Системы и системный анализ

В научной литературе по методам исследования таких объектов используется три понятия: системный анализ, теория систем и системный подход. Все вместе они свидетельствуют о необходимости изучения сложных комплексов (систем). Эта необходимость вызывается усложнением создаваемых технических конструкций, устройств, технологий и всех совокупностей хозяйственных связей, с которыми приходится иметь дело экономистам, хозяйственным руководителям и другим специалистам, и потребностью изучения биологических объектов, проблем экологии.

В ответ на эти потребности возникла дисциплина системный анализ. Она является развитием исследования операций и теории управления, потому что одной из ее центральных проблем является проблема принятия решения.

Если проблема для всех трех дисциплин (исследование операций, теория управления и системный анализ) одна, то, может быть, и не стоило бы «огород городить», вводя новую терминологию?

Разберемся в этом. Неопределенность цели при принятии решений в первых двух дисциплинах связана с многокритериальностью ее. Конструкция составных критериев опиралась на частные критерии, имевшие экзогенный характер (внешний), а значит, заданный обстоятельствами, в котором находится исследуемый объект.

В реальных условиях существования практически все системы, для изучения которых используются элементы теории исследования операций и теории управления, в свою очередь, являются составными частями «нового сверхобъекта». Поэтому мы вынуждены исследовать теперь операции, целью которых является формулировка цели другой операции (более высокого уровня). Примером может служить проект комплексного развития целого региона (например, проект Байкало-Амурской Магистрали не мог быть рассмотрен вне рамок перспективного плана развития Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса, история создания которого наложила отпечаток на судьбу БАМа). Исследовать такие системы экспериментальными методами невозможно. Учесть эти новые обстоятельства можно только методами математического моделирования с использованием вычислительного эксперимента, имитируя в нем возможности, последствия, а также альтернативы проекта.

Исследование динамики процесса – лишь один аспект системного анализа. Другая проблема – реализация намеченных целей: создание алгоритма (цепочки) решений, обеспечивающего достижения этих целей.

И коротко:

1. исследование операций – это разработка алгоритма целенаправленных действий для достижения результата по запрограммированной математической модели;

2. теория управления – изучение и разработка методов влияния субъекта на результат функционирования системы через создание обратной связи;

3. системный анализ – разработка операций управляемых систем с формулировкой цели на базе общей направленности развития взаимосвязанных комплексов и создание средств, (формулировка решений), обеспечивающих достижение поставленной цели.

Различие терминов системный анализ, теория систем и системный подход не субъективно, а опирается на объективные факторы, которые их породили.

Системный анализ – дисциплина прикладная, ориентированная на решение конкретных задач (о методах достижения целей при функционировании сложных систем).

Теория систем – общая методология науки.

Системный подход – определенные тенденции при изучении сложных комплексов, состоящие в необходимости анализа внутренних связей элементов таких объектов и синтеза на их основе взаимодействия этих элементов, обеспечивающего жизнеспособность (во всех смыслах) таких комплексов. Системный подход – это некоторый общеметодологический принцип. Его гносеология (происхождение) – теория систем, а аппаратная реализация – системный анализ.

Системный анализ основан на следующей терминологии.

Система – это совокупность элементов, между которыми существуют те или иные связи.

Элемент – это относительно самостоятельная часть системы, рассматриваемая на данном уровне анализа как единое целое с интегральным поведением, направленным на реализацию присущей этому целому функции.

Понятие элемент – одно из определяющих понятий не только системного анализа, но и теории систем. Смысл его латинского корня: начальный, простой, простейший, конечный, неделимый, лежащий в основе чего-либо. Он определяет свойство структурированности систем, которое адекватно свойству членимости, поэтому создает возможность образования подсистем.

Фундаментальным свойством системного элемента, как и самой системы, является его целенаправленность, определяющая способность функционировать. Под функционированием понимается реализация присущей элементу (и системе в целом) функции, т.е. возможность получать некоторые результаты деятельности элемента (или системы) его целевым назначением.

Такой элемент обладает, как минимум, тремя атрибутами:

○ выполнение одной или нескольких функций (действий);

○ наличие логики поведения (алгоритмом реализации функции);

○ использование в тех или иных условиях.

Возможность целенаправленного использования объекта характеризуется другим свойством системы или элемента ее – целостностью. Правильно сформированный элемент (а значит, и система) характеризуется явно выраженной обособленностью (границами) и относительной независимостью от окружающей среды. Целостность определяется внешними и внутренними факторами.

Внешние факторы целостности: низкий уровень связности элементов системы с окружающей средой; низкий уровень взаимодействия с ней.

Внутренние факторы: высокая связанность элементов системы друг с другом, высокая интенсивность межэлементного взаимодействия.

Перечисленные факторы могут быть использованы для оценки целостности систем (или промежуточных элементов). Эта оценка характеризует степень прочности элемента по отношению к окружающей его среде и степень внутренней связности (для них разработаны критерии с разными уровнями целостности).

Системы обладают еще рядом свойств, которые нами уже затрагивались и о которых еще будет сказано ниже.

Методы системного анализа опираются на математическое описание изучаемых объектов. Это описание (на любом языке) отражает лишь некоторые стороны их и всегда неполно вследствие относительности наших знаний. Именно такой подход использует математическое моделирование в физике, химии, технике и тем более в биологии и обществе. Пользуясь нашим знакомством с требованиями, которые предъявляются к составляемым математическим моделям, мы можем теперь после изучения, хотя и поверхностного, элементов системного анализа сделать вывод о том, что он является методологической основой всего того, что называется математическим моделированием. Правда, сказанное относится не только к моделям, написанным на языке математики, но и ко всем другим мысленным моделям: содержательным и вербальным (словесным).

Сам системный анализ вообще не мыслим без построения математической модели. По-видимому, поэтому академик Моисеев Н.Н считает: математическое моделирование – центральный этап исследования или проектирования любой системы.

Математическое моделирование присутствовало и в исследовании операций, и в теории управления, но только с возникновением системного анализа, оперирующего процессами разной физической природы, произошла фундаментальная перестройка принципов математического моделирования.

Построение моделей – в целом процедура неформальная и опирается на опытный материал, имеющий феноменологическую (поведенческую) основу. Модель должна быть не только достаточно близка (по каким-либо признакам) объекту, но и удобна для использования.

Современное математическое моделирование используется практически во всех отраслях знаний, в которых выработано немало принципов, имеющих общий характер. Разберем более существенные из них.

○ Выделение реальной размерности объекта. Под этим мы понимаем число независимых переменных, определяющих поведение объекта (число масс, число процессов и явлений, число всяких материальных элементов, в общем, число возможных «движений»). Решаемая проблема при этом – обоснование способов отбора в терминах и переменных, характеризующих природу изучаемого объекта. Они сужают задачу, отбрасывают факторы, которые несущественны и не могут быть реализованы в модели. Чем уже набор этих факторов, тем совершенней будет модель, тем надежнее прогноз.

Число учитываемых факторов – «движений» зависит от уровня организации материи рассматриваемого объекта (неживая материя, живая материя и мыслящая).

○ Способы отбора. На уровне неживой материи способами отбора являются законы сохранения вещества, импульса, энергии и т.д. Всякое моделирование здесь начинается с выбора исследователем основных (фазовых) переменных, через которые выражаются законы сохранения.

К ним добавляется необходимость учета второго закона термодинамики, минимума диссипации (рассевания энергии) и устойчивости рассматриваемого движения (процесса, явления или какого-либо сложного объекта). При этом используются и другие (может, не столь фундаментальные, но также необходимые) ограничения.

Законы сохранения являются фундаментальной основой всех объектов, и трактование их по отношению к рассматриваемой системе однозначно. Но не всегда их течение устраивает исследователя. Принцип минимума диссипации энергии позволяет отобрать переменные, способствующие минимальному росту энтропии.

Принцип устойчивости позволяет рассматривать только те факторы (переменные, движения), характерное время существование которых достаточно велико.

Между принципами отбора существует иерархия (например, только устойчивые формы турбулентности движения приводят к минимальной скорости роста энтропии).