Выдержка из текста работы
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский политехнический университет» Электротехнический институт Направление 551300: «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» Кафедра ЭПЭО РЕФЕРАТ На тему МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ТЕОРИИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ По дисциплине “Основы системного анализа” Выполнил студент группы 7м420 Зуев И.Н. Проверил преподаватель Бурулько Л.К. Томск 2007 Оглавление Введение 1. Сущность методологии 1. Кибернетическая система 2. Системность 1. Свойства любых систем 3. Системный анализ 1. Разнородные знания и системный анализ 12 3.2. Системный анализ как прикладная диалектика 3. Формулирование проблемы 4. Превращение проблемы в проблематику 5. Методы построения проблематики 6. Выявление целей 7. Алгоритмы проведения системного анализа и трудности алгоритмизации системного анализа 8. Компоненты системных исследований 4. Анализ и синтез в системных исследованиях 21 5. Основы системного анализа процессов и аппаратов 1. Основные этапы системного анализа процессов и аппаратов 22 Заключение 24 Список использованных источников 25 Введение Научно-техническая революция привела к возникновению таких понятий, как большие и сложные системы, обладающие специфическими для них проблемами.
Необходимость решения этих проблем вызвала к жизни множество приемов, методов, подходов, которые постепенно накапливались, развивались, обобщались, образуя, в конце концов, определенную технологию преодоления количественных и качественных сложностей.
В разных сферах практической деятельности возникали такие ситуации, а соответствующие технологии вместе с их теоретическими основами получали разные названия: в инженерной деятельности — «методы проектирования», «методы инженерного творчества», «системотехника»; в военных и экономических вопросах — «исследование операций»; в административном и политическом управлении — «системный подход», «политология», «футурология»; в прикладных научных исследованиях — «имитационное моделирование», «методология эксперимента» и т.д. С другой стороны, теоретическая мысль на разных уровнях абстракции отражала системность мира вообще и системность человеческого познания и практики: на общенаучном — системология, общая теория систем, теория организации; на естественно-научном — кибернетика; с развитием вычислительной техники возникли информатика и искусственный интеллект.
В начале 80-х годов уже стало очевидным, что все эти теоретические и прикладные дисциплины образуют как бы единый поток, «системное движение». Системность стала не только теоретической категорией, но и осознанным аспектом практической деятельности.
Поскольку большие и сложные системы по необходимости стали предметом изучения, управления и проектирования, потребовалось обобщение методов исследования систем и методов воздействия на них. Должна была возникнуть некая прикладная наука, являющаяся «мостом» между абстрактными теориями системности и живой системной практикой.
Она и возникла — сначала, как мы видели, в разных областях и под разными названиями, но в последние годы оформилась в науку, которая получила название «системный анализ». Хотя системный анализ находится в развитии, сегодня он выступает уже как самостоятельная дисциплина, имеющая свой объект деятельности, накопившая достаточно мощный арсенал средств и обладающая значительным практическим опытом. 1.
Сущность методологии
В отличие от метода как способа познавательного действия под методологией в широком смысле слова следует понимать мировоззренческую установку ученого в исследовательских процедурах и операциях.
В самом общем плане она может быть понята как рационализация принципов определенного мировоззрения.
Любой мировоззренческий принцип или закон приобретает методологическое значение, если он используется для объяснения различных явлений, как средство интеграции научного знания, для перехода от известного к неизвестному и прогнозирования будущих событий.
Знание (теория) выполняет методологическую функцию и в тех случаях, когда оно способствует процессам конструирования технических систем или служит ориентиром практических социальных действий.
Методологический подход как совокупность познавательных процедур означает отыскание метода (т. е. установления регулятивных исследовательских действий), обеспечивающего эффективное решение научной проблемы. Методологическая база современной науки представляет собой иерархическую многоуровневую сложную систему. Это обусловлено тем, что статус методологического принципа приобретает любое научное знание, выраженное в виде общей нормативно-регулятивной идеи познавательных действий.
С учетом специфики технических наук можно выделить следующие уровни методологических процедур: 1. Познавательные действия общемировоззренческого характера, связанные с освоением методологических выводов из основных принципов диалектического и исторического материализма (идеи материального единства мира, развития, движения и изменения; детерминизма, познаваемости, противоречия, конкретности истины, диалектики относительного и абсолютного в познании; взаимодействия производительных сил и производственных отношений, определяющей роли экономического базиса в социальных отношениях и др.). 2. Методологическое осмысление ориентации исследовательского поиска, вытекающего из конкретно-исторической социальной обусловленности научного познания (принципы классового подхода, партийности, гуманизма, советского патриотизма, социалистического интернационализма и др.). 3. Выявление эвристического потенциала интегративно-научного знания (математики, кибернетики, системного подхода). 4. Познавательные процедуры по определению методологической значимости ведущих идей естествознания (в частности, таких принципов физики, как принципы сохранения, соответствия, дополнительности, элементности, наблюдаемости, простоты и т. д.). 5. Исследовательские действия методологического порядка, определяемые необходимостью реализации общих принципов техникознания (принципов действия, оптимальности, технологичности, надежности и др.). 6. Фиксирование частно-технических методологических установок, конкретизирующих определенные технические идеи в соответствующих специальных дисциплинах (например, познавательные процедуры по выявлению методологической значимости принципов теоретических основ электротехники для электрометаллургии, теории релейно-контактных схем и других специальных дисциплин). Методологические проблемы могут возникнуть в любой сфере деятельности, поскольку она носит осознанный и целенаправленный характер и опирается на те или иные знания.
Возникают они и в совокупном социальном действии на уровне инженерной разработки.
Методологическая дисциплина мысли — непременное условие предотвращения ошибок в принятии технических решений.
Это особенно важно на ранней стадии творческого инженерного поиска.
Усиление дифференциации происходит не только в науке, но и в сфере инженерной деятельности, основанной на научных исследованиях и включающей в себя проектирование, изобретения, конструирование, испытания, отладку и организацию производства.
Наряду с многообразными процессами дифференциации научных знаний возникли диалектически связанные с ними и не менее многообразные процессы интеграции научных знаний и инженерной деятельности, обусловленной запросами практики. Сущность интеграции состоит в формировании новых, обобщающих (интеграционных) дисциплин, предназначенных для обоснования и описания множества все более усложняющихся вновь создаваемых объектов, представляемых в виде так называемых больших систем (БС) и сложных систем (СС), имеющих, как правило, управляющие части и цели управления.
К таким дисциплинам относятся кибернетика, общая теория систем, системотехника, системный анализ, исследование операций (ИО) и т. п. Их принципы и закономерности имеют первостепенное значение для обоснования целесообразности, разработки путей построения и способов эффективного применения прежде всего технических и организационно-технологических человеко-машинных систем во всех отраслях народного хозяйства, а также для решения возникающих в системах многочисленных проблем управления.
Научное исследование (исследовательская деятельность), процесс выработки новых знаний, один из видов познавательной деятельности. Характеризуется объективностью, воспроизводимостью, доказательностью, точностью; имеет два уровня — эмпирический и теоретический. Наиболее распространённым является деление исследования на фундаментальные и прикладные, количественные и качественные, уникальные и комплексные.
Исследование операций, прикладное направление кибернетики, используемое для решения организационных (в т. ч. экономических) задач (распределения ресурсов, управления запасами, упорядочения и согласования и др.). Главный метод — системный анализ целенаправленных действий (операций) и объективная (в частности, количественная) сравнительная, оценка возможных результатов этих действий.
И. О. основывается на математическом аппарате оптимального программирования, теории массового обслуживания, математической статистике, теории игр и др. 1.1.
Кибернетическая система
Под кибернетической системой следует понимать материальную систему, которая в исследовательских процедурах отображается концептуальной системой (математической абстракцией). Применительно к организационно-производственным системам (ОПС) кибернетической системой назовем сложную систему со следующими признаками или свойствами: • наличие по крайней мере двух различных частей — органа управления (Sop) и объекта (Sоб) различной природы, включающих сложно взаимодействующие в динамике управленческие и исполнительско-производственные коллективы, ресурсно-машинные компоненты, в частности средства автоматизации процессов проектирования, производства и управления; • объект и орган управления связаны прямыми и обратными информационными каналами, образующими контуры управления; • система и ее части имеют входы x(t) и выходы y(t); • система характеризуется целями z*, критериями эффективности функционирования (Ф) и ограничениями; • для функционирования системы, ее объекта и органа управления при реализации целей необходимо наличие стратегии (плана), алгоритма (инструкции) и программы управления, вырабатываемых с учетом объективных свойств и динамики процессов в системе. 2. Системность В современном обществе системные представления уже достигли такого уровня, что мысль о полезности и важности системного подхода к решению возникающих в практике проблем вышла за рамки специальных научных истин и стала привычной, общепринятой.
Уже не только ученые, но и инженеры, педагоги, организаторы производства, деятели культуры обнаружили системность собственной деятельности и стараются осуществлять свою работу осознанно системно.
Широко распространилось понимание того, что наши успехи связаны с тем, насколько системно мы подходим к решению проблем, а наши неудачи вызваны отступлениями от системности.
Было бы неверным считать, что «мышление стало системным» только во второй половине XX века. Мышление системно всегда и другим быть не может.
Системность — это не такое качество, которым можно обладать или не обладать. Однако системность имеет разные уровни. Сигналом о недостаточной системности существующей деятельности является появление проблемы; разрешение возникшей проблемы осуществляется путем перехода на новый, более высокий уровень системности в нашей деятельности.
Поэтому системность не столько состояние, сколько процесс. Ныне системность понимается не только как свойство человеческой практики (включающей и внешнюю активную деятельность, и мышление, и даже пассивное созерцание), но и как свойство всей материи. Системность нашего мышления вытекает из системности мира. Современные представления позволяют говорить о мире как о бесконечной иерархической системе систем, находящихся в развитии, на разных стадиях развития, на разных уровнях системной иерархии, взаимодействующих друг с другом.
Все новые и новые естественнонаучные данные подкрепляют такие представления. Например, И. Пригожий недавно построил теорию, успешно объясняющую процессы самоорганизации в природе. Оказалось, что неоспоримые факты спонтанного возникновения организованных систем из хаоса вполне объяснимы внутренними свойствами самой материи. Присоединяясь к точке зрения на системность как на всеобщее, универсальное свойство всей природы, необходимо отметить, что существует и другая точка зрения.
Некоторые авторы считают, что возможность по-разному выделять систему из цельного мира означает, что системы — лишь наши представления о мире. Например, в монографии Дж. Клира приводится такое определение системы: «Система — это то, что различается как система Системой является все то, что мы хотим рассматривать как систему». На первый взгляд, такой подход снимает многие вопросы, которые нам приходится подробно обсуждать в данной главе. Во-первых, вместе с понятием естественных систем исчезают трудности объяснения целесообразности и самоорганизации в природе.
Во-вторых, исследование систем сводится к исследованию построенных моделей, и единственным экспериментальным методом системологии становятся машинные (вычислительные) эксперименты. Допустимый для специалистов, занимающихся разработкой высокосложных компьютерных технологий, такой подход совершенно неприемлем для специалистов по системному анализу, объектом исследований которых являются реальные жизненные ситуации, требующие практического (и улучшающего!) вмешательства.
В системном анализе на первый план выступает вопрос об адекватности моделей, об их соответствии реальности, а это неизбежно ведет от представлений о системности наших знаний о мире, к представлениям о системности самого мира. И все-таки в приведенных выше высказываниях Дж. Клира есть рациональное зерно. Возможность по-разному расчленять реальный мир на относительно отдельные части, каждую из которых можно рассматривать как систему, и создает впечатление, будто системой является все то, что мы хотим считать системой.
Еще дальше идущей абстракцией является понятие множества как произвольно формулируемой совокупности. Примененное к реальным объектам, это понятие совпадает с понятием системы (система всех рек, система всех элементарных частиц и т.п.). Однако из-за реальной всеобщей взаимосвязанности не бессмысленно говорить о свойствах множества всех рек региона, континента. Земли и практически изучать эти свойства.
Таким образом, дело оказывается не в том, что мы хотим рассматривать некоторое множество реальных объектов как систему, а в том, что оно действительно образует систему со своими, специфическими для нее свойствами. 2.1.
Свойства любых систем
Однако, как бы ни понималась системность (как свойство разума, позволяющее познать мир, или как свойство самой природы), все исследователи этого феномена сходятся во мнениях относительно характеристических признаков любой системы независимо от ее происхождения.
Не претендуя на законченность списка таких особенностей, приведем перечень важнейших, необходимых признаков того, что данный объект, явление, процесс или их модель имеют системный характер. 1. Всякая система обладает целостностью, обособленностью от окружающей ее среды, выступает как нечто отдельное, единое. (Примеры: рыба в воде, море и окружающая его суша, наука в культуре, солнечная система в галактике, геометрия в математике и т.д.). 2. Обособленность, выделенность системы в среде не означает ее изолированности от среды: система связана со средой, существует в ней, взаимодействует с ней, обменивается со средой энергией, материей, информацией (в разных пропорциях, в зависимости от природы системы). Иными словами — все системы открыты; замкнутых (т.е. изолированных от среды) систем не бывает.
Можно вообразить замкнутую систему, но проверить, доказать ее реальность невозможно — ведь с ней нельзя взаимодействовать, т.е. нет опыта, в котором проявилось бы ее существование. 3. Цельность системы не означает ее однородности и неделимости: наоборот, в системе можно различать определенные составные части. 4. Разделимость системы на части не означает, что эти части полностью изолированы друг от друга.
Наоборот, части образуют целое благодаря связям между ними. Открытость системы означает, что ее части связаны и с внешней средой, но цельность системы основана на том, что внутренние связи частей, образующие структуру системы, в каком-то отношении сильнее, существеннее, важнее, чем их внешние связи. 5. Целостность системы обусловлена тем, что система как целое обладает такими свойствами, которых нет и не может быть у составляющих ее частей.
Свойства системы не сводятся к свойствам ее частей, не являются простой совокупностью этих свойств. Система и существует, и выделяется, и описывается как носитель этих качественно новых свойств. (Возникновение принципиально нового качества, не существующего без объединения частей в систему, называется эмерджентностью.) Понятие эмерджентности проясняет разницу между внешними и внутренними связями системы: свойство системы как целого проявляется в ее взаимодействии с окружающей средой (т.е. реализуется через внешние связи как функция системы), но само это свойство возникает и может существовать лишь благодаря взаимодействию частей (т.е. благодаря внутренним связям, т.е. благодаря структуре системы). 6. Понятие эмерджентности позволяет подчеркнуть еще один аспект внутренней целостности системы.
Изъятие части из системы приводит к тому, что система при этом теряет какие-то существенные свойства, т.е. становится другой системой.
Более того, часть, изъятая из системы, также теряет свои существенные свойства, которые могли реализовываться лишь до тех пор, пока эта часть находилась в системе. Поэтому основа холистического (целостного) подхода состоит в недопустимости рассмотрения частей системы по отдельности, вне их взаимодействия с другими частями. 7. Открытость системы, ее связанность со средой означает, что она (система) в свою очередь входит в какую-то большую систему, является частью в этой большей системе.
В результате мир выглядит (существует!) как иерархическая система вложенных друг в друга, перекрывающихся частично или полностью, или разделенных, но взаимодействующих систем. 8. Внутренняя и внешняя целостность систем обобщаются, объединяются, синтезируются в понятии цели, которая как бы диктует и структуру, и функцию системы. Функция системы интерпретируется как проявление целеустремленности системы; структура системы выступает при этом как вариант реализации цели. В связи с этим рассмотрение целей системы становится одной из центральных проблем системологии.
В частности, проводится различие между субъективными и объективными целями (и, соответственно, между искусственными и естественными системами). 9. Системы не являются застывшими, неизменными образованиями. Наоборот, в результате внешних и внутренних взаимодействий, все системы находятся в динамике, подвержены постоянным изменениям, происходящим с разной интенсивностью.
Многообразие процессов, происходящих с системами, велико. Их классификация проводится по разным основаниям (развитие-рост-равновесие-убыль-деградац ия; цикличность — непериодичность; детерминированность — случайность; рождение — жизнь — смерть; и т.д.). Многие явления в системах невозможно понять без учета их динамики. В свете современных представлений системность всегда, осознанно или неосознанно, была методом любой науки; любой ученый прошлого, и не помышлявший о системах и моделях, именно с ними и имел дело. Как уже отмечалось, быстрее всего была осознана системность самого человеческого познания.
Философия, логика, основания математики — области, в которых споры по системным проблемам уходят в глубь веков. Однако для нас особый интерес представляют те моменты в истории, когда системность привлекала внимание как объект исследования для естественных и технических наук. 3. Системный анализ Системный анализ возник в эпоху разработки компьютерной техники.
Успех его применения при решении сложных задач во многом определяется современными возможностями информационных технологий. Н. Н. Моисеев приводит, по его выражению, довольно узкое определение системного анализа [1]: «Системный анализ — это совокупность методов, основанных на использовании ЭВМ и ориентированных на исследование сложных систем — технических, экономических, экологических и т.д. Результатом системных исследований является, как правило, выбор вполне определенной альтернативы: плана развития региона, параметров конструкции и т.д. Поэтому истоки системного анализа, его методические концепции лежат в тех дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений: теории операций и общей теории управления». Ценность системного подхода состоит в том, что рассмотрение категорий системного анализа создает основу для логического и последовательного подхода к проблеме принятия решений.
Эффективность решения проблем с помощью системного анализа определяется структурой решаемых проблем.
Согласно классификации, все проблемы подразделяются на три класса: • хорошо структурированные (well- structured), или количественно сформулированные проблемы, в которых существенные зависимости выяснены очень хорошо; • неструктурированные (unstructured), или качественно выраженные проблемы, содержащие лишь описание важнейших ресурсов, признаков и характеристик, количественные зависимости между которыми совершенно неизвестны; • слабо структурированные (ill-structured), или смешанные проблемы, которые содержат как качественные элементы, так и малоизвестные, неопределенные стороны, которые имеют тенденцию доминировать. Для решения хорошо структурированных количественно выражаемых проблем используется известная методология исследования операций, которая состоит в построении адекватной математической модели (например, задачи линейного, нелинейного, динамического программирования, задачи теории массового обслуживания, теории игр и др.) и применении методов для отыскания оптимальной стратегии управления целенаправленными действиями.
Для решения слабо структурированных проблем используется методология системного анализа, системы поддержки принятия решений (СППР). Рассмотрим технологию применению системного анализа к решению сложных задач.
Процедура принятия решений включает следующие основные этапы: • формулировка проблемной ситуации; • определение целей; • определение критериев достижения целей; • построение моделей для обоснования решений; • поиск оптимального (допустимого) варианта решения; • согласование решения; • подготовка решения к реализации; • утверждение решения; • управление ходом реализации решения; • проверка эффективности решения. Системный анализ возник в ответ на требования практики, поставившей нас перед необходимостью изучать и проектировать сложные системы, управлять ими в условиях неполноты информации, ограниченности ресурсов, дефицита времени.
До настоящего времени продолжаются споры, можно ли системный анализ считать наукой, искусством или «технологическим ремеслом». Особенно остро дискутируются приложения системного анализа к проблемам, связанным с «социотехническими», «социальными» системами, т.е. системами, в которых решающую роль играют люди. При решении таких проблем существенными оказываются не только вопросы построения и использования моделей, не только эвристические поиски решения слабо структурированных не полностью формализуемых задач, но и чисто психологические аспекты человеческих взаимоотношений, что еще более «удаляет» системный анализ от «чистых наук» типа физики и математики. 3.1.
Разнородные знания и системный анализ
Споры о «степени научности» системного анализа вызваны рядом причин. Во-первых, довольно часто недооценивается работа, связанная с формулировкой задач.
Многие полагают, что пока не построены формальные модели, «настоящая» работа еще и не начиналась, а выражение «хорошо поставить задачу — значит наполовину ее решить» расценивают как шутку.
В системном анализе акцентируется внимание на трудностях формулирования задач, на способах преодоления этих трудностей.
Во-вторых, преодоление сложности, природа которой связана с неполной формализуемостью требует систематического применения неформальных знаний и методов. Это образно описывает Митрофф. Сознательно упрощая классификацию знаний, он разделяет их на два основных типа — формализованные («академические») и неформализованные («житейские»), а также рассматривает всего два уровня развитости («высокие» и «низкие») для каждого из этих типов знаний.
В результате получается следующая таблица, характеризующая соотношения между двумя типами знаний: Житейские знания Академические знания Высокие Низкие Высокие I II Низкие IV III Далее, обсуждая особенности работы системных аналитиков, Митрофф пишет: «Иначе говоря, мы не имеем ни глубоких «житейских» знаний изнутри об организации, которую мы изучаем, ни очень хороших формальных теорий, которые при их приложении к организации объяснили бы что-нибудь, кроме очевидного.
Далее, традиционно научные круги делают упор на ячейке IV. Они ценят формальные теории выше знаний практика, даже если и соглашаются когда-либо, что практики вообще способны обладать чем-то, что называется «знанием». Предполагается, что практики, конечно, должны предпочитать ячейку II другим ячейкам. Остается еще одна ячейка — I. Думаю, что именно тут должны быть сосредоточены наши усилия.
Именно тут мы должны работать. Я не верю, что мы можем создать нечто близкое к прикладной социальной науке, если оно не будет основано на обоих типах знаний и на уважительном отношении к ним обоим». Все сказанное подчеркивает, что системный анализ намеренно объединяет теорию и практику, здравый смысл и абстрактную формализацию. 3.2.
Системный анализ как прикладная диалектика
В-третьих, современный системный анализ уже не является эмпирическим собранием философских установок, полезных советов и рецептов, снабженных арсеналом вспомогательных математических и технических средств, с привлечением знаний из любых предметных наук, которые имеют отношение к рассматриваемой проблеме.
Все это объединено в систему, организованную в соответствии с единой идеей. Такой идеей является диалектика. Эту мысль в разной форме выражали многие советские и зарубежные авторы. Итак, можно дать следующее определение: системный анализ есть прикладная диалектика.
Материалистическая диалектика является методом — познания, обеспечивающим согласование системности знаний и системности мира на любом уровне абстракции. Системный анализ в его современном понимании реализует диалектический метод при рассмотрении прикладных задач. Сила и эффективность прикладной диалектики наиболее ярко проявляются при анализе действительно сложных задач, что и наблюдается в практике системного анализа. 3.3.
Формулирование проблемы
Постановка формальной задачи, которую надо решать, для традиционных наук — начальный, отправной этап работы.
В исследовании же или проектировании сложной системы — это промежуточный результат, которому предшествует длительная кропотливая и сложная работа по структурированию исходной проблемы. Проиллюстрируем основные особенности такой работы, составляющей первые этапы системного анализа, на примере «социотехнических» систем (название взято в кавычки, поскольку системологическая терминология в русском языке еще не совсем устоялась). Особенностью социотехнической системы является то, что люди в ней играют важную роль. Имеются и другие названия таких систем (не совсем синонимичные): «организационные» (что означает в основном состоящие из людей), «автоматизированные» (т.е. состоящие из людей и машин), «человеко-машинные» (обычно так называют систему, состоящую из одного человека и одной машины). Типичными примерами социотехнических систем служат организации типа городской медицинской службы, завода, системы транспорта или связи, экологические системы. Участие в них многих людей, интересы которых различны, делает анализ таких систем особенно сложным.
Разумеется, системный анализ применим и к менее сложным системам; при этом многие этапы анализа выполняются проще, быстрее, а иногда и вообще могут быть опущены как уже выполненные ранее; кроме того, уменьшается число итераций, возвращений от последующих этапов к предыдущему, что типично для анализа сложных систем.
Чем проще анализируемая система, тем ближе реализуемый алгоритм ее анализа к линейному; чем система сложнее, тем больше циклов реализуется при ее анализе, что, кстати, может служить самостоятельным признаком сложности. 3.4.
Превращение проблемы в проблематику
Итак, первые шаги в системном анализе связаны с (формулированием проблемы.
Хотя необходимость системного анализа возникает тогда, когда проблема уже не только существует, но и требует решения, когда инициатор системного анализа («заказчик», «клиент») — уже сформулировал свою проблему, системный аналитик знает, что первоначальная формулировка — лишь очень приблизительный намек на то, какой именно должна быть действительная рабочая формулировка проблемы.
Это относится не только к случаям, когда заказчик лишь обозначает сферу интересов («Как улучшить работу медицинских учреждений?» или «Как повысить активность и самостоятельность студентов?»), но и когда он достаточно конкретен («Какой из предложенных проектов принять к исполнению?» или «Какой должна быть модель следующего поколения данного изделия?») или даже «совсем точен» («Где в районе разместить новую больницу?», «Каковы оптимальные параметры такого-то изделия?»). Имеется ряд причин считать любую исходную формулировку проблемы лишь «нулевым приближением». Главная из них состоит в том, что проблемосодержащая система (так называют систему, в деятельности которой проявилась данная проблема как некоторое отрицательное, нежелательное явление) не является ни изолированной, ни монолитной: она связана с другими системами и входит как часть в некоторую надсистему; сама она в свою очередь состоит из частей, подсистем, в различной степени причастных к данной проблеме.
Если это действительно реальная проблема, и мы намерены хотя бы ослабить ее остроту, то необходимо учитывать, как это скажется на тех, кого неизбежно затронут планируемые изменения.
Таким образом, к любой реальной проблеме необходимо априори относиться не как к отдельно взятой, а как к «клубку» взаимосвязанных проблем. Используя для обозначения этой совокупности термин проблематика, можно сказать, что этап формулирования проблемы состоит в определении проблематики (техника этой операции будет рассмотрена позже). Другой важной причиной того, чтобы относиться к первоначальной формулировке проблемы не как к безусловной отправной точке дальнейшего анализа, а как к начальному объекту, который сам подлежит изучению и уточнению, является тот факт, что предлагаемая заказчиком формулировка является его моделью реальной проблемной ситуации.
Отсюда следует, что необходимо учитывать не только точку зрения заказчика, позиции других заинтересованных сторон (что, как уже было показано, приводит к необходимости расширения проблемы до проблематики), но и то, что его модель, как и всякая модель, неизбежно имеет целевой характер, является приблизительной, упрощенной.
Поэтому следует проверять предложенную формулировку на адекватность, что обычно приводит к развитию, дополнению, уточнению первоначального варианта описания проблемы.
Развитие описания состоит также и в том, что первоначальная формулировка может быть изложена в терминах не всех языков, включенных в конфигуратор. Итак, системное исследование всякой проблемы начинается с ее расширения до проблематики, т.е. нахождения системы проблем, существенно связанных с исследуемой, без учета которых она не может быть решена. Это расширение происходит как «вширь» благодаря выявлению связей проблемосодержащей системы с над- и подсистемами, так и «вглубь» в результате рассмотрения данной проблемы с точки зрения каждого из языков конфигуратора и (если необходимо) детализации исходной проблемы. 3.5.
Методы построения проблематики
Приведем некоторые рекомендации, как осуществлять построение проблематики.
Очевидно, что для расширения проблемы потребуется содержательная модель над — и подсистем относительно проблемосодержащей системы. В случае организационной системы формальная схема, приводящая к научной содержательной модели, изображена на рис. 1. В англоязычной литературе по анализу социотехнических систем часто используется подобная модель, имеющая название stakeholders, что означает «перечень заинтересованных лиц». В этот перечень рекомендуется включать: 1) клиента, т.е. того, кто ставит проблему, заказывает и оплачивает системный анализ; 2) лиц, принимающих решения, т.е. тех, от полномочий которых непосредственно зависит решение проблемы; 3) участников как активных, т.е. тех, чьи действия потребуются при решении проблемы, так и пассивных — тех, на ком скажутся (положительным или отрицательным образом) последствия решения проблемы; 4) самого системного аналитика и его сотрудников, главным образом для того, чтобы предусмотреть возможность минимизации его влияния на остальных заинтересованных лиц своеобразная «мера безопасности», с целесообразностью которой мы неоднократно столкнемся в дальнейшем.
Слово «заинтересованный» следует понимать в широком смысле, поскольку в перечень необходимо включить и тех, кто на самом деле не заинтересован в решении проблемы и будет сопротивляться возможным переменам.
Каждая из «заинтересованных» сторон имеет свое видение проблемы, отношение к ней, ее существование или исчезновение приведет к появлению их собственных проблем.
Формулирование проблематики и состоит в описании того, какие изменения и почему хочет внести каждое из заинтересованных лиц. Диалектический метод предписывает рассматривать проблему всесторонне, в том числе и во временном, историческом плане.
По сути дела, проблематика — это ответ на вопрос: «Какие существующие обстоятельства и прошлый опыт заставляют именно этих заинтересованных лиц, именно в данной культурной среде, включающей именно эти ценности, воспринимать данное состояние дел как проблему?» Чтобы ответ на этот вопрос был полным, его следует дать на всех языках конфигуратора. Понятно, что при рассмотрении проблемосодержащих систем другой природы (сугубо технических, чисто биологических, экономических и др.) содержательные модели над- и подсистем окажутся другими, однако методика определения проблематики может оставаться той же. Рис. 1 Схема вводов организационной системы Какова бы ни была природа рассматриваемой системы, ее проблематика включает спектр проблем: от допускающих формализацию в виде постановки математических оптимизационных задач (хорошо структурированных, формализуемых, формальных; английские термины — hard problems, well-defined problems до проблем «рыхлых», слабо структурированных, неформализуемых, выражаемых на естественном языке (английские термины — soft problems, ill-defined problems). Естественно, эти проблемы следует рассматривать по-разному, но в практике системного анализа наблюдается тенденция сводить все проблемы к одному типу. Та же практика показывает, что исследовать «рыхлую» проблему как «жесткую» оптимизационную гораздо опаснее, чем наоборот: если во втором случае мы лишь частично отказываемся от некоторой полезной информации, то в первом привносим ложную информацию, вводя себя и других в заблуждение.
Различать «жесткие» и «рыхлые» проблемы в ходе анализа — одно из условий хорошего анализа (но не его гарантия!). Строя проблематику, системный аналитик дает развернутую картину того, кто из заинтересованных лиц и в чем заинтересован, какие изменения и почему они хотят внести.
При этом собственная его позиция должна быть нейтральной, он должен остерегаться повлиять на мнения обследуемых лиц. Например, в ходе выяснения проблематики системному аналитику следует избегать реплик типа «я согласен (не согласен) с вами», лучше сказать «я слушаю вас». 3.6. Выявление целей Как хорошо формализованные, так и слабо структурированные проблемы должны быть приведены к виду, когда они становятся задачами выбора подходящих средств для достижения заданных целей.
Поэтому, прежде всего, необходимо определить цели. На данном этапе системного анализа определяется, что надо сделать для снятия проблемы (в отличие от последующих этапов, определяющих, как это сделать). Главная трудность выявления цели связана с тем фактом, что цели являются как бы антиподом проблемы.
Формулируя проблему, мы говорим в явной форме, что нам не нравится.
Сделать это сравнительно просто, поскольку то, чего мы не хотим, существует. Говоря же о целях, мы пытаемся сформулировать, что же мы хотим. Мы как бы указываем направление, в котором следует «уходить» от существующей и не устраивающей нас ситуации.
Трудность в том и состоит, что возможных направлений много, а выбрать нужно только одно, действительно правильное, а не кажущееся таким. 3.7.
Алгоритмы проведения системного анализа и трудности алгоритмизации системного анализа
Мы уже неоднократно отмечали, что совершенствование любой деятельности состоит в ее алгоритмизации, т.е. в совершенствовании технологии. Было бы, по меньшей мере, нелогично и странно не подходить с такой же меркой и к самому системному анализу: естественно поставить вопрос о том, насколько формализован сам системный анализ.
Если понимать формализацию узко (в идеале как математическую постановку задачи и вполне однозначную программу ее решения), то системный анализ в принципе не может быть полностью формализован, поскольку в нем большую и очень важную роль играют этапы, на которых системный аналитик и привлекаемые им эксперты должны выполнить творческую работу. Такое положение не является особенностью только системного анализа, оно характерно для научной работы вообще.
По этому поводу И.Пригожий и И.Стенгерс пишут: «Для нас экспериментальный метод является поистине искусством, т.е. мы считаем, что в основе его лежат особые навыки и умения, а не общие правила. Будучи искусством, экспериментальный метод никогда не гарантирует успех, всегда оставаясь на милости тривиальности или неверного суждения. Ни один методологический принцип не может исключить, например, риска зайти в тупик в ходе научного исследования.
Экспериментальный метод есть искусство постановки интересного вопроса и перебора всех его следствий, вытекающих из лежащей в его основе теоретической схемы, всех ответов, которые могла бы дать природа на выбранном экспериментатором теоретическом языке. Из конкретной сложности и многообразия явлений природы необходимо выбрать одно-единственное явление, в котором с наибольшей вероятностью ясно и однозначно должны быть воплощены следствия из рассматриваемой теории. Это явление затем надлежит абстрагировать от окружающей среды и «инсценировать» для того, чтобы теорию можно было подвергнуть воспроизводимой проверке, результаты и методы которой допускали бы передачу любому заинтересованному лицу. Хотя такого рода экспериментальная процедура с самого начала вызывала (и продолжает вызывать) серьезные нарекания, ( ) она пережила все модификации теоретического содержания научных описаний и в конечном счете определила новый метод исследования, введенный современной наукой.
Экспериментальная процедура может становиться и орудием чисто теоретического анализа.
Эта ее разновидность известна под названием мысленного эксперимента». Из приведенной цитаты наглядно видно, что современный системный анализ — это просто одна из современных прикладных наук; и главное его отличие от других наук состоит в отсутствии (точнее, в расширении) субстратной специфики: системный анализ применим к системам любой природы. Тот факт, что в арсенале системного анализа имеются как формальные (в том числе и математические) процедуры, так и операции, которые выполняются людьми неформально, и даже то, что в некоторых случаях анализ вообще не использует формализованные процедуры, тем не менее, не означает, что нельзя говорить об алгоритмах системного анализа.
Наоборот, требование системности (в первую очередь, целенаправленной структурированности) применимо, прежде всего, к самому системному анализу. Неоднократно имели место попытки создать достаточно общий, универсальный алгоритм системного анализа.
Бросаются в глаза общность в целом и различия в деталях приводимых алгоритмов. Было бы необоснованным утверждать, что какой-то из них «более правильный» или «более универсальный», чем другой, что реализация одного из них — это системный анализ, а реализация другого — нет. Положение становится ясным, если вспомнить, что алгоритм является прагматической (нормативной) моделью деятельности. Выбрав конкретную модель, мы должны следовать предписаниям именно данного алгоритма, но это не означает, что нельзя было воспользоваться другой моделью. Из целевой предназначенности моделей вытекает, что для какого-то случая конкретный алгоритм предпочтительнее другого; однако отсюда не следует, что не может существовать еще одна, лучшая реализация алгоритма или что в каком-то другом случае порядок предпочтения алгоритмов не окажется противоположным.
Впрочем, и полной независимости алгоритмов также нет: одни из них могут являться расширением других, частично совпадать и т.д. Очень удобной и наглядной (и, кроме того, достаточно глубокой) аналогией служит программирование решения задачи на ЭВМ. Программист имеет в распоряжении все операторы некоторого языка и должен составить из них программу решения задачи.
Разные программисты составят различные программы; одна из них будет написана изящнее; в какой-то из них использованы новинки; какая-то окажется «старомодной». Однако все они решают одну и ту же задачу. Подобно этому, системный аналитик может в разной (хотя и не полностью произвольной) последовательности использовать различные операции исследования систем или спланировать свои действия заранее (для хорошо структурированных, например технических, задач), а может выбирать очередную операцию в зависимости от исхода предыдущей, либо использовать готовый алгоритм или «готовые» подпрограммы анализа. 3.8.
Компоненты системных исследований
Перечислим основные средства исследования систем (этапы системного анализа), т.е. блоки, из которых может состоять процедура анализа конкретной системы. • определение конфигуратора; • определение проблемы и проблематики; • выявление целей; • формирование критериев; • генерирование альтернатив; • построение и использование моделей; • оптимизация; • выбор; • декомпозиция; • агрегирование; • исследование информационных потоков; • исследование ресурсных возможностей; • наблюдения и эксперименты над исследуемой системой; • реализация, внедрение результатов анализа.
Приведенный перечень является укрупненным, может иметь другую последовательность операций, каждую указанную операцию можно разделить на более мелкие операции.
Это и позволяет составлять алгоритмы системного анализа, имеющие различную степень подробности.
Итак, исследование каждой системы проводится с использованием любых необходимых методов и операций системного анализа (как формальных, в том числе с применением математических методов и ЭВМ, так и эвристических), а их конкретная последовательность определяется ведущим исследование системным аналитиком и во многом носит индивидуальный, приспособленный к данному случаю характер.
Поэтому в системном анализе переплетаются особенности, присущие как науке, так и искусству. Д.К. Джонс, говоря о проектировании систем (частном случае системного анализа), выразил эту мысль так: «Скажем сразу, что проектирование не следует путать ни с искусством, ни с естественными науками, ни с математикой. Это сложный вид деятельности, в котором успех зависит от правильного сочетания всех этих трех средств познания; очень мала вероятность добиться успеха путем отождествления проектирования с одним из них». «При решении любой задачи проектирования необходимо определенное сочетание логики и интуиции.
Пути такого сочетания интуитивного с рациональным не установлены; пожалуй, их и невозможно установить в общем виде, в отрыве от конкретной задачи и конкретного человека, так как они зависят от того, какое количество объективной информации имеется в распоряжении проектировщика, а также от его квалификации и опыта». Алгоритмы проведения системного анализа могут быть различными.
В зависимости от степени сложности анализируемой проблемы употребляются «линейные» алгоритмы (в простейших случаях), алгоритмы с циклами (чем сложнее система, тем больше циклов и тем больше итераций осуществляется в каждом цикле), сложные «последовательные», т.е. конструируемые в ходе исследования, алгоритмы (в том числе содержащие циклы, случайный поиск, адаптацию, самоорганизацию и т.д.). 4.
Анализ и синтез в системных исследованиях
Мы уже рассматривали вопрос о соотношении анализа и синтеза в человеческом познании.
Их единство позволяет понять окружающий мир. Это относится ко всем отраслям знаний и, в частности, к получившей название системного анализа. В данной главе будут рассмотрены технические аспекты аналитического и синтетического методов исследования систем, т.е. будет акцентировано внимание на том, как выполняются операции разделения целого на части и объединения частей в целое и почему они выполняются именно так. Иными словами, мы обсудим, в какой степени анализ и синтез на сегодняшний день могут быть алгоритмизированы.
Аналитический метод, изначально, органически присущий человеческому мышлению, в явной форме был осознан, выделен и сформулирован как самостоятельный технический прием познания в XVII в. представителями рационализма. Так, Р. Декарт писал: «Расчлените каждую изучаемую вами задачу на столько частей ( ), сколько потребуется, чтобы их было легко решить». Успех и значение аналитического метода состоит не только и не столько в том, что сложное целое расчленяется на все менее сложные (и в конечном счете простые) части, а в том, что, будучи соединены надлежащим образом, эти части снова образуют единое целое.
Этот момент агрегирования частей в целое является конечным этапом анализа, поскольку лишь только после этого мы можем объяснить целое через его части — в виде структуры целого. Аналитический метод имеет колоссальное значение в науке и на практике.
Разложение функций в ряды, дифференциальное и интегральное исчисление, разбиение неоднородных областей на однородные с последующим «сшиванием» решений — в математике, анализаторы спектров, всевозможные фильтры, исследования атомов и элементарных частиц — в физике; анатомия и нозология — в медицине; значительная часть схемотехники, конвейерная технология производства — все это служит иллюстрацией эффективности анализа. Успехи аналитического метода привели к тому, что сами понятия «анализ» и «научное исследование» стали восприниматься как синонимы.
Идеалом, высшей формой познания стала считаться причинно-следственная закономерность, при которой причина является необходимым и достаточным условием осуществления следствия. 5.
Основы системного анализа процессов и аппаратов
Системный анализ это методология исследования любых объектов средством представления их в качестве систем и анализа этих систем. Система это совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для достижения поставленной цели. Для выявления элементов производят декомпозицию системы.
Технологическая система — совокупность технологических процессов и средств для их реализации. Любую технологическую систему расчленяют на 4 основных элемента: 1) Собственно технологический процесс. 2) Аппарат для реализации процесса. 3) Средства контроля и управления. 4) Информационные связи между тремя предыдущими подсистемами. В зависимости от масштабов технологические системы бывают: 1) Малые системы (один типовой процесс, один типовой аппарат). 2) Большие системы — совокупность малых систем.
Процессы в системном анализе бывают детерминированные и стохастические. Детерминированные характеризуются однозначной непрерывной зависимостью между входными и выходными величинами. При этом каждому значению входной величины соответствует определенное значение выходной величины. В стохастических процессах изменение определяющих величин происходит беспорядочно хаотично и чаще всего дискретно.
Значение выходной величины не находится в соответствии с входной. 5.1.
Основные этапы системного анализа процессов и аппаратов
Этап 1 1.1. Анализ современного состояния объекта. Изучение физико-химических особенностей, конструктивное и аппаратное оформление системы, технологических особенностей. 1.2. Средства контроля и управления, технико-экономические и экологическо-социальные особенности системы. Этап 2: Постановка задачи оптимизации. 2.1. Формирование исходного числового материала для математического моделирования (по сырью, реагентам, энергии, сбыту, количеству). 2.2. Формулирование критерия оптимизации. Этап 3: Выбор математической модели. 3.1. Выбор типовой математической модели. 3.2. Формулирование рабочей гипотезы о работе механизма процесса. 3.3. Принятие допущений, идеализирующих реальную систему.
Приведение модели к окончательному рабочему виду (зависит от средств реализации ЭВМ). 3.4. Формирование алгоритмов, реализующих математические модели. Этап 4: Идентификация математической модели. 4.1. Проверка эксперимента. 4.2. Сравнение результатов эксперимента и расчета.
Этап 5: Анализ результатов моделирования. 5.1. Анализ основных связей независимых переменных с входными величинами и критериями оптимизации (анализ статических характеристик). 5.2. Анализ чувствительности возможных критериев оптимизации и отсев несущественно влияющих связей. 5.3. Анализ допустимых решений задач оптимизации. 5.4. Анализ экономической целесообразности автоматической оптимизации системы Этап 6: Уточнение задачи оптимизации. 6.1. Анализ возможности реализации алгоритма оптимизации существующим математическим обеспечением. 6.2. Формирование алгоритма оптимизации.
Составление качественной оценки контрольного варианта. Оптимизация — процедура поиска экстремального значения выбранного критерия при выполнении наложенных ограничений и условий физической реализуемости. Этап 7: Анализ результатов эксперимента. 7.1. Выявление свойств оптимальных режимов системы. 7.2. Разработка структуры системы автоматической оптимизации. 7.3. Разработка задания на создание алгоритмов оптимизации, использующих свойства оптимальных режимов. Далее разрабатывается эскизный проект, техническое задание и рабочий проект.
Заключение
1. Системны не только человеческая практика и мышление, но и сама природа, вся Вселенная. Системность является настолько присущим и всеобщим свойством материи, что его можно назвать формой существования материи.
Известные формы существования материи — время, пространство, движение, структурированность — представляют собой частные проявления, аспекты системности мира. 2. При исследовании систем приходится ставить и решать как хорошо формализованные в математических терминах задачи, так и «слабо структурированные» задачи, выражаемые на естественном языке и решаемые эвристическими средствами. Однако более важно то, что главное достижение системного анализа состоит в разработке методов перехода от неформальных задач к формальным, от моделей типа «черного ящика» к моделям типа «белого ящика». Большая часть этих методов имеет неформализуемый (в математическом смысле) характер, но они достаточно конкретны и пригодны для практического использования и могут называться не только «искусством» или «ремеслом», но и технологией. 3. Самый ответственный этап системного анализа — формулирование проблемной ситуации.
Этот этап лишь начинается с постановки проблемы заказчиком.
Необходимо выявить всех, кого затронут возможные изменения, и сформулировать вытекающие из этих изменений их проблемы, на всех языках конфигуратора. Полученное множество проблем, названное проблематикой, и является исходным пунктом для системного анализа. 4. После определения проблемы следующим по важности этапом анализа становится выявление целей. Установить правильную цель важнее, чем найти наилучшую альтернативу. Не самая лучшая альтернатива все-таки ведет к цели, пусть не оптимальным способом. Выбор же неправильной цели приводит не столько к решению самой проблемы, сколько к появлению новых проблем. 5. Системный анализ — это методология исследования особо сложных объектов различного типа путем представления их в качестве систем различной сложности.
В общем случае системный анализ включает следующие этапы или познавательные действия: • выявление, формулировку проблем и постановку задач в условиях неопределенности; • разработку концепции системы, выбор стратегий и исходных моделей для ее исследования, определение границ системы, входов и выходов; • разработку целей (дерева целей) и задач функционирования систем; • выявление функций, состава и рациональных вариантов структуры систем; • определение эффективности систем и рациональных путей достижения целей.
Разработка методологии разумного упрощения систем и теории их моделирования является основной задачей общей теории систем.
Список использованных источников
И.В. Блауберг, Э.Г. Юдин. Становление и сущность системного подхода. -М.: Наука, 1973 272 с. 2. Ван Гиг Дж. Прикладная общая теория систем М.: Мир, 1981. -732 с. 3. Клир Дж. Автоматизация решения системных задач М.: Радио и связь, 1990 540 с. 4. Л.А. Колесников.
Основы теории системного подхода. — Киев: Наукова думка, 1988 174 с. 5. Я.Г. Неуймин. Модели в науке и технике: История, теория, практика. -Л.: Наука, 1984 190с. 6. Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. Основы системного анализа. -Томск: изд-во НТЛ, 1997 396 с. 7. Познавательные действия в современной науке. /Редколлегия- Ю.А. Харин и др Мн.: Наука и техника, 1987 200 с. 8. А.И. Уемов. Системный подход и общая теория систем М.: Мысль, 1978 272 с. 9. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа.
M: Наука, 1981. 10. Янг С. Системное управление организацией (пер. с англ.). — М.: Сов. Радио, 1972. 11. Основы системного подхода и их приложение к разработке территориальных автоматизированных систем управления / под ред. Ф.И. Перегудова. — Томск: ТГУ, 1976. — 244 с.
