- •Введение
- •Глава I определениясистемного анализа
- •Системность - общее свойство материи
- •Определения системного анализа
- •Понятие сложной системы
- •Характеристика задач системного анализа
- •Особенности задач системного анализа
- •Глава 2 характеристика этапов системного анализа
- •Процедуры системного анализа
- •Анализ структуры системы
- •Построение моделей систем
- •Исследование ресурсных возможностей
- •Определение целей системного анализа
- •Формирование критериев
- •Генерирование альтернатив
- •Реализация выбора и принятия решений
- •Внедрение результатов анализа
- •Глава 3 построение моделей систем
- •Понятие модели системы
- •Агрегирование - метод обобщения моделей
- •Глава 4 имитационное моделирование - метод проведения системных исследований
- •Сущность имитационного моделирования
- •Композиция дискретных систем
- •Содержательное описание сложной системы
- •Глава 5 теория подобия - методология обоснования применения моделей
- •Модели и виды подобия
- •Основные понятия физического подобия
- •Элементы статистической теории подобия
- •Глава 6 эксперимент - средство построения модели
- •Характеристика эксперимента
- •Обработка экспериментальных данных
- •Глава 7 параметрические методы обработки экспериментальной информации
- •7.1. Оценивание показателей систем и определениеихточности
- •7.2. Использование метода максимального правдоподобия для оценивания параметров законов распределения
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •7.5. Примеры оценки показателей законов распределения
- •Глава 8
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •Формулировка теоремы Байеса для событий
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •8.3. Вычисление апостериорной плотности при последовательном накоплении информации
- •Достаточные статистики
- •Сопряженные распределения
- •8.9. Оценивание параметров семейства гамма-распределений
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •Глава 9
- •Общие замечания
- •Ядерная оценка плотности
- •Глава 10
- •Задача линейного программирования
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •Метод искусственных переменных
- •Дискретное программирование
- •Нелинейное программирование
- •Глава 11 системный анализ и модели теории массового обслуживания
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •Замкнутые системы с ожиданием
- •11.5. Пример расчета надежности системы с ограниченным количеством запасных элементов
- •Глава 12 численные методы в системном анализе
- •Метод последовательных приближений
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
- •Глава 13 выбор или принятие решений
- •Глава I определения системного анализа 7
- •Глава 2 33
- •Глава 3 построение моделей систем 53
Глава I определениясистемного анализа
Системность - общее свойство материи
Современный этап развития теории и практики характеризуется повышением уровня системности. Ученые, инженеры, представители различных профессий оперируют такими понятиями как системный или комплексный подход. Полезность и важность системного подхода вышла за рамки специальных научных истин и стала привычной, общепринятой. Такая ситуация явилась отражением объективных процессов развития представлений о материальном мире, сформировалась под воздействием объективных факторов.
В своей работе [1] Ф.И. Перегудов и Ф.П. Тарасенко говорят о том, что свойство системности является всеобщим свойством материи. Современные научные данные и современные системные представления позволяют говорить о мире как о бесконечной иерархической системе систем. Причем части системы находятся в развитии, на разных стадиях развития, на разных уровнях системной иерархии и организации. Системность как всеобщее свойство материи проявляется через следующие составляющие: системность практической деятельности, системность познавательной деятельности и системность среды, окружающей человека.
Рассмотрим практическую деятельность человека, т. е. его активное и целенаправленное воздействие на окружающую среду. Покажем, что человеческая практика системна. Отметим очевидные и обязательные признаки системности: структурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели.По отношению к человеческой деятельности эти признаки очевидны. Всякое осознанное действие преследует определенную цель. Вовсяком действии достаточно просто увидеть его составные части, более мелкие действия. При этом легко убедиться, что эти составные части должны выполняться не в произвольном порядке, а в определенной их последовательности. Это и есть та самая определенная, подчиненная цели взаимосвязанность составных частей, которая и является признаком системности.
Название для такого построения деятельности - алгоритмичность. Понятие алгоритма возникло сначала в математике и означало задание точно определенной последовательности однозначно понимаемых операций над числами или другими математическими объектами. В настоящее время понятие алгоритма применяется к различным отраслям деятельности. Так говорят не только об алгоритмах принятия управленческих решений, об алгоритмах обучения, алгоритмах написания программ, но и об алгоритмах изобретательства[2]. Алгоритмизуют- ся такие виды деятельности как игра в шахматы, доказательство теорем и т. п. При этом делается отход от математического понимания алгоритма. Важно сознавать, что в алгоритме должна сохраняться логическая последовательность действий. При этом допускается, что в алгоритме определенного вида деятельности могут присутствовать неформализованные виды действия. Важно лишь, чтобы определенные этапы алгоритма успешно, хотя бы и неосознанно, выполнялись человеком.
Р.Х. Зарипов в своей работе [3, с.12] отмечает:«...подавляющее большинство элементов творческой деятельности, реализуемых человеком «легко и просто», «не думая», «по интуиции», на самом деле являются неосознанной реализацией определенных алгоритмизируемых закономерностей, реализацией неосознаваемых, но объективно существующих и формализуемых критериев красоты и вкуса».
Из данной цитаты можно сделать следующие выводы. Во-первых, всякая деятельность алгоритмична. Во-вторых, не всегда алгоритм реальной деятельности осознается - ряд процессов человек выполняет интуитивно, т. е. его способность решать некоторые задачи доведена до автоматизма. Это есть признак профессионализма, который вовсе не означает, что в действиях профессионала отсутствует алгоритм. В-третьих, в случае неудовлетворенности результатом деятельности возможную причину неудачи следует искать в несовершенстве алгоритма. Это означает пытаться выявить алгоритм, исследовать его, искать «слабые места», устранять их, т. е. совершенствовать алгоритм и, следовательно, повышать системность деятельности. Таким образом, явная алгоритмизация любой практической деятельности является важным средством ее развития.
Системными являются также результаты практической деятельности. Следует отметить, что роль системных представлений в практике постоянно увеличивается, что растет сама системность человеческой деятельности. Данный тезис можно пояснить на примере проектирования технических объектов. Если раньше перед разработчиками новых образцов техники ставилась задача создания работоспособного объекта, то в настоящее время практика ставит задачу создания новых объектов с некоторыми оптимальными свойствами, т. е. к разрабатываемым образцам еще на этапе проектирования предъявляются требования оптимальности. Цели, которые ставятся перед разработчиками, таким образом, являются более глобальными, болеесложными.
Далее отметим, что системным является само мышление. Успешное решение поставленной задачи зависит от того, насколько системно подходит специалист к ее анализу. Неудачи в решении тех или иных проблем связаны с отходом от системности, с игнорированием части существенных взаимосвязей компонентов системы. Разрешение возникшей проблемы осуществляется путем перехода на новый, более высокий уровень системности. Всвязи сэтимможно отметить,что системностьнестолько состояние,сколько процесс.
Свойство системности присуще процессу познания.Системны знания, накопленные человечеством. В качестве особенности процесса познания отметим наличие аналитического и синтетического образов мышления.Анализ -это процесс, состоящий в разделении целого на части, в представлении сложного в виде совокупности более простых компонент, но чтобы познать целое, сложное, необходим и обратный процесс -синтез.Это относится как к индивидуальному мышлению, так и к общечеловеческому знанию.
Аналитичность человеческого знания находит свое отражение в существовании различных наук, в продолжающейся их дифференциации, во все более глубоком изучении все более узких вопросов. Вместе с тем мы наблюдаем и обратный процесс синтеза знаний. Процесс синтеза проявляется в возникновении междисциплинарных наук, таких как физическая химия, биофизика, биохимия и т. п. Наконец, наиболее высокая форма синтеза знаний реализуется в виде наук о самых общих свойствах природы. К числу таких синтетических наук относится, в первую очередь, философия, которая выявляет и отражает общие свойства всех форм существования материи. К синтетическим можно отнести математику-дисциплину, изучающую всеобщие отношения, взаимосвязи и взаимодействия объектов, а также и системные науки: кибернетику, теорию систем, теорию организации и т. п. В этих дисциплинах органическим образом соединяются технические, естественнонаучные и гуманитарные знания. В качестве методологического подхода к анализу явлений и процессов с точки зрения их системности развился диалектический метод. Именно диалектический метод рассматривает объект как комплекс взаимодействующих и взаимосвязанных компонентов, развивающихся во времени. «Диалектика является методом познания, обеспечивающим согласование системности знаний и системности мира на любом уровне абстракции»[1].
Свойство системности присуще результатам познания. В технических науках это реализуется в построении адекватных моделей, являющихся отражением исследуемых объектов, моделей, описывающих динамическое поведение материальных объектов.
Системна также среда, окружающая человека. Свойство системности является естественным свойством природы. Как уже отмечалось, окружающий нас мир есть бесконечная система систем, иерархическая организация все более сложных объектов. Причем как в живой, так и неживой природе действуют свои законы организации, являющиеся объективными биологическими или физическими законами.
Системно человеческое общество в целом. Системность человеческого общества выражается опять же во взаимосвязи развития отдельных структур (национальных, государственных, религиозных образований) и в их взаимном влиянии друг на друга. Причем следует отметить, что уровень системности человеческого общества постоянно увеличивается. Системность необходимо, таким образом, рассматривать в историческом аспекте. Если в Древнем мире племена жили достаточно отдаленно друг от друга и уровень общения между ними был минимален, то в современном обществе события, происходящие водних государствах, находят отклик в различных частях мира и имеют на них влияние.
Системны взаимодействия человека со средой. В данном аспекте системность выражается в необходимости комплексного учета всех особенностей и возможных воздействий факторов внешней среды на ее состояние в последующие моменты.В случае недостаточной проработки данных вопросов, игнорирования ряда факторов, наблюдается возникновение проблемы в развитии природы, негативное воздействие на хозяйственную и культурную деятельность человека. Примеров тому можно привести множество. Скажем, строительство гидроэлектростанций в равнинной части континента привело к заболачиванию мест, выводу земель из севооборота, нарушению экологической ситуации в данном регионе, а в некоторых случаях - к изменению климата. Применение различных химикатов ненадлежащего качества и в необоснованном количестве вызвало непоправимые последствия в развитии региона Аральского моря. Примеры такого плана можно продолжать и продолжать. Таким образом, можно сделать вывод, что игнорирование системности взаимодействия человека со средой приводит к возникновению проблемы в развитии среды обитания и соответственно во взаимодействии природы и общества.
Развитие системных представлений. Становление системного анализа
С позиций современных научных представлений системность всегда была методом любой науки. Возможно, что принципы системности применялись не всегда осознанно, но, тем не менее, любой ученый прошлого, который и не помышлял о системном подходе, так или иначе имел дело с системами и моделями объектов или процессов. Ранее всего системные проблемы были осознаны философами. Следует отметить, что обсуждение системных проблем в таких дисциплинах как философия, логика, математика осуществлялось еще древними учеными. Однако для нас представляет особый интерес развитие системных представлений в применении к системным и техническим дисциплинам.
Первым в явной форме вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил М.-А. Ампер. Он впервые выделил кибернетику как специальную науку об управлении государством, обозначил ее место в ряду других наук и сформулировал ее системные особенности. Идеи системности применительно к управлению государством развивались в работах польского ученого Б. Трентовского.Он отмечал, что действительно эффективное управление должно учитывать все важнейшие внешние и внутренние факторы, влияющие на объект управления. В своих работах Трентовский пишет, что при выработке управляющего воздействия необходимо учитывать национальные особенности населения с учетом временного аспекта, при одной и той же политической идеологии кибернет (в современной терминологии,лицо, принимающее решение) должен управлять различно в Австрии, России или Пруссии, точно так же и в одной и той же стране он должен управлять завтра иначе, чем сегодня. Трентовский рассматривает общество как систему, которая развивается путем разрешения противоречий. Ивсе- таки общество середины 19-гостолетия былонеготово к восприятию системных представлений. Прошло еще более полувека, прежде чем системная проблематика прочно заняла свое место в научных публикациях. К числуосновоположников теории системможно заслуженно отнести российского ученого, академика Е.С. Федорова. Основные научные результаты были достигнуты им в области минералогии. Он установил, что существует только230 типов кристаллической решетки, тем не менее, любое вещество при определенных условиях может кристаллизоваться. Таким образом, было показано, что великое многообразие кристаллов и минералов использует для своего строения ограниченное количество типов структур. Далее им были отмечены аналогичные закономерности в области архитектурных и музыкальных12 конструкций, языковых построений, строения вещества и ряда других систем. Развивая системные представления Федоров установил ряд других закономерностей развития систем, в частности, им было замечено такое свойство систем как самоорганизация, способность к приспособлению, к повышению стройности.
Следующим этапом в развитии системных представлений явились работы А.А. Богданова, который в началеXX в. начал создавать теорию организации (тектологию)[4]. Основная идея теории Богданова заключается в том, что все существующие объекты и процессы имеютопределенный уровень организованности, который тем выше, чем сильнее свойства целого отличаются от простой суммы свойств комплектующих элементов. Именно анализ свойств целого и его частей был впоследствии заложен в качестве основной характеристики понятия сложной системы. Заслугой Богданова явилось также то, что он изучает не только статическое состояние структур, а занимается исследованием динамического поведения объектов, уделяет внимание вопросам развития организации, подчеркивает значение обратных связей, указывает на необходимость учета собственных целей организации, отмечает роль открытых систем. Он подчеркивает роль моделирования и математических методов как потенциальных методов решения задач теории организации.
Позднее идеи теории организации развивались в трудах выдающихся представителей отечественного естествознания И.И. Шмальгаузена, В.Н. Беклемишева и ряда других специалистов, вклад которых во многих отношениях явился решающим в формировании вышеназванной теории.
Вклад русских и советских исследователей в развитие теории систем и формирование системных представлений явился определяющим, поскольку большинство развиваемых ныне идей связано с работами Богданова и трудами его последователей. Однако нельзя не отметить также и зарубежных ученых, работы которых являются основополагающими в области развития теории систем и системного анализа. В первую очередь следует обратить внимание на труды австрийского ученого JI. фон Берталанфи, который в50-х гг.XX в.организовал в Канаде центр системных исследований. Он опубликовал большое количество работ (например[5]), в которых исследовал взаимодействие систем с окружающей средой. Подчеркнуто большое значение обмена системы веществом, энергией и энтропией с внешним миром, отмечено, что в системе устанавливается динамическое равновесие, которое может быть направлено в сторону усложнения организации, функционирование системы являетсянепростооткликом на изменение внешних условий, а сохранением старого или установлением нового внутреннего равновесия системы. В своих работах Берталанфи исследует общие закономерности, присущие любым достаточно сложным организациям материи как биологической, так и общественной природы. Берталанфи и организованная им школа последователей в своих трудах пытаются придать общей теории систем формальный характер.
Массовое распространение системных представлений, осознание системности мира, общества и человеческой деятельности связано с именем американского математика Н. Винера. В 1948 г. он опубликовал книгу «Кибернетика»[6] и далее «Кибернетика и общество»[7]. В своих трудах он развивает идеи управления и связи в животном мире и машинах, анализирует с позиций кибернетики процессы, происходящие в обществе. Н.Винером и его последователями было указано, что предметом кибернетики является исследование систем. Причем отмечается, что хотя при изучении системы на каком-то этапе потребуется проводить учет ее конкретных свойств, для кибернетики в принципе несущественно, какова природа системы. То есть для изучения систем различных типов, будь она физической, биологической, экономической, организационной или вовсе представленной в виде модели, кибернетика предлагает единые подходы к ее исследованию. Ф.И. Перегудов и Ф.П. Тарасенко в своей книге отмечают, что с кибернетикой Винера связаны такие продвижения в развитии системных представлений как типизация моделей систем, выявление особого значения обратных связей в системе, подчеркивание принципа оптимальности в управлении и синтезе систем, осознание информации как всеобщего свойства материи и возможности ее количественного описания, развитие методологии моделирования вообще и в особенности идеи математического эксперимента с помощью ЭВМ.
Существенное место в развитии кибернетики занимают советские ученые. Можно отметить многочисленные работы академика А. И. Берга. Фундаментальный вклад в развитие кибернетики внес также академик А.Н. Колмогоров. Так в период, когда в Советском Союзе кибернетику считали лженаукой и в стране шли горячие дискуссии о сути кибернетики, были сформулированы достаточно общие и полные определения кибернетики. Приведем эти определения: «Кибернетика — это наука об оптимальном управлении сложными динамическими системами» (А.И. Берг); «Кибернетика - это наука о системах, воспринимающих, хранящих, перерабатывающих и использующих информацию» (А.Н. Колмогоров).
Наконец, отметим достижения в области исследования систем бельгийской школы во главе с И. Пришжиным.Ученые этой школы исследовали механизм самоорганизации систем. Они отмечают, что в результате взаимодействия с окружающей средой система может перейти в неравновесное состояние. В результате такого взаимодействия изменяется организованность системы. Переломные точки, в которых наблюдается неустойчивость неравновесных состояний, называются точками бифуркации. Таким образом, согласно теории И. Пришжина[8], материя не является пассивной субстанцией, ей присуща спонтанная активность.