Приобретенные знания и умения используются при курсовом и дипломном проектировании.

Связь с другими дисциплинами: дисциплина является базовой при подготовке бакалавров направления «Компьютерные науки». Навыки и умения этой дисциплины применяются в таких дисциплинах, как «Основы теории взаимодействующих систем», «Проектирование информационных управляющих систем» и др.

Знать теоретические основы системных наук, основные методы системного анализа, методы проектирования компьютерных информационных систем.

Учебная дисциплина «Системный анализ и проектирование компьютерных информационных систем» является обязательной и входит в цикл дисциплин естественнонаучной подготовки.

Цель изучения дисциплины – усвоение знаний и приобретение навыков, необходимых для решения задач при анализе и разработке информационных систем.

В результате изучения дисциплины студент должен:

уметь самостоятельно делать постановку (структурирование) системной проблемы; применять алгоритмы методов анализа решений; на основе анализа целей системы выбирать и обосновывать методы проектирования, анализировать и интерпретировать полученные результаты, пользоваться программными средствами системного анализа и проектирования.

Для успешной сдачи экзамена по дисциплине необходимо: проработать вопросы контрольной работы, подготовиться к экзамену по вопросам дисциплины. При изучении раздела 2.2 «Методы анализасистем и проблем» и решении задач рекомендуется пользоваться системой поддержки принятия решений NooTron. Система реализована в виде веб-приложения и находится в свободном доступе по адресу: http://nootron.net.ua .

2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДИЧеские указания

Рабочая программа для изучения дисциплины «Системный анализ и проектирование компьютерных информационных систем» для студентов заочной формы обучения направления 6.050101 «Компьютерные науки» представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Распределение учебных часов и формы контроля

2.1. Основы системных наук

2.1.1. Основы теории систем; структура системных наук

Введение

Общие проблемы возникновения, существования, развития, разнообразия и преобразований структур систем в рамках классических наук изучают теория систем и теория самоорганизации (синергетика). Применением основных принципов и результатов этих наук, равно как и знаний конкретных предметных оластей к исследованию и проектированию сложных искусственных систем занимается системный анализ на основе системного подхода. Более точные определения терминов будут даны ниже.

Системный анализ – комплексная, синтетическая дисциплина. Системный анализ учит широко и объективно мыслить, «разбирать» сложные проблемы, синтезировать рациональные, правильные решения.

Системный аналитик должен быть эрудированным и объективно мыслящим человеком, хорошо владеющим как методами собственно системных наук, так и основными знаниями в предметной области, которую анализирует. Например, в области информационных систем и технологий, или в металлургии, или – космической техники, или – бизнес-процессов…

Наш краткий курс будет иметь три составляющих.

Первая – общенаучная. Изучим современную структуру системных наук, основные понятия, проблематику, задачи.

Вторая составляющая – методологическая (методология – это набор согласованных методов исследования, решения задач). Изучим методы системного анализа, понимаемого как а) анализ систем и б) анализ проблем.

Третья составляющая – практическая. Это решение некоторых системных задач. В основном (из-за дефицита времени) ограничимся задачами структурирования и многокритериального выбора, которые, составляют «сердцевину», специфику системного анализа.

Системный подход и системный анализ – мощные инструменты упорядочения и эффективного использования знаний, опыта, интуиции руководителей, экспертов, специалистов, да и современно образованных людей в вопросах постановки целей и решения сложных проблем различного характера.

Основные понятия и определения

Самое основное, первичное понятие системных наук – система.

Начнём со сравнения. Так, в современной математике первичным понятием является понятие множества или совокупности.

Определение 1. Множество – это объединение в единое целое вполне определённых, различаемых элементов (математических объектов: точек, прямых, уравнений, операторов, элементов групп и т.д.). Множество задаётся либо перечислением его элементов, либо указанием правила, определяющего их [Толковый математический словарь].

Система – это тоже совокупность объектов любой природы (называемых также элементами, компонентами), но не любая. Система как совокупность определяется не правилами, а свойствами.

Примеры систем: организм, автомобиль, компьютер, Интернет, предприятие, государство. Ещё примеры: наука (система знаний и методов), система международного права, информационно-аналитическая система.

Примеры «несистем» (кластеров): куча кирпичей, деталей, толпа, пассажиры в трамвайном вагоне.

Мы видим, что системы могут быть весьма разнообразными. Разнообразны принципы их классификации.

Так, по происхождению системы делятся на:

- естественные (природные): Солнечная система, биосфера Земли, животное, растения;

- искусственные (технические);

- искусственные (абстрактные);

- комплексные (сочетание в одной системе нескольких типов).

Хорошим примером комплексной системы является компьютер с программным обеспечением («железо» и софт).

Позже мы уточним классификацию, а пока определим то главное, что отличает любую настоящую систему.

У всех объектов, образовавших систему, есть хотя бы одно свойство, которое нельзя получить простым сложением или усреднением свойств самих объектов.У большинства систем таких свойств несколько или много.

Определение 2. Свойство совокупности объектов любой (в том числе – различной) природы, которое не является суммой или средневзвешенный свойств этих объектов и при этом является свойством более высокого организационного порядка (более негэнтропийным – поясним позже), чем свойства объектов называется интегративным свойством.

Часто используются равнозначные термины: эмерджентность (эмергентность), эмерджентное свойство [Жилин, Перегудов и Тарасенко].

Определение 3.Совокупность объектов, обладающая интегративным свойством, называется системой[Жилин].

В литературе существует много (десятки!) определений системы. На наш взгляд определения 2 и 3 дают наиболее компактное, цельное (системное!) определение системы. Это сравнительно недавно выкристаллизованное определение системы удивительным образом совпадает с утверждением (ещё!) Аристотеля: «Целое больше своих частей».

Определение 3а.Чтобы быть эмерджентной, обладать интегративным свойством, система должна иметь некоторую структуру, то есть набор (состав) своих элементов и (главное!) взаимосвязи между элементами. Это свойство называется связностью.

Определение 4. Система со сложным, автономным, неочевидным поведением называется сложной системой.

Как правило, сложная система состоит из многих элементов, имеет сложную структуру с разнообразными связями. Это иногда рассматривается как определение сложной системы. Сложное поведение могут демонстрировать и весьма простые по составу и структуре системы. Согласно нашему определению, мы их также будем называть сложными системами.

Определение 5. Система, состоящая из большого числа элементов, называется большой системой.

Большая система часто, но не обязательно является сложной. Это зависит от цели рассмотрения. Так, все материальные тела состоят из огромного количества атомов, но далеко не всегда рассматриваются как «большие системы из атомов». Сложность системы определяется в первую очередь сложностью и разнообразием связей.

Определение 6. Элементом (компонентом) системы назовём некоторый объект (материальный, абстрактный), который обладает свойством или свойствами, важными для рассматриваемой проблемы, но внутреннее строение его в рамках этой проблемы можно не рассматривать.

Грубо говоря, это «чёрный ящик» - но только в рамках данного исследования, в рамках другой проблемы наш элемент может быть системой (подсистемой). А наша система может в свою очередь быть подсистемой более крупной системы – надсистемы. Например, вуз – это подсистема системы высшего образования, мировая экономика – надсистема для экономики национальной. Надсистему называют также вмещающей системой.

Определение 7. Связь – это важный для целей рассмотрения обмен веществом, энергией или информацией между элементами системы, или между системой и внешней средой. Связью будем также называть материальный канал такого взаимодействия (например, провод, оптическое волокно, электромагнитное поле). Связи присоединяются к элементам через входы и выходы.

Различие между элементом и связью (как каналом взаимодействия): связь только передает нечто, а элемент это нечто (вещество, энергию, информацию) существенно перерабатывает. Общее название элементов и связей: звеньясистемы.

Теперь мы можем дать развёрнутое определение системы (это – расширение определения 3).

Определение 8. Система– это совокупность элементов (объектов, компонентов, звеньев) и связей, обладающая следующими признаками:

а) связностью: посредством переходов по связям от элемента к элементу соединить два любых элемента совокупности;

б) интегративным (эмерджентным) свойством, - назначением, функцией, поведением, - отличным от свойств элементов и не являющимся суммой (объединением) или средневзвешенным свойств отдельных элементов [Губанов и др., Жилин].

Признак а) называют связностью системы, признак б) – функцией системы. Указание элементов, связей и эмерджентных свойств (функций) конкретной системы называется описанием (заданием) системы по определению.

Структура системной науки

Для того чтобы предсказывать, прогнозировать свойства систем, оптимизировать их, управлять ими необходимо владеть некоторым инструментарием (набором знаний и методов). Этот инструментарий создаётся комплексом системных наук, который можно назвать «системикс» (systemics, по аналогии с economics – комплексом наук по экономике). Мы чаще будем использовать термин «системная наука» - для обозначения всего комплекса системных наук. В него входят три «базовых» науки: теория систем (системология), системный анализ, системотехника (системный синтез). Смежные науки: кибернетика, исследование операций, синергетика, теория информации и информатика, искусственный интеллект.

Системная наука («системикс») – сравнительно молодая наука. Она начала складываться в XX-м веке и продолжает активно развиваться.

Конечно же, донаучный период системных знаний и практики очень велик. Каждая наука имеет свой донаучный период. Люди (в первую очередь – руководители и советники) всегда сталкивались с необходимостью решения проблем государственных, экономических, военных. Решение этих проблем сводилось к анализу сложной ситуации, формированию и изучению альтернативных вариантов решения проблемы, выбору лучшего, оптимального (по мнению решающего) варианта и выработке мер по реализации этого варианта. Вот, кстати, основные этапы системного анализа проблемы – они ещё от древних.

Но история системных наук короче многих других. Создателей системной науки в современном виде (как формализованной системы знаний с методологией и математическим аппаратом) много. Это - А.А Богданов («Тектология»), Людвиг фон Берталанфи. Наши современники: М. Месарович, Я. Такахара, Дж. Форрестер, Д. Медоуз, Т.Л. Саати, Р. Аккофф, Дж. Клир, П.Б. Чекленд. Отечественные учёные: Н.Н. Моисеев, В.М. Глушков, Н.П. Бусленко, О.И. Ларичев. Ведущие международные организации: Международный институт прикладного системного анализа, Римский клуб. Правительства и большие корпорации имеют аналитические центры со штатом системных аналитиков, информационно-аналитическим обеспечением.

Колоссальным стимулом к развитию системной науки и смежных дисциплин стала научно-техническая революция: разработка в середине XX-го века ракетно-космических систем, атомной техники, электронных вычислительных машин. В свою очередь ЭВМ (компьютеры) стали основным инструментом математического моделирования сложных систем и процессов, то есть инструментом системного анализа и синтеза. Интернет создал революционные возможности для прикладного системного анализа.

Право на существование и полезность системных наук объясняются тем удивительным фактом, что в системах из элементов различной природы наблюдаются похожие (изоморфные) структуры и процессы. Системы, как правило, являются развивающимися, причём они проходят похожие этапы развития. Сам факт устойчивого существования системы накладывает очень важные ограничения на формы и характер этого существования.

Ознакомившись кратко с системами, рассмотрим, какие науки их изучают, то есть систему системной науки и её «окружения».

Системный подход – это скорее философская, гносеологическая (познавательная) и методологическая установка на поиск и применение общих принципов и исследования систем. Более подробно принципы системного подхода будут рассмотрены в следующей лекции.

Теория систем (другие названия: общая теория систем, теория сложных систем) – теоретическая дисциплина, посвященная общим вопросам исследования систем. Она изучает возможные структуры естественных и искусственных систем, типы процессов в системах, общие законы развития систем: самоорганизацию, устойчивость, разнообразие, кризисы. Занимается общими вопросами классификации систем.

Системный анализ (СА) – прикладная дисциплина, посвященная общим методам исследования и проектирования сложных искусственных систем. Два основных аспекта системного анализа: анализ систем и анализ проблем. Основная, базовая задача системного анализа: исследование проблемы принятия решения в сложной системе [Губанов и др.], то есть решение сложной проблемы. Сложные проблемы имеют несколько рациональных решений (альтернатив), но, как правило, ни одно из них не является лучшим по всем критериям. Поэтому можно сказать, что центральной проблемой системного анализа является проблема многокритериального выбора (п. 2.2).

Термин «прикладной системный анализ» (сам СА – прикладная наука) относится к системному анализу с использованием компьютеров и специального программного обеспечения. Основные инструменты: системы поддержки принятия решений (СППР), экспертные системы (ЭС).

Системотехника – применение теории систем и системного анализа к области техники [Губанов и др.]. Она изучает проблемы анализа и проектирования сложных автоматизированных технических систем – энергетических, транспортных, информационных, комплексных. Системный синтез (сравнительно новый термин) исследует проблемы проектирования сложных организационно-технических систем и процессов (производственных систем и процессов, бизнес-процессов), акцентируя внимание на новых, инновационных направлениях. Основная задача этих дисциплин – создание сложных человеко-машинных (эргативных) систем, в частности – создание программного обеспечения для таких систем.

С системной наукой тесно связаны и даже пересекаются такие комплексные науки: кибернетика, информатика, синергетика, исследование операций. Их рассмотрение поможет уточнить область собственно системных наук и системного анализа в частности.

Кибернетика – наука об управлении в сложных системах различной природы на основе обратных связей и преобразования информации. Теория систем и системный анализ позаимствовали у кибернетики много понятий и терминов, например: структуры и структурные схемы, связи, потоки, входы и выходы, управление.

Видно, что граница между кибернетикой и системной наукой весьма условна. Иногда её рассматривают как часть теории систем [Губанов и др.]. Но проблема управления (сфера кибернетики) не совпадает полностью с проблемой решения (сфера системного анализа). Кибернетика изучает формализованные процедуры (описанные на языке математики), а системный анализ – совокупность процессов и процедур, включающих в себя плохо формализуемые процессы постановки целей (целеполагания), формирования альтернатив, принятия решений. Можно сказать, что главная разница между кибернетикой и системным анализом – это разница между управлением (которое может быть и автоматическим) и принятием решения, которое требует мыслительного и волевого усилия, осознания неполноты знаний и ответственности, на что способен человек или консолидированная группа людей. Соответствующий термин – лицо, принимающее решение, ЛПР.

Синергетика изучает процессы возникновения и развития (усложнения) систем различной природы, не обязательно искусственных и целенаправленных. Поскольку система возникла, то у неё появилось интегративное свойство, а с прогрессивным развитием системы это свойство усиливается, и могут возникать новые. Поэтому можно утверждать, что интегративное свойство – это синергетическое свойство, эмерджентность – следствие самоорганизации. Системный анализ изучает, как правило, целенаправленные системы. Цель системного анализа и системного синтеза – построить эффективную систему с заданным интегративным свойством. Можно сказать, что синергетика в исследованиях естественных систем играет примерно ту же роль, что системный анализ – в исследованиях искусственных систем. Использование достижений синергетики при создании искусственных, целенаправленных, саморазвивающихся (в нужном направлении) систем – актуальная научная и прикладная проблема.

Информатика очень тесно связана с кибернетикой и прикладным системным анализом. Она занимается проблемами измерения количества информации, проблемами хранения, передачи, преобразования информации с помощью технических средств (включая, конечно, компьютеры) и каналов связи различной природы. Информатика имеет теоретический (теория информации), системный (сети, структуры, процессы) и технический (компьютеры) аспекты. Для системных наук важны такие свойства, как ценность, достверность, смысл информации. Это изучает семантическая теория информации (п. 2.3.1).

Искусственный интеллект можно определить как область компьютерной науки, занимающуюся автоматизацией разумного поведения [Люгер]. В той своей части, которая занимается решением сложных, плохо формализуемых проблем, искусственный интеллект, несомненно, близок прикладному системному анализу. В частности, он постоянно поставляет новые методы и компьютерные технологии решения таких проблем.