2. Системный подход к исследованию систем

Сущность системного подхода.

Системный подход предполагает представление исследуемого объекта как некоторой системы, характеризующейся:

• элементным составом;

• структурой как формой взаимосвязи элементов;

• функциями элементов и целого;

• единством внутренней и внешней среды системы;

• законами развития системы и ее составляющих.

Сложные системы.

Достаточно часто термины «большая система» и «сложная система» используются как синонимы. В то же время существует точка зрения, что большие и сложные системы — это разные классы систем. При этом некоторые авторы связывают понятие «большая" с величиной системы, количеством элементов (часто относительно однородных), а понятие "сложная" - со сложностью отношений, алгоритмов или сложностью поведения.

Существует ряд подходов к разделению систем по сложности. Разными авторами предлагались различные классификации сложных систем.

Например, признаком простой системы считают сравнительно небольшой объем информации, требуемый для ее успешного управления. Системы, в которых не хватает информации для эффективного управления, считают сложными.

Г.Н. Поваров оценивает сложность систем в зависимости от числа элементов, входящих в систему:

• малые системы (10-103 элементов);

• сложные (104-106);

• ультрасложные (107-1030 элементов);

• суперсистемы (1030-10200 элементов).

Система называется сложной, если в ней не хватает ресурсов (главным образом, информационных) для эффективного описания (состояний, законов функционирования) и управления системой - определения, описания управляющих параметров или для принятия решений в таких системах (в таких системах всегда должна быть подсистема принятия решения).

Одним из способов описания сложности является оценка числа элементов, входящих в систему (переменных, состояний, компонентов), и разнообразия взаимозависимостей между ними. Например, количественную оценку сложности системы можно произвести, сопоставляя число элементов системы (n) и число связей (m) по следующей формуле:

где n(n -1) - максимально возможное число связей.

Английский кибернетик С. Бир классифицирует все кибернетические системы на простые и сложные в зависимости от способа описания: детерминированного или теоретико-вероятностного.

Можно рассматривать сложность систем в двух аспектах: структурную сложность и сложность поведения. Примером системы с простой структурой, но сложным поведением является модель странного аттрактора Лоренца.

Математической базой исследования сложных систем является теория систем. В теории систем большой системой (сложной, системой большого масштаба, Lage Scale Systems) называют систему, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов и способна выполнять сложную функцию.

Закономерности функционирования и развития систем (целостность, интегративность, коммуникативность, иерархичность, эквифинальность, закон необходимого разнообразия, потенциальная осуществимость, историчность, самоорганизация, целеобразование).

Целостность

Emerge – появляться. Поэтому называют свойство - эмерджентность

Проявляется в системе в появлении у нее новых свойств, отсутствующих у элементов.

Примеры: свойства станка отличаются от свойств деталей, из которых он собран.

Три аспекта целостности:

1) Свойства системы Qs не являются простой суммой свойств составляющих ее элементов

2) Свойства системы (целого) зависят от свойств составляющих ее элементов (частей):

3) Объединенные в систему элементы, как правило, утрачивают часть своих свойств, присущих им вне системы.

Элементы могут приобрести новые свойства.

Система управления станком собирается из транзисторов, резисторов, датчиков и др. Система проявляет новые свойства по сравнению со свойствами отдельных элементов. Элементы утрачивают часть своих свойств (например, транзистор утратил возможность работать в различных режимах работы)

Производственная система в рабочее время подавляет у своих элементов-рабочих вокальные и др. способности и использует только те свойства, которые необходимы для осуществления процесса производства.

Если транзистор вышел из строя, или если датчик поставлен с другой чувствительностью, то изменятся характеристики системы в целом.

Интегративность

Интегративность часто употребляют как синоним целостности. Однако некоторые исследователи выделяют как самостоятельную закономерность, подчеркивая интерес к более глубоким причинам, обусловливающим возникновение этого свойства, к факторам, обеспечивающим сохранение целостности.

Коммуникативность

Система не изолирована от других систем. Она связана множеством коммуникаций со средой, которая содержит: надсистему (система более высокого порядка, задающая требования и ограничения исследуемой системы), подсистемы (нижележащие) и системы одного уровня с рассматриваемой. Такое единство со средой названо коммуникативностью.

Иерархичность

Закономерность Иерархичности в числе первых была выделена Л.фон Берталанфи. Особенности иерархических структур наблюдаются в биологии, в социальных организациях, при управлении предприятием, при представлении замысла проектов сложных технических комплексов.

Одну и ту же систему можно представить разными иерархическими структурами. Это зависит от:

- назначения системы, цели

- методики структуризации

- предыстории развития лиц, формирующих структуру.

Эквифинальность

Характеризует как бы предельные возможности системы. Предложил термин Берталанфи. Он так определил: «способность в отличие от состояния равновесия в закрытых системах, полностью детерминированных начальными условиями… достигать не зависящего от времени состояния, которое не зависит от ее начальных условий и определяется исключительно параметрами системы».

Потребность во введении понятия эквифинальности возникает , начиная с определенного уровня сложности системы. Берталанфи не получил ответа на вопросы:

• Какие именно параметры в конкретных условиях

обеспечивают эквифинальность?

• Как проявляется эквифинальность в сообществах, в

организационных системах?

Закономерность заставляет задуматься о предельных возможностях создаваемых предприятий, организационных систем управления отраслями, регионами, государством.

Закон необходимого разнообразия

Для задач принятия решений наиболее важным является следствие этой закономерности. Пояснение на примере.

Исследователь (наблюдатель) N сталкивается с проблемой D, решение которой не очевидно.

Vd-разнообразие возможных решений.

Vn- разнообразие мыслей исследователя.

Задача исследователя заключается в том, чтобы свести разнообразие (Vd - Vn) к минимуму. В идеале к 0.

Эшби доказал теорему, на основе которо сформулировал вывод:

Если для Vd дано постоянное значение, то (Vd - Vn) может быть уменьшено только за счет роста Vn … Говоря образно, только разнообразие в N может уменьшить разнообразие, создаваемое в D; только разнообразие может уничтожит разнообразие.

Потенциальная осуществимость

Развитие идеи В.А.Котельникова о потенциальной помехоустойчивости систем.

Флейшман связал сложность структуры системы со сложностью ее поведения, предложил количественные выражения предельных законов надежности, помехоустойчивости, управляемости и др. качеств систем; показал, что на их основе можно получить количественные оценки осуществимости систем с точки зрения того или иного качества предельные оценки жизнеспособности и потенциальной эффективности сложных систем.

На практике потребность в таких оценках стоит остро: когда будут исчерпаны потенциальные возможности организационной структуры, когда устареют оборудование. Историчность

При исследовании, моделировании систем все больше необходимость учета принципов их изменения во времени.

Любая система не может быть неизменной. Она возникает, функционирует, развивается, погибает. Для конкретных организационных систем трудно определить периоды их расцвета, старения. Не всегда руководители учитывают, что время- непременная характеристика системы. Закономерность историчности можно использовать для предупреждения смерти системы, разрабатывая механизмы реконструкции, реорганизации для сохранения ее в новом качестве.

При создании сложных технических комплексов рекомендуется уже в процессе проектирования корректировать технический проект с учетом старения идеи, рассматривать вопрос, когда и как ее нужно уничтожить. Например, при регистрации предприятия в уставе предусматривают этап ликвидации предприятия.

Самоорганизация

Особенность самоорганизующихся систем- способность противостоять энтропийным тенденциям, способность адаптироваться к изменяющимся условиям.

Исследованием самоорганизации занимаются различные научные направления- от химии до кибернетики, теории систем.

Важные результаты получены в исследованиях развивающейся науки- синергетики.

Термин синергетика введен немецким ученым Г.Хакеном (лазеры, неравновесные фазовые переходы). Бельгийский ученый И.Р.Пригожин также назвал свою науку о самоорганизации синергетикой. Он пришел к интересным идеям из анализа специфических химических реакций. Понятия, введенные Пригожиным недостаточно хорошо интерпретированы для социально-экономических систем.

В сложных развивающихся системах закономерность самоорганизации проявляется в том, что в зависимости от преобладания энтропийных или негэнтропийных тенденций система любого уровня может развиваться в направлении более высокого уровня эквифинальности и переходить на него, либо, напротив, может происходить энтропийный процесс упадка и перехода систмеы на более низкий уровень существования.

Целеобразование

Исследования процесса целеобразования в сложных системах философами, психологами и кибернетиками позволили сформулировать некоторые общие закономерности процессов обоснования и структуризации целей в конкретных условиях совершенствования сложных систем:

Зависимость представления о цели и формулировки цели

от стадии познания объекта (процесса).

Зависимость цели от внутренних и внешних факторов.

Возможность сведения задачи формирования общей (главной, глобальной) цели к задаче структуризации цели. Зависимость способа представления структуры целей от стадии познания объекта или процесса (продолжение первой закономерности).

Проявление в структуре целей закономерности целостности.

Системный подход и системный анализ.

Наиболее конструктивным из направлений системных исследований в настоящее время считается системный анализ, который впервые появился в работах корпорации RAND в связи с задачами военного управления в 1960-е гг. СА получил распространение в отечественной литературе после перевода книги С.Оптнера и широко использовался в работах Центрального экономико –математического института (работы Ю.И.Черняка и др.), в работах томской школы системных исследований и др.школ. В 80-е гг. XX в. Дисциплина СА была введена в учебные планы вузов нашей страны.

В работах различных авторов существуют различные трактовки СА.

Системный анализ следует рассматривать как деятельность по исследованию систем в некоторой определенной области, подчиняющейся ряду принципов:

1. Выделение некоторого объекта/явления как системы: целостность представления объекта/явления; определение целенаправленности/назначения объекта; определение интегративных свойств объекта; выявление структуры и функций объекта.

2. Формирование модели системы.

3. Исследование модели системы с целью оценки ее свойств и прогнозирования ее поведения в будущем.

Обычно системный анализ применяется к объекту/явлению, выделенному аналитиком из окружающего мира как система.

Существующие сегодня определения:

1) системный анализ - методология решения проблем, основанная на структуризации систем и количественном сравнении альтернатив;

2) системный анализ - логически связанная совокупность теоретических и эмпирических положений из области математики, естественных наук и опыта практики разработки сложных систем, обеспечивающая повышение обоснованности решения конкретной проблемы;

3) системный анализ - это улучшающее вмешательство в проблемную ситуацию

Декомпозиция поставленной проблемы как метод системного исследования.

Системный анализ, позволяя провести декомпозицию описания сложных ситуаций, предусматривает их разложение на составляющие до такого уровня, чтобы для лица, принимающего решение, стало ясно, как решать каждую из них. В то время как при использовании целостного подхода необходимо рассматривать обратную задачу, когда имеется ряд частных вопросов и требуется с учетом взаимосвязей между ними дать общую характеристику крупной проблемы.

Существо системного анализа рассмотрим, начиная с определения трех его этапов:

1. Формирование дерева целей (декомпозиция целей, определяющих смысл изучаемой проблемы).

2. Формирование дерева знаний (декомпозиция сведений о проблеме, в том числе об информации, с помощью которой возможно ее решение).

3. Формирование дерева действий (декомпозиция задач, решение которых определяет достижение поставленных целей).

С помощью системного анализа появляется возможность:

• формировать систему целей работы в условиях их большой неопределенности;

• определять характеристики, влияющие на эффективность работы исследуемого объекта;

• ставить задачи для достижения сформированной системы целей;

• выявлять функции и состав вновь организуемых объектов;

• выбирать стратегию и тактику исследований или разработок;

• понимать уровень собственной подготовки (ее достаточность, а часто и недостаточность) в соответствии с требованиями к знаниям, необходимым для решения поставленной задачи.

Роль системного анализа в проектировании информационных систем.

Целостность представления ИС Анализ неудач проектов разработки и внедрения информационных систем показывает, что эти неудачи часто связаны с отсутствием целостного понимания информационных систем и процесса их разработки и внедрения.

Целостное представление об ИС может быть сформировано только там, где специалисты по продажам, проектировщики и разработчики работают как одна команда и регулярно обмениваются информацией о ходе проекта. Такие команды формируются только в тех организациях, в которых процессы продаж, проектирования и внедрения управляются наличием и неукоснительным исполнением Порядков/Регламентов этих процессов.

Определение целенаправленности/назначения проектирования информационной системы

Часто при анализе технических заданий можно обнаружить утверждения, что целью создания информационной системы является «создание информационной системы». Как правило, понятие цели используется для указания результата развития системы за определенный промежуток времени.

Цели ИС фиксируют количественные и качественные характеристики ИС, ориентированные на требования поддерживаемого вида деятельности. Эти требования фиксируются в Техническом задании (ТЗ) на разработку и внедрение ИС.

Определение интегративных свойств информационной системы

Под интегративными свойствами в системном анализе понимаются свойства, присущие системе в целом, но не присущие ее элементам в отдельности [1,2]. Обычно функциональные требования, содержащиеся в ТЗ (Раздел «Общие требования к системе») определяют интегративные свойства информационной системы.

Выявление структуры и функций информационной системы

Поверхностное понимание структуры объекта/явления сводит понятие структуры к совокупности элементов объекта/явления и указанию связей между ними. Такое понимание структуры информационной системы в целом правильно, но не исчерпывает содержания структуры ИС (в рамках системного анализа), знание которой необходимо для проектирования ИС.

Накопленный опыт создания ИС отразился в структуре нормативных документов по проектированию ИС. Наиболее полезным является ГОСТ 34.602–89 «Техническое задание на создание автоматизированной системы». Несмотря на то, что с момента его выхода прошло более 20 лет, этот документ актуален и сегодня. ГОСТ четко сформулировал структуру

ИС. Однако с точки зрения системного анализа, необходимо более широкое понимание структуры ИС.

Проблема заключается в нахождении компромисса между простотой описания, что является одной из предпосылок понимания, и необходимостью учета разнообразных характеристик системы. В этих целях в рамках системного анализа используется концептуализация описания структуры системы [3], позволяющая выделить некоторые уровни описания (страты). Страта представляет собой некоторый абстрактный уровень описания, использующий определенные принципы и понятия, свойственные данной страте. Обычно страты организуются в иерархию.

Стратифицированное представление информационной системы представлено на рис. 1.

Выполнение требований системного анализа в процессе проектирования гарантирует от системных ошибок, устранение которых дорого обходится на этапе промышленной эксплуатации системы. Опасность системных ошибок заключается в том, что часто обнаруживается, что система не подлежит исправлению и единственным методом модернизации системы является полный ее снос.

Литература: [1], [3], [4].