Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
3.2. Методология системного анализа и исследования операций
1. Методология и методика системного анализа.
2. Методология исследования операций.
3. Подход исследования операции.
1. Методология и методика системного анализа
Любая научная, исследовательская и практическая деятельность проводится на базе методов (приемов или способов действия), методик (совокупности методов и приемов проведения какой-либо работы) и методологий (совокупности методов, правил распределения и назначения методов, а также шагов работы и их последовательности).
Методология системного анализа представляет совокупность принципов, подходов, концепций и конкретных методов, а также методик.
Метод – это прием или способ действия.
Методика – это совокупность методов, приемов проведения какой-либо работы.
Методология – это совокупность методов, правила распределения и назначения методов, а также шаги работы и их последовательность.
Имеются свои методы, методики и методологии и у системного анализа. Однако, в отличие от классических наук, системный анализ находится в стадии развития и еще не имеет устоявшегося, общепризнанного «инструментария».
Каждая наука имеет свою методологию, поэтому дадим еще одно определение. Методология – это совокупность методов, применяемых в какой-либо науке. В каком-то смысле можно говорить и о методологии системного анализа, хотя это пока еще очень рыхлая, «сырая» методология.
Системность. Прежде чем рассматривать системную методологию, надо разобраться с понятием «системный». Сегодня широко используются такие понятия как «системный анализ», «системный подход», «теория систем», «принцип системности» и др. При этом их не всегда различают и часто применяют как синонимы.
Наиболее общим понятием, которое обозначает все возможные проявления систем, является «системность». Ю.П. Сурмин предлагает рассматривать структуру системности в трех аспектах (рис. 3.3): системная теория, системный подход и системный метод.
1. Системная теория (теория систем) реализует объясняющую и систематизирующую функции: дает строгое научное знание о мире систем; объясняет происхождение, устройство, функционирование и развитие систем различной природы.
2. Системный подход следует рассматривать как некоторый методологический подход человека к действительности, представляющий собой некоторую общность принципов, системное мировоззрение. Подход – это совокупность приемов, способов воздействия на кого-нибудь, в изучении чего-нибудь, ведении дела и т.д.
Рис. 3.3. Структура системности и составляющие её функции
Итак, подход – это некоторая обобщенная система представлений о том, как должна выполняться та или иная деятельность (но не детальный алгоритм действия), а принцип деятельности – множество некоторых обобщенных приемов и правил.
Кратко суть системного подхода можно определить так: Системный подход – это методология научного познания и практической деятельности, а также объяснительный принцип, в основе которых лежит рассмотрение объекта как системы.
Системный подход заключается в отказе от односторонне аналитических, линейно-причинных методов исследования. Основной акцент при его применении делается на анализе целостных свойств объекта, выявлении его различных связей и структуры, особенностей функционирования и развития. Системный подход представляется достаточно универсальным подходом при анализе, исследовании, проектировании и управлении любых сложных технических, экономических, социальных, экологических, политических, биологических и других систем.
Таким образом, системный подход, будучи принципом познания, выполняет ориентационную и мировоззренческую функции, обеспечивая не только видение мира, но и ориентацию в нем.
3. Системный метод реализует познавательную и методологическую функции. Он выступает как некоторая интегральная совокупность относительно простых методов и приемов познания, а также преобразования действительности.
Конечная цель любой системной деятельности заключается в выработке решений, как на стадии проектирования систем, так и при управлении ими. В этом контексте системный анализ можно считать сплавом методологии общей теории систем, системного подхода и системных методов обоснования и принятия решений.
Естественнонаучная методология и системный подход. Системный анализ не является чем-то принципиально новым в исследовании окружающего мира и его проблем – он базируется на естественнонаучном подходе, корни которого уходят в прошлые века.
Центральное место в исследовании занимают два противоположных подхода: анализ и синтез.
Анализ предусматривает процесс разделения целого на части. Он весьма полезен в том случае, если требуется выяснить, из каких частей (элементов, подсистем) состоит система. Посредством анализа приобретаются знания. Однако при этом нельзя понять свойства системы в целом.
Задача синтеза – построение целого из частей. Посредством синтеза достигается понимание.
В исследовании любой проблемы можно указать несколько главных этапов:
1) постановка цели исследования;
2) выделение проблемы (выделение системы): выделить главное, существенное, отбросив малозначимое, несущественное;
3) описание: выразить на едином языке (уровне формализации) разнородные по своей природе явления и факторы;
4) установление критериев: определить, что значит «хорошо» и «плохо» для оценивания полученной информации и сравнения альтернатив;
5) идеализация (концептуальное моделирование): ввести рациональную идеализацию проблемы, упростить ее до допустимого предела;
6) декомпозиция (анализ): разделить целое на части, не теряя свойств целого;
7) композиция (синтез): объединить части в целое, не теряя свойств частей;
8) решение: найти решение проблемы.
В отличие от традиционного подхода, при котором проблема решается в строгой последовательности вышеприведенных этапов (или в другом порядке), системный подход состоит в многосвязности процесса решения: этапы рассматриваются совместно, во взаимосвязи и диалектическом единстве. При этом возможен переход к любому этапу, в том числе и возврат к постановке цели исследования.
Главным признаком системного подхода является наличие доминирующей роли сложного, а не простого, целого, а не составляющих элементов. Если при традиционном подходе к исследованию мысль движется от простого к сложному, от частей – к целому, от элементов – к системе, то в системном подходе, наоборот, мысль движется от сложного к простому, от целого к составным частям, от системы к элементам. При этом эффективность системного подхода тем выше, чем к более сложной системе он применяется.
Методология системного анализа представляет собой довольно сложную и пеструю совокупность принципов, подходов, концепций и конкретных методов, а также методик. Наиболее важную часть методологии системного анализа составляют ее методы и методики (для простоты в дальнейшем обобщенно будем говорить о методиках).
Обзор методик системного анализа
Имеющиеся методики системного анализа еще не получили достаточно убедительной классификации, которая была бы принята единогласно всеми специалистами. Например, Ю.И. Черняк делит методы системного исследования на четыре группы:
– неформальные;
– графические;
– количественные;
– моделирование.
Достаточно глубокий анализ методик различных авторов представлен в работах В.Н. Волковой, а также Ю.П. Сурмина.
В качестве простейшего варианта методики системного анализа можно рассматривать такую последовательность:
1) постановка задачи;
2) структуризация системы;
3) построение модели;
4) исследование модели.
Другие примеры и анализ этапов первых методик системного анализа приведены в книге, где рассматриваются методики ведущих специалистов системного анализа 70-х и 80-х годов прошлого столетия: С. Оптнера, Э. Квейда, С. Янга, Е.П. Голубкова. Ю.Н. Черняка.
Примеры: Этапы методик системного анализа по С. Оптнеру:
1. Идентификация симптомов.
2. Определение актуальности проблемы.
3. Определение цели.
4. Вскрытие структуры системы и ее дефектных элементов.
5. Определение структуры возможностей.
6. Нахождение альтернатив.
7. Оценка альтернатив.
8. Выбор альтернативы.
9. Составление решения.
10. Признание решения коллективом исполнителей и руководителей.
11. Запуск процесса реализации решения
12. Управление процессом реализации решения.
13. Оценка реализации и ее последствий.
Этапы методик системного анализа по Ю.И. Черняку:
1. Анализ проблемы.
2. Определение системы.
3. Анализ структуры системы.
4. Формирование общей цели и критерия.
5. Декомпозиция цели и выявление потребности в ресурсах и процессах.
6. Выявление ресурсов и процессов – композиция целей.
7. Прогноз и анализ будущих условий.
8. Оценка целей и средств.
9. Отбор вариантов.
10. Диагноз существующей системы.
11. Построение комплексной программы развития.
12. Проектирование организации для достижения целей.
Из анализа и сопоставления этих методик видно, что в них в той или иной форме представлены такие этапы:
– выявление проблем и постановки целей;
– разработка вариантов и модели принятия решения;
– оценка альтернатив и поиска решения;
– реализация решения.
Кроме того, в некоторых методиках имеются этапы оценки эффективности решений. В наиболее полной методике Ю.И. Черняка особо предусмотрен этап проектирования организации для достижения цели.
При этом различные авторы акцентируют свое внимание на разных этапах, соответственно более подробно их детализируя. В частности, основное внимания уделяется следующим этапам:
– разработке и исследованию альтернатив принятия решений (С. Оптнер, Э. Квейд), выбору решения (С. Оптнер);
– обоснованию цели и критериев, структуризации цели (Ю. Черняк, С. Оптнер, С. Янг);
– управлению процессом реализации уже принятого решения (С. Оптнер, С. Янг).
Примеры: Э.А. Капитонов выделяет следующие последовательные этапы системного анализа.
1. Постановка целей и основных задач исследования.
2. Определение границ системы с целью отделения объекта от внешней среды, разграничения его внутренних и внешних связей.
3. Выявление сути целостности.
Близкий подход использует и Ю.М. Плотницкий, который рассматривает системный анализ как совокупность шагов по реализации методологии системного подхода в целях получения информации о системе. Он выделяет в системном анализе 11 этапов.
1. Формулировка основных целей и задач исследования.
2. Определение границ системы, отделение ее от внешней среды.
3. Составление списка элементов системы (подсистем, факторов, переменных и т.д.).
4. Выявление сути целостности системы.
5. Анализ взаимосвязанных элементов системы.
6. Построение структуры системы.
7. Установление функций системы и ее подсистем.
8. Согласование целей системы и каждой подсистемы.
9. Уточнение границ системы и каждой подсистемы.
10. Анализ явлений эмерджентности.
11. Конструирование системной модели.
Неполнота информации о проблемной ситуации затрудняет выбор методов ее формализованного представления и не позволяет сформировать математическую модель. В этом случае возникает необходимость в разработке методик проведения системного анализа.
Необходимо определить последовательность этапов системного анализа, рекомендовать методы для выполнения этих этапов, предусмотреть при необходимости возврат к предыдущим этапам. Такая последовательность определенным образом выделенных и упорядоченных этапов и подэтапов в сочетании с рекомендованными методам и приемами их выполнения представляет собой структуру методики системного анализа.
Нами рекомендуется при разработке методики системного анализа, прежде всего, определить тип решаемой задачи (проблемы). Затем, если проблема охватывает несколько областей: выбор целей, совершенствование оргструктуры, организацию процесса принятия и реализации решении, выделить в ней эти задачи и разработать методики для каждой из них.
Пример методики системного анализа предприятия
В качестве примера современной методики системного анализа рассмотрим некую обобщенную методику анализа предприятия.
Предлагается следующий перечень процедур системного анализа, который может быть рекомендован менеджерам и специалистам по экономическим информационным системам.
1. Определить границы исследуемой системы (см. выделение системы из окружающей среды).
2. Определить все подсистемы, в которые входит исследуемая система в качестве части.
Исходя из взаимосвязанности всех сфер жизни современного общества, любой объект, в частности, предприятие, следует изучать в качестве составной части многих систем – экономических, политических, государственных, региональных, социальных, экологических, международных. Каждая из этих надсистем, например экономическая, в свою очередь имеет немало компонентов, с которыми связано предприятие: поставщики, потребители, конкуренты, партнеры, банки и т.д. Эти же компоненты входят одновременно и в другие надсистемы – социокультурную, экологическую и т.п. А если еще учесть, что каждая из этих систем, а также каждый из их компонентов имеют свои специфические цели, противоречащие друг другу, то становится ясной необходимость сознательного изучения среды, окружающей предприятие. В противном случае вся совокупность многочисленных влияний, оказываемых надсистемами на предприятие, будет казаться хаотичной и непредсказуемой, исключая возможность разумного управления им.
3. Определить основные черты и направления развития всех надсистем, которым принадлежит данная система в частности, сформулировать их цели и противоречия между ними.
4. Определить роль исследуемой системы в каждой надсистеме, рассматривая эту роль как средство достижения целей надсистемы.
5. Выявить состав системы, т.е. определить части, из которых она состоит.
6. Определить структуру системы, представляющую собой совокупность связей между ее компонентами.
7. Определить функции активных элементов системы, их «вклад» в реализацию роли системы в целом. Принципиально важным является гармоническое, непротиворечивое сочетание функций разных элементов системы. Эта проблема особенно актуальна для подразделений, цехов крупных предприятий, чьи функции часто во многом «не состыкованы», недостаточно подчинены общему замыслу.
8. Выявить причины, объединяющие отдельные части в систему, в целостность. Они носят название интегрирующих факторов, к которым в первую очередь относится человеческая деятельность. В ходе деятельности человек осознает свои интересы, определяет цели, осуществляет практические действия, формируя системы средств для достижения целей. Исходным, первичным интегрирующим фактором является цель.
9. Определить все возможные связи, коммуникации системы с внешней средой.
10. Рассмотреть исследуемую систему в динамике, в развитии.
Для глубокого понимания любой системы нельзя ограничиваться рассмотрением коротких промежутков времени ее существования и развития. Целесообразно по возможности исследовать всю ее историю, также важно изучать не только историю системы или динамику ее нынешнего состояния, но и попытаться, используя специальные приемы, увидеть развитие системы в будущем, т.е. прогнозировать ее будущие состояния, проблемы, возможности.
Необходимость динамического подхода к исследованию систем легко проиллюстрировать сравнением двух предприятий, у которых в какой-то момент времени совпали значения одного из параметров, например, объем продаж. Из этого совпадения совсем не вытекает, что предприятия занимают на рынке одинаковое положение: одно из них может набирать силу, двигаться к расцвету, а другое, наоборот, переживать спад. Поэтому судить о любой системе, в частности, о предприятии нельзя лишь по «моментальной фотографии» по одному значению какого-либо параметра; необходимо исследовать изменения параметров, рассмотрев их в динамике.
Изложенная здесь последовательность процедур системного анализа не является обязательной и закономерной. Обязательным является скорее сам перечень процедур, чем их последовательность. Единственное правило заключается в целесообразности многократного возвращения в ходе исследования к каждой из описанных процедур. Только это является залогом глубокого и всестороннего изучения любой системы.
2. Методология исследования операций
Операцией называется любое целенаправленное действие. Следовательно, исследование операций – это исследование целенаправленных действий. Само исследование операций, очевидно, существует столько же, сколько существует разумный человек. Исследовать операции можно по-разному: просто обсуждать, как решать проблемы, возникающие в процессе реализации операции; сопровождать подобное обсуждение расчетами, опираясь при этом на математические модели тех или иных фрагментов операции. Именно эта часть исследования операций изложена в данном разделе пособия. Таким образом, далее будут рассмотрены математические аспекты исследования операций.
В основе исследования операции лежит ее математическая модель, отражающая взаимосвязи различных факторов и лиц, участвующих в операции. Простейшим видом операции является следующая. Имеется сторона, в интересах которой проводится операция. Сама операция отождествляется с выбором стратегии x, принадлежащей множеству допустимых стратегий X. Имеется также критерий эффективности f(x), определяющий, насколько удовлетворительно выполнена операция. Требуется выбрать такую стратегию из множества допустимых, чтобы критерий эффективности выполнения операции имел максимальное значение. Формально задача может быть записана так:
(3.1)
Если X ∈ En, где En – n-мерное евклидово пространство, то задача (3.1) является задачей математического программирования. Далее мы будем избегать ситуаций, когда максимум в (3.1) не достигается, что приводит к его замене супремумом. Рассматриваются множества стратегий и неопределенных факторов, принадлежащих евклидовым пространствам соответствующих размерностей. В приведенной операции отсутствуют неопределенности и эффективность определяется выбором стратегии стороны, участвующей в операции. Но в исследовании операций часто бывает так, что значения эффективности не определяются выбором стратегии только одной стороны. Критерий эффективности в этом случае имеет вид
K(x, y); x ∈ X; y ∈ Υ, (3.2)
где x – по-прежнему допустимые стратегии стороны, проводящей операцию; y – неопределенные факторы, которые либо выбирает другая сторона, преследующая свои цели, либо они зависят от природы. Простейшим вариантом (3.2) является случай, когда неопределенные факторы носят случайный характер и имеется вероятностная мера μ(y), характеризующая распределение случайных величин y ∈ Υ. В этом случае, если операция проводится много раз во времени и пространстве и если сторону, проводящую операцию, интересует не результат каждой отдельной операции, а средний результат большого числа проведенных операций, при выборе стратегии x ∈ X средний результат многих операций в соответствии с законом больших чисел примерно равен m(x):
y ∈ Υ, (3.3)
и естественно выбрать такую стратегию, чтобы реализовывался
(3.4)
Если же исходные предпосылки не выполняются, т.е. если неизвестна мера μ(y) или если операция реализуется незначительное число раз, то критерий (3.3) ничего не отражает и выбор стратегии в соответствии с (3.4) не имеет смысла. В этом случае обычно поступают следующим образом. Считают, что любое значение неопределенных факторов может действительно реализоваться, и поэтому при выборе стратегии учитывают и наименее благоприятное значение неопределенных факторов. Стратегию выбирают так, чтобы при наименее благоприятном значении неопределенных факторов значение целевой функции было максимальным. Подобный подход приводит к выбору стратегии x ∈ X в соответствии с критерием
(3.5)
В этом случае говорят, что стратегия выбирается в соответствии с принципом гарантированного результата. При этом предполагают, что, какая бы стратегия x ∈ X ни была выбрана, неопределенные факторы могут принять наиболее неблагоприятное значение и поэтому выбирают такую стратегию, которая дает максимальный эффект именно при этих обстоятельствах. Вообще говоря, процедура принятия решения может носить многоступенчатый характер, но мы ограничимся рассмотрением трехступенчатой процедуры. При этом будем считать, что имеются три стороны, участвующие в планировании и проведении операций. Первая сторона – исследователь операции. Он выбирает свою стратегию x ∈ X. Вторая сторона выбирает значения неопределенных факторов y ∈ Υ. Третья сторона, которую будем называть оперирующей стороной, выбирает свою стратегию z ∈ Z(x, y). В соответствии с этим критерий эффективности имеет вид
K(x, y, z); x ∈ X, y ∈ Υ, z ∈ Z(x, y). (3.6)
Будем считать, что исследователь операции и оперирующая сторона стремятся максимизировать (3.6), а вторая сторона – минимизировать значение этого критерия. События происходят следующим образом. Исследователь операции, не обладая информацией о выборе второй стороны, но зная множество Y допустимых стратегий этой стороны, выбирают стратегию x ∈ X. Вторая сторона, зная выбор x первой стороны, выбирает свою стратегию y ∈ Υ. При этом она знает, что оперирующая сторона будет иметь полную информацию о выборе исследователя операции x и ее собственном выборе y и, используя эту информацию, выберет свою наилучшую стратегию, z ∈ Z(x,y). Будем считать, что вторая сторона стремится минимизировать критерий (3.6). В соответствии с этим оперирующая сторона, зная стратегии x ∈ X и y ∈ Υ, выберет стратегию z в соответствии со своей целью, т.е. максимизирует по z ∈ Z(x,y) критерий K(x, y, z). В результате критерий эффективности принимает следующее значение:
(3.7)
Вторая сторона, стремясь минимизировать (3.7) и зная x ∈ X, выберет свою стратегию в соответствии с принципом
(3.8)
Исследователю операций при приведенной выше информации о намерениях и возможностях других сторон, участвующих в операции, остается только максимизировать (8.8) по x ∈ X, что приводит к следующему принципу выбора стратегий:
(3.9)
На первый взгляд может показаться, что выбор стратегии в соответствии с (3.9) уместен только при условии, когда интересы второй стороны противоположны интересам исследователя операций и оперирующей стороны, т.е. когда имеет место конфликтная ситуация. Но это не так. Хотя природу или лица, не преследующие интересы, противоположные первой стороне, трудно заподозрить в злонамеренности, это не означает, что не следует запасать ресурсы на наихудший вариант, поскольку такое поведение не раз приводило к катастрофическим последствиям. Конечно, гарантированный подход приводит к тому, что при проведении операции на всякий случай резервируется большое количество ресурсов, но это указывает только на то, что при формировании множества Y следует быть чрезвычайно осторожным и не включать в это множество те значения неопределенных факторов, которые никогда не реализуются.
3. Подход исследования операции
Модели, описывающее поведение людей, активно используются в исследовании операций. Исследование операций – сложившаяся научная дисциплина, хорошо известная в современном мире. Как определяет Е.С. Вентцель, под исследованием операции понимают применение математических, количественных методов для обоснования решений во всех областях целенаправленной человеческой деятельности.
Основными этапами решения любой задачи исследований операций являются:
– построение модели;
– выбор критерия оптимальности;
– нахождение оптимального решения.
Для подхода исследования операций характерны следующие особенности.
1. Используемые модели носят объективный характер. Построение моделей рассматривается в рамках исследования операций как средство отражения объективно существующей реальности. Когда модель, правильно отражающая действительность, найдена, критерий оптимальности установлен, оптимальное решение может быть получено единственно возможным образом. «Другими словами, опираясь на одни и те же данные, различные специалисты-аналитики должны получать одинаковые результаты». Это требование, предложенное Г. Вагнером, весьма примечательно. Оно определяет, что деятельность людей, описываемая моделью, подчинена требованиям целесообразности.
2. Руководитель получает научно обоснованное решение. По заказу руководителя аналитик исследует организацию, внешнюю среду и пытается построить адекватную модель. В этой работе сам ЛПР чаще всего не нужен. В описании многочисленных случаев применения методов исследования операции подчеркивается, что группа аналитиков самостоятельно находит удачное решение. Конечно, иногда руководитель дает дополнительную информацию. Но его роль при этом не отличается от роли любого сотрудника организации. Можно сказать, что руководитель дает заказ и получает готовое решение. Все остальное делают аналитики-специалисты по исследованию операций. В общем случае заказ руководителя может быть сформулирован в следующем виде: найти наилучшее (оптимальное), единственно верное и научно обоснованное решение. Давая такой заказ, руководитель находится в достаточно удобном положении: он полагается на силу научного подхода.
3. Существует объективный критерий успехов в применении методов исследования операции. Если проблема, требующая решения, ясна
и критерии определен, то аналитический метод сразу показывает, насколько новое решение лучше старого. Оптимальное решение проблемы бессмысленно оспаривать.
Заключение. Изложена методология системного анализа, описана естественнонаучная методология и системный подход. Изучен смысл анализа и синтеза, рассмотрены методики системного анализа. Изложена методология исследования операций. Рассмотрены методологические основы исследования операций и критерий эффективности в задачах исследования операций. Описаны основные этапы решения задач исследования операций, рассмотрены особенности подхода исследования операций.
Контрольные вопросы
1. Методология системного анализа.
2. Естественнонаучная методология и системный подход.
3. Анализ и синтез.
4. Методики системного анализа.
5. Методология исследования операций.
6. Методологические основы исследования операций.
7. Критерий эффективности в задачах исследования операций.
8. Основные этапы решения задач исследования операций.
9. Особенности подхода исследования операций.