Системный подход и системный анализ

Лекция 2

Исследование операций – это комплекс математических дисциплин, охватывающих разработку и изучение математических моделей особого вида – оптимизационных моделей. Эти модели позволяют определить число, вектор (набор чисел), функцию доставляющие максимум (или минимум – в зависимости от задачи) некоторой функции (называемой целевой функцией или критерием) или функционалу при заданной системе ограничений в виде равенств и неравенств. То есть определяется экстремум в заданной области аргументов и значения аргументов, дающие этот экстремум. Оптимизацией функций многих переменных при ограничениях занимается комплекс математических наук, называемый математическое программирование. Это намеренно искажённый перевод англоязычного термина mathematical planning – математическое планирование. Например, линейное программирование – здесь и целевая функция и все ограничения линейны. Оптимизацией функционалов занимаются вариационное исчисление и теория оптимального управления.

Связи между исследованием операций и системным анализом наиболее тесны. В моделях исследования операций критерий, как правило, один (скалярная целевая функция). Системное аналитическое исследование часто можно свести к решению однокритериальной задачи исследования операций, или к последовательному решению ряда таких задач. Но когда критериев несколько, существуют неустранимые неопределённости, необходимы плохо формализуемые экспертные знания - то это сфера собственно системного анализа. Сферой системного анализа является также анализ результатов исследования операций. Таким образом, системный анализ можно рассматривать как обобщение исследования операций, он включает в себя исследование операций со всем арсеналом его средств и методов.

Схема системного исследования: «Сначала системный анализ, затем исследование операций, в конце – системный анализ результатов». Системный анализ определяет, что нужно делать (и чего делать не нужно), а исследование операций – как это сделать оптимальным образом.

Рассмотрев (очень кратко!) комплекс системных наук и их «окружения», перейдём к основному практическому вопросу: а как же изучают и проектируют системы?

В современной науке термин «системный анализ» (СА) имеет два различных значения [ФЭС, с.587].

1) СА «в широком смысле» – это синоним термина «системный подход» (СП).

2) СА «в узком смысле» – это наука о методах и технологиях, используемых для исследования сложных (как правило, искусственных, целенаправленных) систем и для поддержки обоснования решений по сложным проблемам технического, экономического, социального, политического характера.

Далее в курсе лекций для системного анализа «в широком смысле» всегда будет использоваться термин «системный подход». А под термином «системный анализ» всегда будет пониматься системный анализ в указанном выше «узком смысле».

Системный подход (СП) – это методология (т.е. согласованный набор методов) рационального научного познания и практики. В основе СП лежит принцип системности, который указывает на необходимость и полезность исследования объектов как систем.

Объекты – это сущности, существующие помимо человека. Но объекты могут восприниматься человеком («исследователем») через свои ощущения (или показания приборов), они могут изучаться, конструироваться. От окружающих объектов человек получает те или иные ощущения, сведения, знания (одним словом информацию). Во взаимодействии с объектами человек достигает или не достигает своих целей. Более того, только взаимодействие с объектами позволяет ему судить, достиг ли он своих целей или нет.

Того кто обладает сознанием, ощущениями, способностью ставить цели и планировать свои действия, в системных науках называют субъектом. В системных науках используется также термин «актор» (от англ. to act – действовать). Этот термин подчеркивает способность субъекта не только познавать и планировать, но и действовать, активно влиять на ситуацию.

Возникает интересный вопрос: а другие люди, группы, коллективы – это объекты или субъекты системного исследования?

Конечно же, каждый человек – субъект (это определение, а не оценка). Субъектами являются и высшие животные – это известно любому владельцу собаки или кошки. Но они (люди, их группы, коллективы и организации, собаками и кошками в курсе заниматься не будем) могут быть и объектами системного исследования. Это – объекты равные по сложности субьекту-исследователю [Лефевр]. И существуют методы исследования таких «объектов-субъектов».

Таким образом, системный подход – это методологическая основа исследования сложных объектов любой природы, не только тех, что изучаются в системном анализе. СП помогает правильно, адекватно ставить проблемы науки и практики, вырабатывать эффективные стратегии их решения [ФЭС, с.587] . Понятия «проблема» и «стратегия» определим позже.

Системный подход основан на достижениях теории систем, системологии, системной философии. Но в еще большей мере – на человеческой практике. Основная ценность СП для других наук, в том числе – для системного анализа заключается в наборе некоторых основных положений, которым он предписывает следовать в изучении и проектировании систем. Это – так называемые «принципы системного подхода» (иногда их называют «системные принципы»).

Принципы системного подхода

Разные авторы дают весьма различные наборы этих принципов. Ниже приведен достаточно полный, но не избыточный набор принципов.

1) Принцип системности (о нем сказано в самом начале): объекты следует изучать и проектировать как системы, то есть как связные структуры с интегративным свойством (свойствами).

2) Принцип взаимодействия системы и среды: систему следует рассматривать отдельно от среды, но с учетов всех существенных связей между ней и средой («контекстом», «окружением»). Обычно принимается, что среда может влиять на систему, а влиянием системы на среду можно пренебречь. Если же нельзя – то систему следует расширить, включив в нее необходимую часть среды. Система проявляет свой свойства взаимодействуя со средой, в том числе – с другими системами.

3) Принцип целостности: принципиально нельзя свести интегративные свойства системы к сумме свойств ее элементов.

4) Принцип структурности: систему можно описать и изучать через установление ее структуры – сети связей и отношений (т.е. через построение структурной модели системы). Интегративные свойства системы можно выявить и объяснить, изучая систему в целом как совокупность элементов, связей и процессов.

5) Принцип иерархичности: система является частью надсистемы, состоит из подсистем, те – из подсистем второго порядка и т.д. – до элементов. Из принципа иерархичности следует два главных метода изучения и проектирования систем: декомпозиция (анализ) и агрегирования (синтез).

6) Принцип множественности описания: адекватное описание и познание системы требует построения набора моделей различной сложности, каждая из которых описывает определенный аспект системы. Этот набор, как правило, – иерархия моделей. Основными «этапами» иерархии являются структурная, функциональная и динамическая модели (определим позже).

7) Принцип зависимости: свойства и функции каждого элемента (подсистемы) зависят не только (и не столько) от его природы, но и от его места и связей в составе системы.

8) Принцип обусловленности: поведение системы обусловлено не столько поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры («примат структуры над содержанием»).

9) Принцип ограниченности: система ограничена в пространстве и во времени. Соответственно, системное исследование должно иметь временные рамки. Все параметры (численные характеристики) системы должны иметь конечные значения.

10) Принцип развития во времени: при изучении и проектировании системы необходимо учитывать этапы ее жизненного цикла.

Следующие несколько принципов СП имеют отношение к проектированию искусственных систем, т.е. к системному анализу «в узком смысле» и к системотехнике (системной инженерии, системному проектированию).

11) Принцип приоритета надсистемы и глобальной цели: система должна создаваться исходя из потребностей и целей системы более высокого уровня.

12) Принцип единства рассмотрения (проектирования): систему надо рассматривать и как целое и как совокупность компонентов. Каждый компонент (подсистема, элемент) изучается, проектируется вместе со своими связями исходя из его места в системе и его задач. Из принципа единства следует итеративность процесса проектирования системы: система и ее задачи уточняются в процессе проектирования.

13) Принцип функциональности: структура и функции системы должны рассматриваться совместно. При этом функции имеют приоритет над структурой.

14) Принцип модульности (иерархичности или объектной декомпозиции): систему целесообразно создавать из подсистем модулей, которые могут быть использованы (или используются) в других системах.

15) Принцип децентрализации: необходим компромисс между единством системы в целом и самостоятельностью ее подсистем (то есть между иерархией и горизонтальными связями).

16) Принцип обратной связи: устойчивое функционирование сложной системы невозможно без необходимых отрицательных и (иногда) положительных обратных связей.

17) Принцип многофакторности: при исследовании и проектировании систем необходимо учитывать все существенные факторы, как качественные, так и количественные. Необходимо рассматривать все аспекты проблемы, для решения которой создается система. Среди этих факторов и аспектов особое внимание следует уделять факторам неопределенности и риска, а также – «человеческому фактору»

Все эти принципы являются не догмами, а, скорее, разумными советами. Они находятся частью в определенных противоречиях друг с другом. Это вполне естественно: системы ведь сложные изучаются и проектируются. Поэтому можно дать еще один принцип СП.

18) Принцип осторожности: все указанные выше принципы применять надо осторожно и с умом!