставляет к использованию в различных науках, системах следующие системные методы и процедуры: − абстрагирование и конкретизация; − анализ и синтез, индукция и дедукция; − формализация и конкретизация; − композиция и декомпозиция; − линеаризация и выделение нелинейных составляющих; − структурирование и реструктурирование; − алгоритмизация; − моделирование и эксперимент; − программное управление и регулирование; − распознавание и идентификация; − экспертное оценивание и тестирование; − верификация и др. 2.1. Описание и этапы анализа систем Имеются следующие основные типы ресурсов в природе и в обществе. 1. Вещество – наиболее хорошо изученный ресурс, который в основном представлен таблицей Д.И. Менделеева достаточно полно и пополняется не так часто. Вещество выступает как отражение постоянства материи в природе, как мера однородности материи. 2. Энергия – не полностью изученный тип ресурсов, например, мы не владеем управляемой термоядерной реакцией. Энергия выступает как отражение изменчивости материи, переходов из одного вида в другой, как мера необратимости материи. 3. Информация – мало изученный тип ресурсов. Информация выступает как отражение порядка, структурированности материи, как мера порядка, самоорганизации материи (и социума). Сейчас этим понятием мы обозначаем некоторые сообщения. 4. Человек – выступает как носитель интеллекта высшего уровня и является в экономическом, социальном, гуманитарном смысле важнейшим и уникальным ресурсом общества, рассматривается как мера разума, интеллекта и целенаправленного действия, мера социального начала, высшей формы отражения материи (сознания). 5. Организация (или организованность) выступает как форма ресурсов в социуме, группе, которая определяет его структуру, включая институты человеческого общества, его надстройки, применяется как мера упорядоченности ресурсов. Организация системы связана с наличием некоторых причинно-следственных связей в этой системе. Организация системы может иметь различные формы, например, биологическую, информационную, экологическую, экономическую, социальную, временную, пространственную, и она определяется причинно-следственными связями в материи и социуме. 6. Пространство – мера протяженности материи (события), распределения ее (его) в окружающей среде. 7. Время – мера обратимости (необратимости) материи, событий. Время неразрывно связано с изменениями действительности. Можно говорить о различных полях, в которые «помещен» человек, – материальном, энергетическом, информационном, социальном, об их пространственных, ресурсных (материя, энергия, информация) и временных характеристиках. Пример. Рассмотрим простую задачу – пойти утром на занятия в вуз. Эта задача, часто решаемая студентом, имеет все аспекты: 1. Материальный, физический аспект – студенту необходимо переместить некоторую массу, например, учебников и тетрадей на нужное расстояние. 2. Энергетический аспект – студенту необходимо иметь и затратить конкретное количество энергии на перемещение. 3. Информационный аспект – необходима информация о маршруте движения и месторасположении вуза и ее нужно обрабатывать по пути своего движения. 4. Человеческий аспект – перемещение, в частности, передвижение на автобусе невозможно без человека, например, без водителя автобуса. 5. Организационный аспект – необходимы подходящие транспортные сети и маршруты, остановки и т.д. 6. Пространственный аспект – перемещение на определенное расстояние. 7. Временной аспект – на данное перемещение будет затрачено время (за которое произойдут соответствующие необратимые изменения в среде, в отношениях, в связях). Все типы ресурсов тесно связаны и сплетены. Более того, они невозможны друг без друга, актуализация одного из них ведет к актуализации другого. Пример. При сжигании дров в печке выделяется тепловая энергия, тепловая энергия используется для приготовления пищи, пища используется для получения биологической энергии организма, биологическая энергия используется для получения информации (например, решения некоторой задачи), перемещения во времени и в пространстве. Человек и во время сна расходует свою биологическую энергию на поддержание информационных процессов в организме; более того, сон – продукт таких процессов Социальная организация и активность людей совершенствует информационные ресурсы, процессы в обществе, последние, в свою очередь, совершенствуют производственные отношения. Если классическое естествознание объясняет мир исходя из движения, взаимопревращений вещества и энергии, то сейчас реальный мир, объективная реальность могут быть объяснены лишь с учетом сопутствующих системных, и особенно системно-информационных и синергетических процессов. Особый тип мышления – системный, присущий аналитику, который хочет не только понять суть процесса, явления, но и управлять им. Иногда его отождествляют с аналитическим мышлением, но это отождествление не полное. Аналитическим может быть склад ума, а системный подход есть методология, основанная на теории систем. Предметное (предметно-ориентированное) мышление – это метод (принцип), с помощью которого можно целенаправленно (как правило, с целью изучения) выявить и актуализировать, познать причинно-следственные связи и закономерности в ряду частных и общих событий и явлений. Часто это методика и технология исследования систем. Системное (системно-ориентированное) мышление – это метод (принцип), с помощью которого можно целенаправленно (как правило, с целью управления) выявить и актуализировать, познать причинно- следственные связи и закономерности в ряду общих и всеобщих событий и явлений. При системном мышлении совокупность событий, явлений (которые могут состоять из различных составляющих элементов) исследуется как целое, как одно организованное по общим правилам событие, явление, поведение которого можно предсказать, прогнозировать (как правило) без выяснения не только поведения составляющих элементов, но и качества и количества их самих. Пока не будет понятно, как функционирует или развивается система как целое, никакие знания о ее частях не дадут полной картины этого развития. Пример. В соответствии с принципом системного мышления общество − состоит из людей (и, разумеется, из общественных институтов); − каждый человек – также система (физиологическая, например); − у человека, в свою очередь, существуют присущие ему как организму системы, например, система кровообращения; − когда люди взаимодействуют с другими людьми, образуются новые системы ( семья, этнос и др); − это взаимодействие может происходить на уровне общественных институтов, отдельных людей (например, социальные взаимодействия) и даже отдельных систем кровообращения (например, при прямом переливании крови). В соответствии с принципом системного подхода, каждая система влияет на другую систему. Весь окружающий мир – взаимодействующие системы. Цель системного анализа – выяснить эти взаимодействия, их потенциал и «направить их на службу человека». Системный анализ, чьи основы являются достаточно древними, – все же сравнительно молодая наука (сравнима по возрасту, например, с кибернетикой). Хотя она и активно развивается, ее определяющие понятия и термины недостаточно формализованы (если это вообще возможно осуществить). Системный анализ применяется в любой предметной области, включая в себя как частные, так и общие методы и процедуры исследования. Эта наука, как и любая другая, ставит своей целью исследование новых связей и отношений объектов и явлений. Но, тем не менее, основной проблемой является исследование связей и отношений таким образом, чтобы изучаемые объекты стали бы более управляемыми, изучаемыми, а «вскрытый» в результате исследования механизм взаимодействия этих объектов – более применимым к другим объектам и явлениям. Задачи и принципы системного подхода не зависят от природы объектов и явлений. Предметная область – раздел науки, изучающий предметные аспекты системных процессов и системные аспекты предметных процессов и явлений. Это определение можно считать системным определением предметной области. Системный анализ – совокупность понятий, методов, процедур и технологий для изучения, описания, реализации явлений и процессов различной природы и характера, междисциплинарных проблем; это совокупность общих законов, методов, приемов исследования таких систем. Системный анализ – методология исследования сложных, часто не вполне определенных проблем теории и практики. Пример. Аналитичность человеческого знания проявляется и в существовании различных наук, и в дифференциации наук, и в более глубоком изучении все более узких вопросов, каждый из которых сам по себе и интересен, и важен, и необходим. Вместе с тем, столь же необходим и обратный процесс синтеза знаний. Так возникают «пограничные» науки – бионика, биохимия, синергетика и другие. Однако это лишь одна из форм синтеза. Другая, более высокая форма синтетических знаний реализуется в науках о самых общих свойствах природы. Философия выявляет и описывает общие свойства всех форм материи; математика изучает некоторые, но также всеобщие отношения. К числу синтетических наук относятся системный анализ, информатика, кибернетика и др., соединяющие формальные, технические, гуманитарные и прочие знания. Итак, расчлененность мышления на анализ, синтез и взаимосвязь этих частей является очевидным признаком системности познания. Процесс познания структурирует системы, окружающий нас мир. Все, что не познано в данный момент времени, образует «хаос в системе», который, будучи необъясним в рамках рассматриваемой теории, заставляет искать новые структуры, новую информацию, новые формы представления и описания знаний, приводит к появлению новых ветвей знания; этот хаос также дает стимул и для развития умений и навыков исследователя. Системный подход к исследованию проблем, системный анализ - следствие научно-технической революции, а также необходимости решения ее проблем с помощью одинаковых подходов, методов, технологий. Такие проблемы возникают и в экономике, и в информатике, и в биологии, и в политике и т.д. При системном анализе объектов, процессов, явлений необходимо пройти (в указанном порядке) следующие этапы системного анализа: 1. Обнаружение проблемы (задачи). 2. Оценка актуальности проблемы. 3. Формулировка целей, их приоритетов и проблем исследования. 4. Определение и уточнение ресурсов исследования. 5. Выделение системы (из окружающей среды) с помощью ресурсов. 6. Описание подсистем (вскрытие их структуры), их целостности (связей), элементов (вскрытие структуры системы), анализ взаимосвязей подсистем. 7. Построение (описание, формализация) структуры системы. 8. Установление (описание, формализация) функций системы и ее подсистем. 9. Согласование целей системы с целями подсистем. 10. Анализ (испытание) целостности системы. 11. Анализ и оценка эмерджентности системы. 12. Испытание, верификация системы (системной модели), ее функционирования. 13. Анализ обратных связей в результате испытаний системы. 14. Уточнение, корректировка результатов предыдущих пунктов. 2.2. Основные понятия и базовые структуры систем Система – объект или процесс, в котором элементы-участники связаны некоторыми связями и отношениями. Подсистема – часть системы с некоторыми связями и отношениями. Любая система состоит из подсистем, подсистема любой системы может быть сама рассмотрена как система. Границы рассматриваемой системы определяются доступными ресурсами и окружением. Пример. Наука – система, обеспечивающая получение, проверку, фиксацию (хранение), актуализацию знаний общества. Наука имеет подсистемы: математика, информатика, физика, экономика и др. Любое знание существует лишь в форме систем (систематизированное знание). Теория – наиболее развитая система их организации, позволяющая не только описывать, но и объяснять, прогнозировать события, процессы. Определим основные понятия системного анализа, необходимые далее. Состояние системы - фиксация совокупности доступных системе ресурсов (материальных, энергетических, информационных, пространственных, временных, людских, организационных), определяющих ее отношение к ожидаемому результату или его образу. Это «фотография» механизма преобразования входных данных системы в выходные данные. Цель - образ несуществующего, но желаемого, с точки зрения задачи или рассматриваемой проблемы, состояния среды, то есть такого состояния, которое позволяет решать проблему при данных ресурсах. Это описание, представление некоторого наиболее предпочтительного (с точки зрения поставленной цели и доступных ресурсов) состояния системы. Пример. Основные социально-экономические цели общества: экономический рост; полная трудовая занятость населения; экономическая эффективность производства; стабильный уровень цен; экономическая свобода производителей и потребителей; справедливое распределение ресурсов и благ; социально-экономическая обеспеченность и защищенность; торговый баланс на рынке; справедливая налоговая политика. Задача - некоторое множество исходных посылок (входных данных к задаче), описание цели, определенной над множеством этих данных, и, может быть, описание возможных стратегий достижения этой цели или возможных промежуточных состояний исследуемого объекта. Решить задачу означает определить четко ресурсы и пути достижения указанной цели при исходных посылках. Решение задачи - описание, представление состояния задачи, при котором достигается указанная цель; решением задачи называют и сам процесс нахождения этого состояния. Понятие проблемы в системном анализе - шире, чем понятие задачи, и состоит обычно из ряда взаимосвязанных задач. |