Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.1. Введение в системный анализ и его место в научном познании
1. История развития, атрибуты системного анализа, задачи системного анализа.
2. Категориальный аппарат системного анализа.
1. История развития, атрибуты системного анализа, задачи системного анализа
Системный анализ сравнительно молодая наука, которая, однако, имеет древние корни и применяется в любой предметной области, включая в себя как частные, так и общие методы и процедуры исследования. Эта наука в ходе познания новых связей и отношений объектов исследования применяет принципы системного подхода, которые не зависят от природы объектов исследования.
Изучение и практическое использование системного анализа накладывает определенные особенности на принципы мышления человека и позволяет вырабатывать унифицированные алгоритмы принятия решений в различных областях знаний. При этом мышление приобретает большую логичность, рациональность, системность, улучшается способность решать новые задачи, адаптироваться к работе в новых областях знаний. Системный анализ способствует также объективному познанию окружающего мира и процессов в нем,
В историческом плане системный анализ является преемником исследования операций – направления кибернетики, основанного на аппарате оптимального математического программирования, теории массового обслуживания, математической статистики, теории игр и др. Его возникновение было по существу реакцией прикладной науки на потребности решения экономических, военно-технических, административно-управленческих, производственных и других крупномасштабных проблем, где применение операционных методов оказалось малоэффективным.
Системный анализ признается в настоящее время наиболее конструктивным из направлений системных исследований. Этот термин впервые появился в 1948 г. в работах корпорации RAND в связи с задачами военного управления. Первая книга по системному анализу вышла в 1956 г. Ее издала корпорация RAND, а ее авторами были американские ученые Кан и Манн. В отечественной литературе системный анализ получил распространение после перевода книги С. Оптнера «Системный анализ деловых и промышленных проблем» (1967 г.).
Слово «система» (организм, строй, союз, целое, составленное из частей) возникло в Древней Греции около 2000 лет назад. В античной философии подчеркивалось, что мир не есть хаос, а обладает внутренним порядком, собственной организацией и целостностью. Древние ученые (Аристотель, Демокрит, Платон и др.) рассматривали сложные тела, процессы и мифы мироздания как составленные из различных систем (например, атомов или метафор).
Эпоха зарождения основ системного анализа была характерна рассмотрением чаще всего систем физического или философского происхождения. При этом постулат (Аристотеля): «Важность целого превыше важности его составляющих» сменился позже на новый постулат (Галилея): «Целое объясняется свойствами его составляющих».
Далее развитие системного анализа происходило под влиянием различных философских воззрений, теорий о структуре познания и возможности предсказания (Бэкон, Гегель, Ламберт, Кант, Фихте и др.). В результате такого развития системный анализ вышел на позиции методологической науки.
Естествоиспытатели XIX–XX вв. (Богданов, Берталанфи, Винер, Эшби и др.) не только актуализировали роль модельного мышления и моделей в естествознании, но и сформировали основные системообразующие принципы, принципы системности научного знания, «соединили» теорию открытых систем, философские принципы и достижения естествознания.
Современное развитие системный анализ получил 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.).
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. Можно дать и философское определение системного анализа: системный анализ – это прикладная диалектика (учение о всеобщей связи и развитии).
В общем виде системный анализ – совокупность понятий, методов, процедур и технологий для изучения, описания, реализации явлений и процессов различной природы и характера, междисциплинарных проблем.
Системный анализ – это совокупность методов и средств выработки, принятия и обоснования оптимального решения из многих возможных альтернатив, управления сложными системами.
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».
Необходимые атрибуты системного анализа как научного знания:
– наличие предметной сферы – системы и системные процедуры;
– выявление, систематизация, описание общих свойств систем;
– выявление и описание закономерностей и инвариантов (неизмене-ний) в этих системах;
– актуализация закономерностей для изучения систем, их поведения и связей с окружающей средой;
– накопление, хранение, актуализация знаний о системах.
Попробуем сформулировать ответы на вопрос «Кому нужны знания системного анализа?»
Во-первых, в какой-то мере всем, поскольку окружающая нас действительность ставит сегодня перед нами все более сложные задачи и проблемы, успешное решение которых требует системного подхода. Жизнь современного человека требует быстрого анализа ситуаций, процессов и явлений, которые все более усложняются.
Во-вторых, специалистам инженерного и гуманитарного профиля. Дело в том, что инженеры, даже не изучая специальных дисциплин по системному анализу, приобретают системное видение мира в процессе изучения своей предметной области, поскольку сама инженерная деятельность по своей сути системна. А что касается гуманитарных специальностей, то при их подготовке в незначительной степени даются системные представления, что порождает низкую эффективность их профессиональной деятельности с большими ресурсными, в том числе и материальными потерями.
В-третьих, будущим научным работникам. Только системный подход к научной работе позволяет грамотно проанализировать решаемые проблемы и предложить эффективные решения. Знание основ системного анализа дает будущим ученым уверенность в своих силах и позволяет самостоятельно планировать и выполнять большую часть работы над научными исследованиями.
Таким образом, неиспользование системного анализа не позволяет знаниям (закладываемым традиционным образованием) превращаться в умения и навыки их применения, в навыки ведения системной деятельности. В то же время системно мыслящий и действующий человек, как правило, прогнозирует и считается с результатами своей деятельности, соизмеряет свои желания (цели) и свои возможности (ресурсы) учитывает интересы окружающей среды, развивает интеллект, вырабатывает верное мировоззрение и правильное поведение в человеческих коллективах. Системный анализ обобщает методологию исследования систем, является прикладной наукой нацеленной на выяснение причин реальных сложностей, возникших перед «обладателем проблемы» и на выработку вариантов их устранения.
Системный анализ, как научная и учебная дисциплина:
– комплексно изучает в содержательном плане закономерности, тенденции, механизмы, причины и последствия реализации процессов обособления, делокализации, возникновения, исчезновения, функционирования и развития объектов;
– устанавливает концептуальные подходы к идентификации состояния объектов и общие методы этой идентификации;
– определяет общие принципы и базовые технологии проектирования, адаптационной трансформации и использования систем управления.
Кратко системный анализ также можно определить как дисциплину, изучающую базовые закономерности функционирования и развития объектов, а также концептуальные методы управления ими.
Системный анализ чаще всего признается терминологическим синонимом системотехники. Иногда его нестрого именуют философией или общей методологией управления.
Системный анализ, как область науки и техники, включает совокупность принципов, методов и способов, направленных на анализ, создание и применение сложных систем в различных сферах деятельности.
Системный анализ – это методология решения проблем, основанная на структуризации систем и количественном сравнении альтернатив.
Системный анализ – это логически связанная совокупность теоретических и эмпирических положений из области математики, естественных наук и опыта практики разработки сложных систем, обеспечивающая повышение обоснованности решения конкретной проблемы.
Задачи системного анализа:
1) Декомпозиция (разбитие на подзадачи).
2) Анализ (того, что получилось).
3) Синтез.
2. Категориальный аппарат системного анализа
Древнегреческий философ Платон говорил: «Перед тем, как затевать спор, необходимо договориться о терминах». Поэтому познакомимся с видами понятий, с которых должна начинаться каждая истинная наука (научная дисциплина).
Система. Толкований категории «система» в научной литературе можно найти великое множество. Выработать общие для всех конкретных приложений понятийный аппарат и способы исследования пока не удается. Приведем некоторые их них.
Система (греч. – «составленное из частей», «соединение», от «соединяю, составляю») – объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе.
Система – совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой. (Л. фон Берталанфи)
Система – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. (ISO 9000:2000)
Система – идущий процесс; набор имеющих данные свойства параметров, которыми являются вход, процесс, выход, управление через обратную связь и ограничение, и набор связей между параметрами и их свойствами. (Оптнер С.Л.)
Система – это то, что приобрело целостность и форму в результате постоянного взаимодействия частей. (Сенге П.)
Система – любой комплекс динамически связанных элементов; все, состоящее из связанных друг с другом частей. (Бир С.)
Проанализировав вышеприведенные определения можно сделать вывод, что любая система имеет следующие основные характеристики: компоненты; отношения (связи, посредством которых осуществляется взаимодействие между компонентами); границу; цель; внешнюю среду; вход, выход; интерфейс; законы, правила, ограничения функционирования.
Системные характеристики можно описать следующим образом:
1. Компонент есть либо неделимая часть, либо объект, состоящий из частей и называемый подсистемой. Подсистема – часть системы с некоторыми связями и отношениями. Любая система состоит из подсистем, подсистема любой системы может быть сама рассмотрена как система.
2. Компоненты взаимодействуют между собой таким образом, что функционирование одного влияет на функционирование другого компонента.
3. Все компоненты работают вместе, чтобы достичь цели существования системы.
4. Система имеет границу, внутри которой содержатся все компоненты, и которая устанавливает пределы системы, отделяя ее от других систем.
5. Система имеет законы, правила, ограничения функционирования.
Если объект обладает всеми признаками системы, то говорят, что он является системным. Приведенные примеры систем иллюстрируют наличие таких факторов системности, как:
– целостность и возможность декомпозиции на элементы (в вычислительной сети это вычислительные машины, средства связи и др.);
– наличие стабильных связей (отношений) между элементами;
– упорядоченность (организация) элементов в определенную структуру;
– наделение элементов параметрами;
– наличие интегративных свойств, которыми не обладают ни один из элементов системы;
– наличие цели функционирования и развития.
Классификаций систем в науке достаточно много. Так, например, одна из них предусматривает деление систем на два вида – абстрактные и материальные.
Материальные системы являются объектами реального времени. Среди всего многообразия материальных систем существуют естественные и искусственные системы.
Естественные системы представляют собой совокупность объектов природы и подразделяются на астрокосмические и планетарные, физические и химические.
Искусственные системы – это совокупность социально-экономических или технических объектов. Они могут быть классифицированы по нескольким признакам, главным из которых является роль человека в системе. По этому признаку можно выделить два класса систем: технические и организационно-экономические системы.
Абстрактные системы – это умозрительное представление образов или моделей материальных систем, которые подразделяются на описательные (логические) и символические (математические).
Описательные системы есть результат дедуктивного или индуктивного представления материальных систем. Их можно рассматривать как системы понятий и определений (совокупность представлений) о структуре, об основных закономерностях состояний и о динамике материальных систем.
Символические системы представляют собой формализацию логических систем, они подразделяются на три класса:
– статические математические системы или модели, которые можно рассматривать как описание средствами математического аппарата состояния материальных систем (уравнения состояния);
– динамические математические системы или модели, которые можно рассматривать как математическую формализацию процессов материальных (или абстрактных) систем;
– квазистатические (квазидинамические) системы, находящиеся в неустойчивом положении между статикой и динамикой, которые при одних воздействиях ведут себя как статические, а при других воздействиях – как динамические.
Каждая система обладает определенными свойствами, связанными с ее функционированием. Наиболее часто выделяют следующие свойства:
– синергичность, это максимальный эффект деятельности системы достигается только в случае максимальной эффективности совместного функционирования её элементов для достижения общей цели;
– эмерджентность, это появление у системы свойств, не присущих элементам системы; принципиальная несводимость свойства системы к сумме свойств составляющих её компонентов (неаддитивность);
– целенаправленность, это наличие у системы цели (целей) и приоритет целей системы перед целями её элементов;
– структурность, это возможность декомпозиции системы на компоненты, установление связей между ними;
– иерархичность, каждый компонент системы может рассматриваться как система; сама система также может рассматриваться как элемент некоторой надсистемы (суперсистемы);
– коммуникативность, существование сложной системы коммуникаций со средой в виде иерархии;
– адаптивность, это стремление системы к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды;
– интегративность, это наличие в системе системообразующих, системосохраняющих факторов;
Связь. Наибольшая смысловая нагрузка в системном анализе приходится на понятие «связь». Приведем примеры связей. Мозг человека развивается и состоит из 14 млрд. нервных клеток. Каждая из них имеет 5000 связей с другими. Любой закон природы и общества – это есть внутренняя, устойчивая, существенная связь и взаимная обусловленность явлений. Нет закона вне связи!
Связь предметов можно определить таким образом: два или более различных предмета связаны, если по наличию или отсутствию некоторых свойств у одних из них мы можем судить о наличии или отсутствии тех или иных свойств у других из них (возникновение и исчезновение предметов можно рассматривать как частный случай). Например, температура и давление данной массы газа связаны так, что с увеличением температуры (при всех прочих постоянных условиях) увеличивается давление. Зная о том, что температура увеличилась, мы можем делать вывод
об увеличении давления (если выяснены точные количественные соотношения, то они будут учтены и в выводах).
Среда. Среда – сфера, ограничивающая структурное образование системы. Среда есть все то, что воздействует на систему, но неподконтрольно ей. Воздействие среды на систему – это входные воздействия, или входы (перелистывание страниц брошюры человеком). Воздействие системы на среду – это выходные воздействия, реакция системы, или выходы (воздействие брошюры на зрение, обоняние, осязание читателя).
Структура и структурное исследование. Понятие структуры – одно из многозначных понятий. Невозможно даже перечислить все значения понятия структуры, в которых оно выступает у разных авторов. Одним из них является следующее: «Структура – все то, что вносит порядок во множество объектов, т.е. совокупность связей и отношений между частями целого, необходимых для достижения цели».
Примеры структур: извилины мозга, факультет, государственное устройство, кристаллическая решетка вещества, микросхема. Базовые топологии структур (систем): линейная, иерархическая, сетевая, матричная.
Линейная структура – структура станций метро на одной (не кольцевой) линии в одном направлении.
Иерархическая структура – структура управления вузом: «Ректор – Проректор – Декан – Заведующий кафедрой, подразделением – Преподаватель кафедры, сотрудник подразделения».
Сетевая структура – структура организации работ при строительстве дома: некоторые работы, например, монтаж стен, благоустройство территории и др. можно выполнять параллельно.
Матричная структура – структура работников одного отдела, выполняющих работы по одной и той же теме.
Элемент. Понятие элемента обычно представляется интуитивно ясным. Однако надо иметь в виду, что для каждой конкретной системы это понятие не является абсолютным, однозначно определенным, поскольку исследуемая система может расчлениться существенно различными способами, и говорить об элементе можно лишь применительно к определенному из этих способов: другое расчленение может быть связано с выделением другого образования в качестве исходного элемента.
При заданном способе расчленения под элементом понимается такой минимальный компонент системы, совокупность которых складывается прямо или опосредованно в систему.
Заключение. Рассмотрена история появления и развития системного анализа. Изучены атрибуты системного анализа. Дается ответ на вопрос кому нужны знания системного анализа? Даны варианты определения системного анализа как научной и учебной дисциплины. Приведены задачи системного анализа.
Контрольные вопросы
1. История системного анализа.
2. Атрибуты системного анализа.
3. Кому нужны знания системного анализа?
4. Определение системного анализа как научной и учебной дисциплины.
5. Задачи системного анализа.