Глава 1. Концептуальные основы теории систем и системного анализа

1. Основы развития системных идей и системного подхода

Одной из характерных особенностей развития науки и техники второй половины XX века явилось повсеместное распространение идей системных исследований, системного подхода, общей теории систем. Систему и системность сегодня усматривают буквально во всем. Любой объект научного исследования представляется как система, а процесс его познания – системность. При этом под системностью подразумевается не только свойство человеческой практики, включающей активную деятельность, мышление и пассивное созерцание, но и свойство всей материи, аспектами которого являются время, структурированность, пространство и движение.

«Исследователь ощущает свое невежество тем больше, чем он знает…» - это парадоксальное замечание крупнейшего физика нашего времени Р.Оппенгеймера как нельзя более точно характеризуется ситуацию, сложившуюся в современной науке [18]. В настоящее время наука чрезвычайно дифференцирована в отличие от тех времен натуральной философии, когда универсализм ученых создавал предпосылки для всестороннего подхода к изучению природных явлений. Одной из важнейших проблем эпохи специализации стала сложность всестороннего рассмотрения научных факторов, их объединения и интерпретации. Сложные системы любого вида не поддаются адекватному описанию в рамках одной традиционной научной дисциплины. Чтобы разрешить данную проблему, необходимо было создать концептуально новый подход для работы с системами различного рода. Таким решением стал системный анализ как общеметодологический принцип исследования систем.

В связи с этим можно выделить три основных фактора, послуживших базисом развития системных идей и системного подхода:

1. появление современных фундаментальных научных и прикладных исследова­ний с подходом целостности, организованности объектов исследования, как, например, кибернетика, биология, психология, лингвистика;

2. развитие современной сложной техники и программного обеспечения, в кото­рых системный подход представляет ведущий принцип разработки и про­ектирования сложных объектов;

3. организация производства и управления и социально-экономи­ческая сфера общества, при которой к анализу процессов приходится привлекать экономические, экологические, социологические, организационные, пси­хологические, правовые и этические соображения.

Человек в современном мире действует, оперируя многочисленными системами: лингвистическими, логическими, психологическими, техническими, организационными и другими. Но за этим явлением широкого применения системного анализа стоит научное и практическое осознание системности как одного из важных свойств окружающего нас объективного мира и осмысление ее в качестве особого измерения действительности.

2. Понятия, определяющие структуру, функционирование и процессы системы

Существует множество определений понятия системы. Основоположник теории систем Людвиг фон Берталанфи определял систему как комплекс взаимодействующих элементов или как совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой. В «Философском словаре» система определяется как «совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой определенным образом образующих некоторое целостное единство». Здесь, как видно, появляется понятие цели. В этом отношении интересно определение академика П.К.Анохина: «Системой можно назвать только такой комплекс избирательно-вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение приобретает характер взаимосодействия компонентов на получения фокусированного полезного результата» [10].

Существует также мнение, согласно которому необходимо учитывать взаимодействие между исследователем и изучаемой системой. На это впервые указал один из основоположников кибернетики У.Р.Эшби. М.Месарович, Д.Мако и И.Тахара считают, что система есть «формальная взаимосвязь между наблюдаемыми признаками и свойствами» [11].

Наиболее полным, учитывающим такие важные составляющие любого материального объекта, как элемент, связь, взаимодействие и целеполагание, является определение, предложенное А.С.Малиным и В.И.Мухиным. «Система – множество составляющих единство элементов, их связей и взаимодействий между собой и между ними и внешней средой, образующих присущую данной системе целостность, качественную определенность и целенаправленность» [10].

В соответствии с задачами системного исследования можно выделить два типа определения системы – дескриптивное и конструктивное. Дескриптивное (описательное, от англ. «description» - описание) – определение системы через ее свойства, внешние проявления. Конструктивное определение – описание через элементы системы, связанные с основным системообразующим фактором – с функцией. В конструктивном плане система рассматривается как единство входа, выхода и процессора (преобразователя), предназначенных для реализации определения функции.

Ниже приводятся основные понятия, определяющие структуру, функционирование и процессы системы [5, 10, 13].

Структура системы характеризуется следующими понятиями.

Элемент – неделимая часть системы, обладающая самостоятельностью по отношению к данной системе. Предел членения системы, т.е. неделимости ее элементов, определяется с точек зрения решения конкретной задачи, поставленной цели или аспекта изучения объекта как системы.

Множество А элементов в системе можно описать в виде:

А={а_i}, i = 1, … , n,

где а_i - i-ый элемент системы, n – число элементов в системе.

Подсистема – более крупный компонент, чем элементы, и в то же время более детальный, чем система в целом. Подсистема включает в себя совокупность взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы.

Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы. Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом). По первым двум признакам связи можно разделить на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру – на связи подчинения, генетические, равноправные (или безразличные), связи управления. Связи также разделить по месту приложения (внутренние и внешние), по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные).

Множество Q связей между элементами а_i, а_j можно представить в виде

Q = {а_ij}, i, j = 1, … , n.

Взаимодействие – совокупность взаимосвязей и взаимоотношений между свойствами элементов, когда они приобретают характер взаимосодействия друг другу.

Структура системы – совокупность элементов системы и связей между ними в виде множества/

D = {A, Q}

Структура является статической моделью системы и характеризует только строение системы, не учитывая множества свойств (состояний) ее элементов.

Внешняя среда – это набор существующих в пространстве и во времени объектов (систем), которые, как предполагается, действуют на систему. По сути дела, выделение внешней среды вытекает из необходимости разделения некоторой области материального мира на две части: исследуемую систему и внешнюю среду, для которой объект анализа (синтеза) не является функциональной подсистемой.

Модель – описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.

Функционирование системы определяется следующими понятиями.

Состояние системы – совокупность состояний ее n элементов и связей между ними. Под понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы.

Поведение системы – множество последовательных во времени состояний системы.

Движение системы – процесс последовательного изменения ее состояния.

Входы системы х_i – различные точки приложения влияния (воздействия) внешней среды на систему.

Выходы системы y_i – различные точки приложения влияния (воздействия) системы на внешнюю среду.

Ограничения системы – то, что определяет условия ее функционирования (реализацию процесса). Ограничения бывают внутренними и внешними. Одним из внешних ограничений является цель функционирования системы. Примером внутренних ограничений могут быть ресурсы, обеспечивающие реализацию того или иного процесса.

Равновесие – способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго.

Устойчивость – способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий.

Цель – субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния системы. Другими словами, положение дел, к которому необходимо стремиться.

Развитие – есть реализация сущности системы, заложенного в ней потенциала. Критериями развития являются увеличение порядка системы, рост организованности, увеличение информации, снижение энтропии. Если рассматривать жизненный цикл системы, то развитие есть первый его этап. Далее следуют стабилизация («зрелость») и деградация (упадок) системы. Однако не стоит забывать и тот факт, что «организации и люди развиваются с помощью кризисов» (Зеро Воутилайнен).

Управление – воздействие на объект (систему, подсистему, отдельный элемент) с целью достичь желаемых свойств его поведения.

Характеристика процессов системы проводится с использованием следующих понятий.

Процессы системы – совокупность последовательных изменений состояния системы для достижения цели. Выделяют входные, выходные и переходные процессы. Входной процесс – множество входных воздействий, которые изменяются с течением времени. Выходной процесс – множество выходных воздействий на окружающую среду, которые изменяются с течением времени. Переходный процесс – множество преобразований начального состояния и входных воздействий в выходные величины, которые изменяются с течением времени по определенным правилам.

В качестве объекта системного анализа могут быть рассмотрены любые системы, явления, а также отдельные проблемы, решением которых является особо важным в функционировании системы. Это тактический уровень анализа. Реализация стратегического уровня системного анализа носит название стратегии системного проектирования и опирается на всестороннее, системное описание объекта исследования, особое место в котором занимает проблема выявления функций.