Основы методологии системного анализа

Самым важным процессом в управлении на сегодняшнем уровне развития является процесс автоматизации поиска решений. Причем здесь следует обратить внимание на такие проблемы как представление знаний об ОУ, описание ситуаций и дедуктивный вывод.

Правильному пониманию проблем препятствует традиционный принцип, который можно выразить так: наука начинается с измерения и вычисления. Эта традиция идет от физики.

Вероятно, основной причиной, породившей тенденцию к раздроблению науки на узкие специальности, является ограниченность возможностей человеческого разума. Поэтому необходимость углубления знаний привела к появлению очень сложной иерархии специализированных дисциплин.

Одной из главных особенностей науки второй половины нашего столетия является появление ряда родственных научных направлений, таких, как кибернетика, общесистемные исследования, теория информации, теория управления, теория систем, теория принятия решений, исследование операций и искусственный интеллект. Все эти области, появление и развитие которых тесно связано с возникновением и прогрессом компьютерных технологий, обладают одним общим свойством - они имеют дело с такими системными задачами, в которых главенствующими являются информационные, реляционные и структурные аспекты, в то время как тип сущностей, образующих систему, имеет значительно меньшее значение. Поэтому все эти взаимосвязанные интеллектуальные разработки являются частью более общего исследования, называемого наукой о системах или системологией.

Представляется, что с точки зрения свойств науки в истории человечества можно естественным образом выделить три основных периода:

1. Донаучный период (до XVI века). Характерными чертами периода являются:

здравый смысл,

теоретизирование,

метод проб и ошибок,

ремесленные навыки,

дедуктивные рассуждения и опора на традицию.

2. Одномерная наука (до середины ХХ века). Характерные черты:

объединение теорий,

дедуктивные рассуждения,

особое внимание к эксперименту.

3. Двумерная наука. Характерные черты:

возникновение науки о системах, занимающейся свойствами отношений, а не экспериментальными свойствами исследуемых систем, и ее интеграция с основанными на эксперименте традиционными научными дисциплинами.

Таким образом, если говорить о системологии как о науке в обычном смысле, то следует выделить три основных компонента:

1. Область исследования системы, рассмотрение которых было в курсе "Теория систем".

2. Совокупность знаний об этой области - математические дисциплины, информатика и то, что называется "компьютер сайенс".

3. Методология - системная методология - это стройная совокупность методов изучения свойств различных классов систем и решения системных задач.

Очень приблизительно в системологии можно выделить два основных подхода:

Первый - системология представляется как расширение и обобщение теории управления (представителями являются Месарович, Летов).

Второй - структуралистический - направлен на исследование структурных характеристик системы, а не характеристик, описывающих ее функции (Эшби, Винер).

Мы можем более конкретизировать системную методологию, рассматривая одно из направлений - исследование систем как целостных образов с использованием методов декомпозиции для изучения составных частей. В этом случае возникает необходимость вводить понятие структуры системы, с помощью которой удобно изучать взаимоотношения частей и целого.

Однако проблема взаимоотношения между целым и частями является к тому же одной из самых спорных философских проблем. Эта проблема рассматривается не только в древнегреческой философии, но и в значительно более древней китайской философии, в частности в книге И Цзин (Книга перемен) и более поздних работах. Философская контроверза "часть-целое" нашла свое отражение в противопоставлении двух научных методологий - редукционизма и холизма.

Редукционизм опирается на следующий тезис: свойства целого объяснимы через свойства составляющих его элементов.

Холизм же отрицает этот тезис и утверждает, что нельзя без потерь анализировать целое с точки зрения его частей. Наверно, истина, как всегда, находится по средине этих крайних позиций, и рассмотрение следует вести в соответствии с целью исследований (Клир).

Итак, при использовании системного подхода внимание направляется на структуру системы и на свойства его частей в их взаимосвязи.

Будучи объединенными, взаимодействующие элементы образуют систему, которая обладает не только внешней целостностью, обособленностью от внешней среды, но и внутренней целостностью, природным единством. Если внешняя целостность отображается моделью "черного ящика", то внутренняя целостность связана со структурой системы. Наиболее яркое проявление внутренней целостности системы состоит в том, что свойства системы могут являться не только суммой свойств ее составных частей. Система может обладать в целом такими свойствами, которых нет ни у одной из ее составных частей.

Пример. Пусть имеется некоторый цифровой автомат S, преобразующий целое число на его входе в число на единицу больше входного.

Если соединить два таких автомата последовательно в кольцо, то в полученной системе обнаружится новое свойство: она генерирует возрастающие последовательности на выходах А и В, причем одна последовательность состоит только из четных, а другая из нечетных чисел. Другие связи дадут другие свойства или вообще не изменят. Например, параллельное соединение

даст ту же последовательность, но увеличит надежность вычислений.

Отметим основные положения системного подхода, используемые нами в дальнейшем рассмотрении.

1. Представление о целостности системы. Из этого положения следуют два вывода:

Во-первых, система представляет целое лишь в том случае, если она противостоит своему окружению - среде.

Во-вторых, расчленение системы приводит к понятиям части, свойства и функции.

2. Представление о целостности системы выявляют через понятие связи.

3. Совокупность и взаимообусловленность составных частей и связей между ними приводит к понятию структуры системы.

4. Специфическим признаком системы является иерархичность ее строения.

Системный подход – это подход к исследованию объекта (проблемы, явления, процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние и внешние связи, наиболее существенным образом влияющие на исследуемые результаты его функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения объекта.

На практике для реализации системного подхода необходимо предусмотреть выполнение следующей последовательности действий:

формулировку задачи исследования;

выявление объекта исследования как системы из окружающей среды;

установление внутренней структуры и выявление внешних связей;

определение (или постановка) целей перед элементами, исходя из проявляющегося (или ожидаемого) результата всей системы в целом;

разработка модели системы и проведение на ней исследования.

Системные задачи могут быть двух типов: системного анализа и системного синтеза.

Задача анализа предполагает определение свойств системы по известной ей структуре, а задача синтеза – определение структуры системы по ее свойствам.

Задачей анализа является изучение свойств уже существующего образования, а задачей синтеза – создание новой структуры, которая должна обладать желаемыми свойствами.

Рассмотрим особенности реализации системного подхода.

Любое исследование предваряет его формулировка, из которой должно быть понятно что нужно делать и на основании чего это можно делать.

В формулировке задачи исследования различают общий и частный планы.

Общий план определяет тип задачи – анализ или синтез. Частный план задачи отражает функциональное предназначение системы и описывает характеристики, подлежащие исследованию.

Пример.

1. Разработать (общий план – задача синтеза) космическую систему, предназначенную для оперативного наблюдения земной поверхности (частный план).

2. Определить возможность (общий план – задача анализа) наблюдения земной поверхности с помощью космической системы (частный план – задача синтеза).

Конкретность формулировки задачи во многом зависит от знаний исследователя и имеющейся информации. Меняется представление о системе и это приводит к к тому, что почти всегда имеются различия между поставленной и решаемой задачей. Поэтому формулировка задачи всегда корректируется в процессе ее решения.

Чтобы выделить объект из окружающей его среды необходимо выбрать такие его элементы, деятельность или свойства которых проявляются в области исследования данного объекта.

Пусть в качестве задачи исследования сформулирована задача №2.

В таблице 1 приведен порядок выделения исследуемой задачи (объекта) из внешней среды, в который входят выделяемые элементы, внешние системы и исходные данные.

Между элементами космического аппарата устанавливаются связи, т.е. образуется структура системы. Необходимость выявления (либо создания) той или иной связи определяется степенью ее влияния на исследуемые характеристики: должны оставляться те, которые оказывают существенного влияние.

В тех случаях, когда связи неясны, необходимо укрупнить структуру системы до известных уровней и проводить исследования в целях последующего углубления детализации до необходимого уровня. Не должны вводиться в структуру системы элементы, не имеющие связей с другими.

Порядок выделения исследуемой задачи (объекта) из внешней среды Таблица 1

Задача Элементы системы Внешние системы Исходные данные
Определение возможностей наблюдения наземных объектов с помощью космических аппаратов Подсистема наблюдения. Подсистема управления движением центра масс. Подсистема ориентации и стабилизации.   Наземный специальный комплекс. Объекты наблюдения. Гравитационное поле Земли. Атмосфера Земли. Параметры движения космического аппарата. Координаты спецкомплекса. Координаты объектов наблюдения и их характеристики. Характеристики атмосферы.

В любой системе каждый элемент ее структуры функционирует, исходя из некоторой своей цели. При ее выявлении (или постановке) следует руководствоваться требованием подчиненности общей цели системы. Здесь следует отметить, что иногда частные цели элементов не всегда согласуются с конечными целями самой системы.

Сложные системы исследуются на моделях. Целью моделирования является определение реакций системы на воздействия, границы функционирования системы, эффективность алгоритмов управления. Модель должна допускать возможность вариаций изменения количеств элементов и связей между ними с целью исследования различных вариантов построения системы.

Процесс исследования сложных систем носит итеративный характер и число возможных приближений зависит от априорных знаний о системе и жесткости требований к точности получаемых результатов.

Главная практическая задача системного подхода в исследовании систем управления состоит в том, обнаружив и описав сложность, обосновать также дополнительные физически реализуемые связи, которые бы, будучи наложенными на сложную систему управления, сделали ее управляемой в требуемых пределах, сохранив при этом также области самостоятельности, которые способствуют повышению эффективности системы.

Включенные новые обратные связи должны усилить благоприятные и ослабить неблагоприятные тенденции поведения системы управления, сохранив и укрепив ее целенаправленность, но при этом ориентируя ее на интересы надсистемы.