Основные понятия теории систем и элементы системного анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

46

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Конспект лекций по дисциплине:

ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

Суздалов Е.Г.

Санкт-Петербург

2010

Содержание

1. Основные понятия теории систем

1.1 Определение теории систем

1.2 Дескриптивное и конструктивное определение системы

1.3 Основные признаки и свойства системы

1.4 Классификация систем

Вопросы к главе 1 «Основы теории систем»

2. Элементы системного анализа

2.1 Определение системного анализа

2.2 Прямая и обратная задачи исследования систем

2.3 Этапы исследования систем

2.3.1 Словесная постановка задачи

2.3.2 Выбор показателя эффективности, математическая постановка задачи

2.3.3 Модели и их роль при исследовании систем

2.3.4 Моделирование функционирования систем

Вопросы к главе 2 «Элементы системного анализа»

1. Основные понятия теории систем

1.1 Определение теории систем

Потребности практики и науки стимулировали появление и развитие научного направления системных исследований, охватывающих самые различные объекты, которое получило название теория систем.

Теория систем рассматривается как общенаучная теория, которая выступает связующим звеном между философией и другими науками.

Теория систем имеет свой объект, предмет и задачи.

Объект исследования теории систем - сложные системы.

Предмет - методы создания и развития систем.

Задачи теории систем:

- Развитие системных концепций общего характера. Построение обобщенных концептуальных моделей систем различных классов.

- Разработка общих принципов организации и логико-математического аппарата для системных исследований.

- Создание различных частных теорий систем.

Теория систем является еще молодой ветвью в науке, и ее становление происходит в настоящее время. Эта теория зародилась в 30-х годах XX в. и в 50-е годы сформировалась как самостоятельное научное направление. Основоположником этой теории по праву считается австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи. В создании теории принимали участие М. Месарович, Я. Такахара, Г. Саймон, А. Холл, Ч. Дарвин, Д. Менделеев, Г. Поспелов, Н. Бусленко и др.

Теория еще не сформировалась, однако и на этой стадии она приносит пользу, предлагая единый понятийный аппарат и методологию исследования сложных объектов. При этом делается попытка создания формального аппарата, который будет служить теоретическим фундаментом для целого ряда наук.

Теория систем, как отрасль науки, может быть разделена на две, достаточно условные части:

-теоретическую: использующую такие частные теории как теория

вероятностей, теория информации, теория массового обслуживания и др.;

-прикладную, основанную на прикладной математической статистике, методах исследовании операций и т. п.

Теория вероятности есть математическая наука, изучающая закономерности в случайных явлениях. Совершенно очевидно, что в природе нет ни одного физического явления, в котором не присутствовали бы в той или иной мере элементы случайности. Элемент неопределенности, сложности, многопричинности, присущей случайным явлениям, требует создания специальных методов для изучения этих явлений. Такие методы и разрабатываются в теории вероятности. Ее предметом является специфические закономерности, наблюдаемые в случайных явлениях.

Изучение таких закономерностей позволяет не только осуществлять научный прогноз в области случайных явлений, но в ряде случаев помогает целенаправленно влиять на ход случайных явлений, контролировать их, ограничивать сферу действия случайности, сужать ее влияние на практику.

Теория информации - есть наука, изучающая способы обработки информации, т. е. получения, передачи, накопления, преобразования, хранения и выдачи информации. Возникнув в 40-х годах двадцатого века на практических задачах теории связи, теория информации в настоящее время становится необходимым математическим аппаратом при изучении всевозможных процессов управления.

Черты случайности, присущие процессам обработки информации, заставляют обращаться при изучении этих процессов к вероятностным методам. При этом не удается ограничиться классическими методами теории вероятностей и возникает необходимость в создании новых вероятностных категорий. Процесс обработки информации непременное условие работы любой управляющей системы. В этом процессе всегда происходит обмен информацией между различными элементами системы.

Теория массового обслуживания. В настоящее время существует необходимость в решении своеобразных вероятностных задач, связанных с так называемых систем массового обслуживания. Каждая такая система состоит из какого-то числа обслуживающих единиц, которые называют «каналами» обслуживания.

В качестве каналов могут фигурировать: линии связи, лица, выполняющие те или иные операции, различные приборы и т. д.

Работа любой системы массового обслуживания состоит в выполнении поступающего на нее потока требований или заявок. Предмет теории массового обслуживания - установление зависимости между характером потока заявок, производительностью отдельного канала, числом каналов и, эффективностью обслуживания.

Прикладная математическая статистика - раздел прикладной математики, в котором изучается математический аппарат и программное обеспечение для исследования статистических моделей в целях интерпретации результатов и получения практических выводов.

К статистическим математическим моделям относятся модели законов распределения вероятностей, а также модели, описывающие структуру и модели регрессии, дисперсионного анализа, анализа временных рядов и т. д.

Статистические модели позволяют учитывать все многообразие связей и факторов, оказывающих влияние на исследуемые объекты. Их получение не требует значительных средств: объект рассматривается как «черный ящик», а реальные взаимосвязи апроксимируются некоторыми зависимостями.

Исследования операций - это наука, которая занимается выработкой количественных рекомендаций, необходимых для организации операций. Напомним, что под операцией здесь понимается любое целенаправленное действие человека, группы людей и систем человек-машина (т. е. элементов системы).

Предметом изучения этой науки являются операции, выполняемые элементами системы. При этом количество элементов и их свойства могут варьироваться в широком диапазоне. Основными методами теории исследования операций являются математические методы.

Теория систем широко использует достижения многих отраслей науки и этот захват непрерывно расширяется.

Вместе с тем, в теории систем имеется свое "ядро", свои особые методы - системный подход и системный анализ. Сущность метода системного подхода достаточно проста: все элементы системы и все операции в ней должны рассматриваться только как одно целое, только в совокупности, только во взаимосвязи друг с другом.

Плачевный опыт попыток решения системных вопросов с игнорированием этого принципа, попыток использования "местечкового" подхода достаточно хорошо изучен. Локальные решения, учет недостаточного числа факторов, локальная оптимизация -- на уровне отдельных элементов, почти всегда приводили к неэффективному в целом, a иногда и опасному по последствиям, результату.

К основным принципам системного подхода можно отнести:

первый принцип - это требование рассматривать совокупность элементов системы как одно целое или, более жестко, -- запрет на рассмотрение системы как простого объединения элементов;

второй принцип заключается в признании того, что свойства системы не просто сумма свойств ее элементов. Тем самым постулируется возможность того, что система обладает особыми свойствами, которых может и не быть у отдельных элементов;

третьим принципом может считаться максимум функции системы. Теоретически доказано, что всегда существует функция ценности системы -- в виде зависимости ее эффективности (почти всегда это экономический показатель) от условий построения и функционирования. Кроме того, эта функция ограничена, а значит можно и нужно искать ее максимум;

четвертый принцип запрещает рассматривать данную систему в отрыве от окружающей ее среды -- как автономную, обособленную. Это означает обязательность учета внешних связей или, в более общем виде, требование рассматривать анализируемую систему как часть подсистему) некоторой более общей системы;

пятый принцип - возможность (а иногда и необходимость) деления данной системы на части, подсистемы. Если последние оказываются недостаточно просты для анализа, с ними поступают точно также. Но в процессе такого деления нельзя нарушать предыдущие принципы;

шестой принцип - система должна рассматриваться на всех этапах жизненного цикла: происхождение, развитие, разрушение (гибель).

На концепции систем и системного подхода основана методология решения крупных проблем - системный анализ. При этом системный анализ имеет свою специфическую цель, содержание и предназначение (см. раздел 2).

1.2 Дескриптивное и конструктивное определение системы

Познавательные возможности теории систем реализуются путем отражения объектов (реальных и абстрактных) в ее основных понятиях, которые имеют весьма обобщенный смысл, что позволяет использовать их в различных науках.

Центральное понятие - система. В настоящее время нет единства в определении этого понятия. При этом понятия не противоречат друг другу, но отличаются полнотой.

Если теория систем претендует на роль общенаучной методологии, то понятие "система" должно быть универсальным, отражать всеобщность системных свойств и закономерностей. Поэтому вряд ли можно согласиться с той точкой зрения, что более или менее полное определение системы может быть дано исключительно по отношению к какому-либо из ее типов, изучаемому той или иной отраслью знания. При использовании общенаучной методологии, в том числе теории систем, они должны концентрироваться на исследовании отражения общего в особенном, а не рассматривать особенное само по себе, в отрыве от целого. То есть исследования в конкретной области должны опираться на общее понятие системы, что не исключает необходимости определения того особого типа систем, который этой отраслью знания изучается.

Все многообразие подходов к определению понятия "система" (а их известно более сорока) можно разделить на следующие группы. Первую группу составляют определения системы как выбираемой исследователем любой совокупности переменных, свойств или сущностей (такой подход характерен для У.Р. Эшби, а также М. Тоды и Э. Шуфорда). Если следовать подобной логике, то системой могут оказаться два любых произвольно выбранных объекта, имеющих в действительности настолько слабые взаимосвязи, что они либо не могут быть уловлены наблюдателем, либо ими можно пренебречь.

Вторую группу составляют определения системы, связывающие ее с целенаправленной активностью. Например, И.М. Верещагиным система определена как "организованный комплекс средств достижения общей цели". Н.Г. Белопольский считает, что материальная система - это созданная с определенной целью природой или человеком часть объективного материального мира, которая состоит из относительно устойчивых взаимодействующих и взаимосвязанных элементов, развитие и совершенствование которой зависит от взаимодействия с окружающей средой. Если имеются в виду только искусственные системы, остается непонятным, почему из поля зрения выпали естественные. Если же, как во втором определении, рассматриваются оба типа систем, то для природных объектов нужно признать существование субъекта, задающего цель (фактически - Бога-творца), что выходит за рамки научного исследования, по крайней мере в современных условиях. Далее, помимо развития и совершенствования (см. определение Н.Г. Белопольского), в системах могут происходить процессы деградации и разрушения, которые зависят не только от взаимодействия систем с окружающей средой, но и от внутренних свойств самой системы. Следовательно, ни первая, ни вторая группы определений не дают адекватного понимания системы.

Третья группа базируется на понимании системы как множества элементов, связанных между собой. В этом случае встает вопрос, можно ли определить что-либо через понятие множества, не имеющее определения и вводимое для каждого конкретного случая? Э.Р. Раннап и Ю.А. Шрейдер также выступают против определения системы через множество, заметив, что любая система допускает возможность различных ее членений, каждая из которых является множеством, т. е. систему можно рассматривать как множество, но сама по себе множеством она не является, с чем трудно не согласиться.

Четвертую группу составляют наиболее общие определения системы как комплекса элементов, находящихся во взаимодействии. В этом случае может возникнуть заблуждение, что любые, даже очень слабо взаимодействующие объекты могут быть отнесены к категории "система" и рассмотрены с системных позиций.

A.M. Кориков и Е.Н. Сафьянова выделяют два аспекта в определении системы. Дескриптивное (описательное) определение, по их мнению, должно отвечать на вопрос о том, как отличить системный объект от несистемного; а конструктивное должно помочь исследователю в ответе на вопрос о том, как строить систему путем выделения ее из среды.

Дескриптивное определение системы проводит более четкую границу между системными и несистемными объектами и дает, таким образом, понятие системы "вообще", а конструктивное - базируется на общих принципах выделения системы из среды и предоставляет возможность определения понятия конкретной системы.

Наиболее оправданным подходом, отвечающим требованиям, предъявляемым дескриптивным определением к понятию "система", является введение его через понятия совокупности, взаимосвязи и целого. В соответствии с этим дадим следующее дескриптивное определение понятия "система". Системой является совокупность объектов, взаимосвязанных между собой, которые образуют единое целое, обладающее свойствами, не присущими составляющим его объектов, взятым в отдельности.

Конструктивный подход, как уже отмечалось, помогает исследователю построить систему путем выделения ее из среды и основан на рассмотрении структуры системы, определяемой ее функцией. С этой точки зрения любую открытую систему принято схематически представлять в виде "черного ящика" (рисунок 1.1).

Входы, или ресурсы системы представляют собой объекты, передаваемые системе из среды. При помощи входов осуществляется влияние среды на систему.

Выходы, или конечный продукт системы, - это объекты, передаваемые системой окружающей среде. Посредством выходов система может оказывать влияние на среду.

Описание системы через входы и выходы иногда называют внешним поскольку оно дает понимание связей системы с окружающей средой, оставляя без внимания то, что происходит внутри системы. Этот пробел восполняет внутреннее, локальное описание системы, рассматривающее механизм преобразования входов в выходы, т.е. процессор.



Рисунок 1.1 - Конструктивное описание системы

Процессор включает в себя правила преобразования входов в выходы; средства этого преобразования; его исполнителей (если в систему входит человек); объект преобразования, катализатор, способствующий ускорению преобразования, и время. Очень часто, то, что подлежит преобразованию (в экономических системах это предмет труда), не рассматривается как часть процессора, что скорее всего связано с тем, что оно считается частью входов системы. Но ведь в принципе любой объект системы, или "материал" для его построения, должен сначала быть поданным на входы и лишь потом присваивается системой как неотъемлемая составная часть. Еще один аргумент в пользу включения объекта преобразования в саму систему, в ее процессор, добавляет то, что и средства преобразования, и его исполнители, рассматриваемые как части процессора, тоже проходят через входы системы. Да и правила преобразования (например, технология) часто задаются системе извне. И наконец, объект преобразования вполне удовлетворяет предложенному В.Н. Садовским критерию, согласно которому множество элементов образует систему, если для каждого элемента справедливо хотя бы одно из двух: а) элемент имеет отношение хотя бы с одним другим элементом; б) по крайней мере один элемент имеет с ним отношения (причем для входных элементов справедливо только а), а для выходных - б). Все это позволяет включить объект преобразования в состав процессора системы. Объекты, не удовлетворяющие названному выше критерию системности, являются средой системы.

С учетом рассмотренного конструктивного определения системы, можно конкретизировать данное выше дескриптивное определение системы следующим образом.

Под системой следует понимать некоторую целостную совокупность, состоящую из отдельных элементов, которые связаны между собой материальными, энергетическими или информационными связями, в результате чего эта совокупность имеет некоторые специфические свойства, не присущие в полной мере каждому из входящих в него элементов.

Из этого определения видно, что весь окружающий нас реальный мир состоит из систем и сам представляет собой некоторую систему. Отсюда, если при рассмотрении какой-то конкретной системы выделить любой ее элемент, то он также окажется системой, состоящей из ряда других элементов, которые тоже являются системами и т. д.

Таким образом, каждая система является элементом другой, более крупной системы, и каждый элемент в свою очередь является системой, но только меньшей, чем та, в которую он входит.

Материальные, энергетические или информационные связи представляют собой не что иное, как операции (целенаправленное действие) по обработке материальных, энергетических или информационных потоков. Каждая из этих операций может выполняться несколькими элементами системы одновременно. Взаимное выполнение операций объединяет или связывает элементы между собой. Поскольку элементы системы выполняют операции путем реализации своих свойств, то выполнение каждой операции обобщает и интегрирует свойства элементов, превращая их в некоторое специфическое свойство группы элементов, отличающееся от свойств каждого элемента.

Здесь следует отметить, что в зависимости от того, какие элементы выполняют операцию, она может быть неделимой (элементарной) или составной (системной). Так, если операция выполняется с помощью элементов некоторой системы, которая входит в состав другой системы в виде элемента, то на уровне последней эта операция будет неделимой, а на уровне первой - составной.

Все операции, которые выполняют элементы системы, складываются в некоторую последовательность(совокупность), называемую функционированием системы. Через способность достигать цель с помощью функционирования выявляются возможности или свойства всей системы в целом. Отсюда, функционирование, определяя взаимосвязь элементов в системе через совместное выполнение ими операций, отражает собой структуру системы.

Структура системы и ее элементы могут быть подвижными, то есть изменяющимися, объектами даже тогда, когда система не меняет своего назначения, то есть цель и другие функции системы остаются постоянными. Это, как правило, происходит в случае решения задачи совершенствования системы, например, повышения ее эффективности.

Очевидно, что структура и состав системы обусловливают друг друга, однако ни состав элементов, ни структура не определяют друг друга однозначно. Так, структура системы может быть одна и та же, а состав элементов, выполняющих операции, - разный. Это объясняется тем, что необходимые для выполнения операций свойства могут иметь совершенно разные элементы, а значит, одни и те же операции могут выполняться разными элементами.

В то же время, структура системы - состав операций и их последовательность - может изменяться, а состав элементов оставаться постоянным. Это, конечно, возможно, когда неизменный состав элементов имеет свойства, достаточные для обеспечения изменения структуры.

Если система создана или модернизирована и какой-то период времени не меняет свои состав и структуру, то граница такой системы на данный период определяется в основном ее структурой.

Дело в том, что некоторые элементы могут принадлежать сразу нескольким системам, но в разное время, т. е. одни и те же элементы могут мигрировать из системы в систему, участвуя в функционировании каждой из них, используя соответствующие свои свойства. Обычно такие элементы имеют расширенный набор свойств, позволяющий в системе реализовать одну функцию, а в другой системе - другую, то есть систем несколько, а элемент один и тот же, но многофункциональный и подвижный.

Отсюда следует, что несколько систем могут быть функционально связаны не только операциями, выполняемыми совместно их элементами, но и через элементы, принадлежащими сразу нескольким системам.

1.3 Основные признаки и свойства системы

Основными признаками системы, отвечающими дескриптивному определению «система», могут быть: совокупность, связь, объект, подсистема, элемент, структура, организация, управление, цель, функция, функционирование, поведение, эффективность, оптимальность. Дадим их краткое определение.

Под совокупностью можно понимать сочетание, соединение, объединение объектов.

Связь - обязательное свойство элементов системы. Она рассматривается как способ воздействия, взаимодействия или отношение элементов между собой, обусловливающий структуру системы и ее размещение в пространстве и вo времени. Обычно рассматриваются следующие типы связей: материальные энергетические, информационные. Это понятие характеризует одновременно и строение (статику), и функционирование (динамику) системы. Связь характеризуется направлением (направленные и ненаправленные), силой (сильные и слабые), характером (связи подчинения, равноправные связи), а также местом приложения (внутренние и внешние) и направленностью процессов в системе и ее частях (прямые и обратные).

Постулируется, что связи существуют между всеми системными элементами, между системами и подсистемами и между двумя и более подсистемами.

Связями первого порядка называются связи, функционально необходимые друг другу. Связи второго порядка - это такие связи, которые являются дополнительными. Как правило, такие связи не являются функционально необходимыми, но они в значительной степени улучшают действие системы. Примером могут служить синергические связи, которые при кооперативных действиях независимых организаций обеспечивают увеличение их общего эффекта до величины большей, чем сумма эффектов этих же независимо действующих организаций. В том случае, если связи являются излишними или противоречивыми, то они определяются как связи третьего порядка. Избыточность описывает такое состояние системы, когда она содержит ненужные элементы.

Противоречие существует тогда, когда система содержит два объекта, таких что, если один истинен то другой ложен по определению.

Под объектом понимается то, что существует вне нас, и не зависит от нашего сознания, выступает предметом познания и воздействия.

Подсистема - часть системы, представляющая собой совокупность некоторых ее элементов, и отличающаяся подчиненностью, с точки зрения выполняемых функций. Подсистемы выделяются по функциональным и (или) технологическим признакам. Названием "подсистема" подчеркивается, что такая часть должна обладать свойствами системы (в частности, свойством целостности).

Элемент - часть системы, обладающий некоторой самостоятельностью и имеющий связи с другими частями. Элемент системы при данном рассмотрении объекта не подлежит дальнейшему расчленению, т. е. - это предел членения системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели. При исследовании элемента нас должны интересовать только те свойства, которые определяют его взаимодействие с другими элементами. Обычно рассматривают элементы однородного, разнородного и смешанного характера.

Структура - совокупность элементов системы и связи между ними. Это понятие происходит от латинского слова structure, означающее строение, расположение, порядок. Выявление структуры позволяет зафиксировать объект как нечто целое. Структура под воздействием функции во многом определяет свойства системы, в том числе и общесистемные свойства целостности, иерархичности и интегративности. Она также играет важную роль в функционировании системы, обеспечивая относительную ее устойчивость и способствуя сохранению качественной определенности системы.

Со структурой системы тесно связана ее организация, нередко эти понятия отождествляются. Существуют также попытки определить организацию как сложность системы (такой взгляд был характерен для Н. Винера и JI. фон Неймана), хотя понятие организации давно определено как взаимодействие частей целого, обусловленное его строением. Это определение ясно показывает отличие и взаимосвязь организации и структуры. Если структура системы отражает ее устойчивые компоненты и связи, то организация - как устойчивые, так и неустойчивые объекты и связи, т.е.организация выражает и структурные, и составные аспекты системы.

На практике часто используют два понятия структуры системы: организационная структура и функциональная структура.

Организационная структура понимается как взаимосвязь объектов системы, находящихся на разных уровнях управления. При этом связь между объектами представляет собой совместное выполнение ими операций по обработке потоковой информации, идущих с верхних уровне управления вниз и на оборот.

Функциональная структура понимается как взаимосвязь объектов системы находящихся, как правило, на одном уровне управления осуществляющаяся путем совместной обработки потоков информации, материальных или энергетических потоков в интересах функционального взаимодействия для выполнения своих задач.

Управление - совокупность информационных воздействий, для достижения поставленных целей.

Цель - область состояний среды и системы, которую необходимо достичь при функционировании системы. По другому, цель - это "желаемое" состояние ее выходов, т.е. некоторое значение или подмножество значений функций системы. Цель может быть заданной как из вне и поставлена системой самой себе; в последнем случае цель будет выражать внутренние потребности системы. Поэтому, вопреки сложившемуся в экономической литературе, так и в исследованиях по теории систем мнению, цели подсистемы, если она, в свою очередь, является целенаправленной самоуправляемой системой, не могут (и не должны) быть подчинены целям системы, в которую она входит, в силу изначального различия потребностей. Их цели должны быть непротиворечивыми, взаимно не исключающими друг друга, для чего в теории систем разработано немало эффективных процедур, подробно описанных в соответствующей литературе. Вопреки достаточно распространенному, в частности среди тех, кто разрабатывает и осуществляет социальные реформы, волюнтаристскому взгляду, система может достичь цели не из любого состояния, не при любом начальном условии и тем более не в любой промежуток времени. Чтобы достичь цели, система должна находиться в "области достижимости".

Основным системообразующим признаком является функция системы. Единого мнения по поводу того, что представляет собой функция, не сложилось. Анализ научной литературы позволяет выделить четыре основных группы взглядов на природу и происхождение функции системы.

Исследователи первой группы полагают, что функция системы состоит в переработке входов в выходы. Несуразность подобного подхода очевидна: если, например, рассмотреть такую систему, как фирма, выпускающая компьютеры, то ее функцией нужно назвать переработку пластмассы, интегральных схем, идей, энергии и др. в компьютеры. А зачем? Для чего это, в свою очередь, нужно? Практика СССР показала, что подобное понимание функции истощает ресурсы и приводит систему к разрушению.

Вторая точка зрения близка первой и видит функцию в сохранении системы, поддержании ее структуры, т.е. получается, что система должна существовать для того, чтобы существовать.

Третья группа исследователей отождествляет функцию и функционирование системы, определяя вторую как способ или средства достижения цели, как действия, предпринимаемые для этого, однако возможно существование нецелевых систем, осуществляющих функционирование, а значит, и имеющих функцию.

И, наконец, четвертой группой функция рассматривается как смысл существования, назначение, необходимость системы. Именно эту точку зрения и следует признать наиболее близкой к истине, ибо, по определению, функция отражает назначение системы, что исключает и споры по вопросу, каково ее происхождение.

Функция задается системе извне и показывает, какую роль данная система выполняет по отношению к более общей системе, в которую она включена составной частью наряду с другими системами, выступающими для нее средой. Это положение имеет очень важные следствия: импульс к изменению, в том числе и развитию системы, может как генерироваться внутри системы, так и вызываться внешними факторами. Если первое достаточно обосновано еще в рамках материалистической диалектики, то второе нуждается в логическом обосновании. Во-первых, любое изменение функции, производимое средой, вызывает смену механизма функционирования системы (по определению понятий "функция" и "функционирование"), а это приводит к изменению структуры системы, которое может происходить как в направлении прогресса, так и в направлении регресса. Во-вторых, с усложнением функции в пределах старого строения происходит дифференциация, которая в будущем может вызвать обособление новой части, т.е. развитие системы. Именно то, что функция определяет структуру, функционирование и развитие системы, дает основание говорить о ней как о главном системообразующем факторе.

Немаловажное значение имеет вопрос о соотношении функции и цели системы, особенно для целенаправленных социальных систем, тем более что нередко цель и функция либо отождествляются, либо функцию считают подчиненной цели. По определению, функция отражает назначение системы, ее роль в среде и является объективно обусловленной средой; цель, наоборот, выражает внутренние потребности системы, имеющей внутренний блок управления, следовательно, об отождествлении цели и функции или подчинении одного другому речь идти не может. Может утверждаться лишь, что каждая из них в состоянии препятствовать осуществлению другой, или не препятствовать. При этом главенствующая роль принадлежит функции, поскольку именно от нее зависит возможность самого существования системы: если функция не выполняется, влияние среды может быть для системы разрушительным, в то время как обратное верно не всегда - если система выполняет свою функцию, то не достижение (или достижение) цели, как правило, не несет непосредственной угрозы разрушения. Например, если какая-либо фирма не удовлетворяет потребностей потребителей своей, продукцией (функция), то рано или поздно она разорится. Если же, вполне удовлетворяя потребности, фирма не получает прибыль (одна из возможных целей), она вполне может существовать значительное время.

Конечно, цель оказывает огромное влияние как на структуру, так и на поведение системы и наряду с функцией должна быть признана системообразующим фактором, но при решающей роли функции.

Функционирование - осуществление различных процессов в системе при взаимодействии со средой. Функционирование системы во времени называют ее поведением. Все еще встречающуюся в литературе по теории трактовку поведения как суммы или последовательного набора состояний следует признать неверной, поскольку никакая "сумма" (если вообще можно применять это понятие к качественным категориям) дискретных статических срезов системы не в состоянии показать ее динамические характеристики, одной из которых является поведение (хотя изучение поведения системы человеком в силу особенностей его мышления происходит так, как подмечено выше, но является отражением законов познающего субъекта, а не познаваемого объекта).

В процессе функционирования система достигает определенного результата - эффекта. Вопрос об эффективности системы, а тем более формализованном ее выражении можно считать до сих пор не разрешенным, хотя определенные высказывания на этот счет имеются.

Поскольку какой бы то ни было эффект (результат), включая, возможно, и достижение какой-либо цели, является продуктом функционирования системы, то эффективность или результативность следует понимать как степень достижения результата, заданного ее функцией, как степень соответствия действительного результата тому, который должен иметь место при всей полноте выполнения системой своей функции.

Иногда оптимум системы отождествляется с эффективностью. В литературе определение оптимума - как экстремума целевой функции системы, - страдает неопределенностью, поскольку неясно, какой экстремум функции - максимум или минимум - имеется в виду. Понятие оптимума системы можно в общем определить следующим образом. Оптимум системы представляет собой максимально (минимально) достижимое при имеющихся ресурсах значение целевой функции системы.

Таким образом, система может быть эффективной, но не оптимальной; оптимальной, но неэффективной и как эффективной, так и оптимальной.

Как эффективность, так и оптимальность системы сильно зависят от того, насколько эффективны и оптимальны ее подсистемы, и наоборот, однако зависимость здесь не прямая: эффективность функционирования объектов способствует эффективности системы в целом, но не всегда приводит к ней в силу системного свойства интегративности. Что касается оптимума, то здесь еще более сложная и противоречивая зависимость, которая может быть даже обратной: достижение системой глобального оптимума нарушило бы нормальное функционирование подсистем; а подсистемы не могут одновременно достичь оптимума, ибо это может вывести за допустимые пределы переменные других подсистем.

Дескриптивный подход к определению системы требует также описание основных ее свойств. В качестве общесистемных свойств могут выступать: целостность, иерархичность, интегративность, переходный процесс, устойчивость, управляемость, достижимость, обратная связь, адаптивность, открытость (закрытость).

Дадим краткое описание основным свойствам системы.

Целостность - это общесистемное свойство, заключающееся в том, что изменение любого объекта системы оказывает воздействие на все другие ее объекты и приводит к изменению системы в целом; и наоборот, любое изменение системы отзывается на всех объектах системы; она означает также преобразование компонентов, входящих в систему, соответственно ее природе.

Иерархичность системы состоит в том, что она может быть рассмотрена как элемент системы более высокого порядка, а каждый ее элемент, в свою очередь, является системой.

И, наконец, интегративность представляет собой обладание системой свойствами, отсутствующими у ее элементов (верно и обратное - элементы обладают свойствами, не присущими системе).

Реакция системы на какой-либо входной сигнал называется переходным процессом. Переходные процессы систем изображены на рис. 1.2. Эти процессы характеризуются временем переходного процесса Т, величиной перерегулирования у (максимальное отклонение Y1 от Y0 за время переходного процесса).

Рисунок 1.2 - Переходные процессы системы

Переходный процесс - это показатель функционирования системы во времени, указывающий как быстро и в какое новое состояние перейдет система в результате появления входного сигнала. Система находится в равновесии, если ее состояние может оставаться неизменным неограниченное время. В системе может быть несколько состояний равновесия.

Под устойчивостью системы понимается ее способность под действием входного сигнала переходить из одного состояния равновесия в другое. На рис. 1.2. переходные процессы I и II соответствуют устойчивой системе, а III - неустойчивой.

Понятие устойчивости связано с величиной воздействия, вызвавшего изменения состояния системы. Надо учитывать предельное значение входного сигнала.

Принцип управляемости выражает необходимость зависимости показателя эффективности, целевой функции от параметров управления системой (входных сигналов).

Достижимость означает что параметры, как самой системы, так и ее среды должны достичь определенных значений.

Обратная связь означает получение информации о результате управления. Обратная связь может быть отрицательной и положительной.

Отрицательная обратная связь характеризуется тем, что выходной сигнал, воздействующий на вход системы, имеет противоположный знак по отношению к входному, вызывающему изменение состояния системы. Системы с отрицательной обратной связью обычно предназначены для поддержания ее в устойчивом состоянии.

Положительная обратная связь характеризуется тем, что выходной сигнал, подаваемый на вход в качестве обратной связи, имеет одинаковый знак с входным сигналом. Системы с положительной обратной связью неустойчивы.

Свойством адаптивности обладает система, имеющая управление с обратной связью, которая отличается наличием специального адаптивного механизма накапливающего и анализирующего информацию о прошлых управленческих ситуациях, вырабатывающего новое поведение.

Адаптивное управление присуще сложным системам, которым в процессе управления приходится изменять программы и стратегии поведения путем обучения.

Теория адаптивного управления пока не получила большого развития, в следствие чрезвычайной сложности формирования процессов обучения.

Открытость - означает, что система имеет связь со средой.

Закрытость - система не имеет связи со средой.

1.4 Классификация систем

Системы могут быть разделены на классы по различным признакам. На рисунке 1.3 представлена классификация систем по наиболее общим признакам:

- по природе элементов;

- по происхождению;

- по степени сложности;

- по характеру поведения;

- по степени автоматизации управления;

- по приспособленности к среде;

- по отношению к среде;

- по длительности существования;

- по изменению свойств;

- по характеру реакции на воздействие среды.

Физические системы состоят из изделий, оборудования и машин и, вообще, из естественных или искусственных объектов. Этим системам могут быть противопоставлены абстрактные системы, которые не имеют прямого аналога. В абстрактных системах свойства объектов, которые могут существовать только в уме исследователя, представляют символы. Это могут быть: языки (естественные и искусственные), системы исчислений и т.п. Идеи, планы гипотезы и понятия, находящиеся в процессе исследования, могут также быть представлены как абстрактные системы.

Естественные системы - это системы, которые существуют реально, например: механические, биологические, эргодические (человеко-машинные). В свою очередь, искусственные системы являются продуктом человеческого труда и ума.

Разделение систем на простые и сложные является условным. Мы будем относить к разряду сложных систем те, для которых характерны следующие признаки:

наличие большого количества взаимодействующих между собой элементов;

возможность разбиения системы на подсистемы;

сложность функционирования системы;

наличие управления (обработки потоков информации);

наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов.

Рисунок 1.3 - Классификация систем

Любую сложную систему в соответствии с кибернетическим подходом к исследованию систем можно рассматривать как систему управления, состоящую из двух или более систем. При этом одна из них является управляющей системой, а другая управляемой системой.

Адаптивная система - это система, которая способна приспосабливаться к внешнему воздействию, или, другими словами, в которой происходит непрерывный процесс обучения или самоорганизации.

Системы существуют в определенной окружающей среде и обусловливаются ею. Открытые системы обмениваются с окружающей средой веществом или энергией регулярным и понятным образом. Деловая деятельность в основном происходит в обстановке открытой системы.

Противоположностью открытым системам являются закрытые системы, у которых отсутствует взаимодействие с внешней средой, или которые действуют с относительно небольшим обменом энергией или веществом с окружающей средой. Лучший пример частично закрытой системы в деловом мире - монополия, процессы и продукты которой защищены патентами или другими средствами. Отсутствие конкуренции может позволить монополии действовать менее открытым способом. Сделанные человеком системы являются закрытыми, если они характеризуются как полностью структурированные. Конструирование деловых систем имеет целью переход к открытым системам. Эта цель достигается с помощью обратной связи. Системы, сделанные человеком, могут быть также адаптивными.

Постоянная система - это естественная система, но на практике довольно часто некоторые искусственные системы относят к постоянным системам.

Стабильная система - это система, свойства которой не меняются во времени. В том случае, если изменения все-таки имеют место, то они носят циклический характер.

Пассивные системы не оказывают ответного воздействия на среду. В случае, если ответная реакция имеет место, то такая система является активной.

Как видно из рисунка 1.4, каждая управляемая система в свою очередь может быть представлена системой управления состоящей из управляющей и управляемой систем. Таким образом, любую сложную систему можно рассматривать как комплекс вложенных друг в друга систем управления. Образно говоря, сложная система - это «матрешка», число, вложений в которую зависит от целей исследования системы. Они конкретно определяют, какую по счету управляемую систему не следует далее представлять системой управления с двумя составляющими -- управляющей и управляемой.

Функционирование сложной системы как системы управления, состав которой показан на рисунке 1.4, можно представить в виде процесса управления, состоящего из последовательности следующих четырех системных операций:

- операции прогноза;

- операции принятия решения;

- операции планирования;

- операции регулирования или оперативного управления, состоящей в свою очередь из операций контроля (учет и анализ выполнения мероприятий плана) и управляющего воздействия в интересах выполнения плана.



Рисунок 1.4 - Состав системы управления

В общем случае процесс управления является циклическим процессом (рисунок 1.5). Это значит, что каждая из четырех операций может выполняться в цикле в зависимости от возможностей состава системы - количества элементов и их свойств, и воздействия окружающей среды.

Первый цикл - повторение операции контроля до тех пор, пока не обнаружено отклонение мероприятий от плана.

Второй цикл - в случае обнаружения отклонений от плана повторяется операция управляющего воздействия, затем снова выполняется операция контроля.

Третий цикл - повторение операции планирования - корректировки старого плана так, чтобы операция оперативного управления в целом оставалась эффективной. При этом вначале выполняется операция принятия решения.

Четвертый цикл - повторяется операция принятия решения на разработку нового плана, если корректировка старого плана не принесла успеха. При этом, как правило, выполняется и операция прогнозирования.

Рисунок 1.5 - Циклический процесс управления

Такое циклическое повторение характерно для всех сложных систем, нас окружающих. Отличия могут заключаться лишь в той или иной конкретной детализации состава циклов.

Теперь несколько слов о простых системах. Главной отличительной чертой простой системы является, как правило, небольшое количество элементов в составе системы и отсутствие управления.

При большом количестве элементов простые системы называются большими системами.

Состояние простой системы не может меняться (структура, элементы) поскольку отсутствует управление, то есть, нет управляющей части. Состояние простой системы изменяется только под воздействием внешней управляющей системы, когда простая система превращается в управляемую, но не в систему управления.

В отличие от управляющей системы, обрабатывающей информационные потоки, простая система, превращенная в управляемую, обрабатывает материальные или энергетические потоки. На практике такими системами является различное оборудование, управляемое людьми или автоматами. Подобные системы могут входить в качестве элементов в состав систем управления, примером которых являются такие сложные системы как предприятия текстильной или легкой промышленности. Эти предприятия полностью соответствуют определению сложной системы, а значит, системы управления, структура которой определяется информационными, материальными и энергетическими связями.

Вопросы к главе 1 «Основы теории систем»

Что такое теория систем? Объект, предмет и задачи теории систем.

Каков состав теоретической и прикладной частей теории систем?

Какова сущность системного подхода?

Дайте дескриптивное определение системы.

Дайте конструктивное определение системы.

Как вы понимаете объект, подсистему, элемент, элементарные и составные операции.

Что такое структура и организация системы?

Раскройте понятие управления, цели, функции, функционирования и поведения.

Что такое эффективность и оптимальность системы?

Дайте определение таким свойствам системы как целостность, иерархичность и интегративность.

Что собой представляют такие свойства системы как переходный процесс, устойчивость, управляемость и достижимость?

Что означает обратная связь и ее виды?

Дайте определение адаптивности системы.

Что такое открытость системы?

Классификация систем и определение каждого класса системы.

Что такое система управления?

17.Каков циклический процесс управления?

2. Элементы системного анализа

2.1 Определение системного анализа

Системный анализ в широком смысле слова представляет собой синтез методологии теории систем, системного подхода и системных методов обоснований принятия решения.

Системный анализ - это методология решения крупных проблем, основанная на концепции систем. В системном анализе решение проблемы определяется как деятельность, которая сохраняет или улучшает характеристики системы. Приемы и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределенности по каждому варианту и сопоставление вариантов по их эффективности.

Привлечение этой методологии обусловлено, прежде всего, тем, что приходится осуществлять выбор в условиях неопределенности, вызванной наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке. С момента своего возникновения (начало 50-х годов, США) системный анализ быстро впитал в себя достижения многих родственных и смежных областей и различных подходов и превратился в самостоятельную, богатую формами и областями приложений, уникальную по своему назначению и характеру научную и прикладную дисциплину.

Поскольку практически действующая методология есть не что иное, как основанная на этой методологии деятельность различных организаций по решению проблемы, системный анализ начал оказывать глубокое влияние на понимание и практику руководства решением проблем и вообще на организацию и руководство. В частности, еще в 1963 г. военный бюджет США был подготовлен на основе широкого применения системного анализа.

Системный анализ может применяться в области бизнеса, социологии, здравоохранения и практической медицины, политики и идеологии, в которых могут существовать свои специфические проблемы. В частности, совершение техники политических переворотов и техники контроля над населением (с помощью средств массовой информации) может быть следствием применения методологии системного анализа, в том числе, и в нашей стране.

Целью системного анализа является упорядочение последовательности действий при решении крупных проблем, основываясь на системном подходе. Системный анализ предназначен для решения того класса проблем, который находится вне короткого диапазона ежедневной деятельности.

Основное содержание системного анализа заключено не в формальном математическом аппарате, описывающем "системы" и "решение проблем" и не в специальных математических методах, например, оценки неопределенности, а в его концептуальном, т. е. понятийном, аппарате, в его идеях, подходе и установках.

Системный анализ как методология решения проблем претендует на то, чтобы исполнять роль каркаса, объединяющего все необходимые знания, методы и действия для решения проблемы. Именно этим определяется его отношение к таким областям, как исследование операций, теория статистических решений, теория массового обслуживания и т. п.

В центре методологии системного анализа находится операция количественного сравнения альтернатив, которая выполняется с целью выбора альтернативы, подлежащей реализации. Если требование разнокачественности альтернатив выполнено, то могут быть получены количественные оценки. Но для того, чтобы количественные оценки позволяли вести сравнение альтернатив, они должны отражать участвующие в сравнении свойства альтернатив (выходной результат, эффективность, стоимость и другие).

...