Предварительные замечания
Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П.
П27 Основы системного анализа: Учеб. 2-е изд., доп.–Томск:
Изд-во НТЛ, 1997.–396 с.: ил.
ISBN 5-89503-004-1
Перед специалистами любого профиля часто возникают следующие вопросы: как решить реальную проблему и не создать при этом новых проблем? как уменьшить сложность возникшей ситуации? как правильно организовать исследование существующей системы или проектирование новой? На эти вопросы отвечает современный прикладной системный анализ. Знакомство с методами системного анализа необходимо практически всем специалистам, и его элементы вошли в учебные планы многих вузов. В данной книге излагаются основные понятия и методы системного анализа.
Во второе издание (1-е – 1989 г.) внесены некоторые дополнения.
| ББК 22.161 517.2 | |
| ISBN 5-89503-004-1 | © Ф.И.Перегудов, Ф.П.Тарасенко, 1989 © Ф.И.Перегудов, Ф.П.Тарасенко, 1997, с изменениями |
Подписано к печати 25.10.96. Формат бумаги 60´84/16. Бумага книжно-журнальная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 23,02. Уч.-изд. л. 20,63. Тираж 1000 экз.
Отпечатано с оригинал-макета, подготовленного АО “Издательство НТЛ”.
Лицензия ЛР № 064401 от 22.01.96.
634050, Томск, пл.Революции 1, т. (382-2) 23-33-35
Типография издательства “Красное Знамя”. 634050, г.Томск, пр.Фрунзе, 103/1
Оглавление
| Предисловие 3 Введение 5 | |
| Возникновение и развитие системных представлений 7 § 1.1. Предварительные замечания 7 § 1.2. Роль системных представлений в практической деятельности 8 § 1.3. Внутренняя системность познавательных процессов 14 § 1.4. Системность как всеобщее свойство материи 17 § 1.5. Краткий очерк истории развития системных представлений 21 Заключение 32 Литература 33 Упражнения 33 Вопросы для самопроверки 34 | |
| МОДЕЛИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 35 § 2.1. Широкое толкование понятия модели 35 § 2.2. Моделирование – неотъемлемый этап всякой целенаправленной деятельности 37 § 2.3. Способы воплощения моделей 41 § 2.4. Условия реализации свойств моделей 47 § 2.5. Соответствие между моделью и действительностью: различия 49 § 2.6. Соответствие между моделью и действительностью: сходство 54 § 2.7. О динамике моделей 57 Заключение 62 Литература 64 Упражнения 65 Вопросы для самопроверки 68 | |
| СИСТЕМЫ. МОДЕЛИ СИСТЕМ 69 § 3.1. Множественность моделей систем 69 § 3.2. Первое определение системы 69 § 3.3. Модель “черного ящика” 72 § 3.4. Модель состава системы 78 § 3.5. Модель структуры системы 81 § 3.6. Второе определение системы. Структурная схема системы 84 § 3.7. Динамические модели систем 87 Заключение 94 Литература 96 Упражнения 97 Вопросы для самопроверки 98 | |
| ИСКУССТВЕННЫЕ И ЕСТЕСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ 99 § 4.1. Искусственные системы и естественные объекты 99 § 4.2. Обобщение понятия системы. Искусственные и естественные системы 101 § 4.3. Различные классификации систем 104 § 4.4. О больших и сложных системах 112 Заключение 118 Литература 120 Упражнения 120 Вопросы для самопроверки 122 | |
| ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ СИСТЕМ 123 § 5.1. Информация как свойство материи 123 § 5.2. Сигналы в системах 124 § 5.3. Случайный процесс – математическая модель сигналов 127 § 5.4. Математические модели реализаций случайных процессов 130 § 5.5. О некоторых свойствах непрерывных сигналов 137 § 5.6. Энтропия 143 § 5.7. Количество информации 149 § 5.8. Об основных результатах теории информации 154 Заключение 163 Литература 165 Упражнения 165 Вопросы для самопроверки 168 | |
| РОЛЬ ИЗМЕРЕНИЙ В СОЗДАНИИ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ 169 § 6.1. Эксперимент и модель 169 § 6.2. Измерительные шкалы 172 § 6.3. Расплывчатое описание ситуаций 191 § 6.4. Вероятностное описание ситуаций. Статистические измерения 196 § 6.5. Регистрация экспериментальных данных и ее связь с последующей их обработкой 200 Заключение 206 Литература 206 Упражнения 207 Вопросы для самопроверки 208 | |
| ВЫБОР (ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ) 209 § 7.1. Многообразие задач выбора 209 § 7.2. Критериальный язык описания выбора 211 § 7.3. Описание выбора на языке бинарных отношений 221 § 7.4. Язык функций выбора 228 § 7.5. Групповой выбор 231 § 7.6. Выбор в условиях неопределенности 237 § 7.7. О выборе в условиях статистической неопределенности 241 § 7.8. Выбор при расплывчатой неопределенности 251 § 7.9. Достоинства и недостатки идеи оптимальности 255 § 7.10. Экспертные методы выбора 259 § 7.11. Человеко–машинные системы и выбор 263 § 7.12. Выбор и отбор 267 Заключение 272 Литература 273 Упражнения 275 Вопросы для самопроверки 276 | |
| ДЕКОМПОЗИЦИЯ И АГРЕГИРОВАНИЕ КАК ПРОЦЕДУРЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА 277 § 8.1. Анализ и синтез в системных исследованиях 277 § 8.2. Модели систем как основания декомпозиции 281 § 8.3. Алгоритмизация процесса декомпозиции 289 § 8.4. Агрегирование, эмерджентность, внутренняя целостность систем 298 § 8.5. Виды агрегирования 301 Заключение 312 Литература 314 Упражнения 315 Вопросы для самопроверки 316 | |
| О НЕФОРМАЛИЗУЕМЫХ ЭТАПАХ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА 317 § 9.1. Что такое системный анализ 317 § 9.2. Формулирование проблемы 319 § 9.3. Выявление целей 324 § 9.4. Формирование критериев 328 § 9.5. Генерирование альтернатив 334 § 9.6. Алгоритмы проведения системного анализа 342 § 9.7. Претворение в жизнь результатов системных исследований 345 § 9.8. О специфике социальных систем 354 Заключение 366 Литература 368 Упражнения 369 Вопросы для самопроверки 371 | |
| Краткий словарь специальных терминов 373 |
Предисловие
В последние годы резко усилились тенденции к фундаментализации обучения в высшей школе, уходу от чрезмерно суженной специализации, расширению кругозора специалистов, развитию междисциплинарных связей, воспитанию системного мышления. Наряду с реализацией этих тенденций в преподавании традиционных предметов, в учебных планах многих вузов появились и специфические “системные” курсы, излагающие методологию исследования и проектирования сложных систем. Настоящая книга отвечает потребности в учебной литературе по таким курсам.
Особенность данного учебника состоит в том, что его можно использовать при обучении студентов разных специальностей, опуская или, наоборот, развивая определенные темы, изложенные в нем. Излагаемый в книге подход скорее всего ближе специалистам, имеющим дело с разработкой математических моделей реальных явлений. Однако авторы на практике убедились, что данный учебник может быть полезен не только для инженеров-системотехников и математиков-прикладников, но и для студентов-гуманитариев. Например, в Томском университете многие разделы книги используются в курсе правовой кибернетики для юристов, в спецкурсах по методам исследования социальных систем на философском и историческом факультетах.
На наш взгляд, в ближайшее время прикладной системный анализ станет объектом профессиональной деятельности. Ряд университетов США уже развернул подготовку специалистов в этой области. Необходимость в этом ощущается и в нашей стране. Это подтверждает опыт изложения идей системного анализа слушателям курсов повышения квалификации, т.е. людям, сталкивавшимся с необходимостью решать проблемы реальной жизни и на собственном опыте прочувствовавшим, насколько это не просто.
В девяти главах книги излагаются основные понятия и методы прикладного системного анализа. Сюда относятся и общие фундаментальные понятия (система, модель, информация и др.), и важные конкретные понятия (сигналы, измерительные шкалы, “большие” и “сложные” системы, эмерджентность и пр.), понятия, специфичные для системного анализа (декомпозиция, агрегирование, конфигуратор, проблематика, “заинтересованные стороны” и др.) К арсеналу используемых в системном анализе методов относятся и строго формализованные (оптимизация, принятие решений, кодирование информации), и направленные на формализацию (экспериментальные исследования, построение моделей), и слабо формализованные (экспертные оценки, коллективный выбор), и в принципе неформализуемые операции (формулирование проблем, выявление целей, определение критериев, генерация альтернатив). Все это объединяется общей методологией, вытекающей из диалектического метода, что и позволяет определить системный анализ и как прикладную диалектику.
Книга содержит обширный и разнообразный вспомогательный материал. На полях приведены некоторые важные выводы, а также наиболее употребительные термины и их английские эквиваленты. Каждый параграф завершается кратким итогом (на русском и английском языках). В конце каждой главы приводятся: заключение (в котором отражены основные результаты данной главы), литература, упражнения и вопросы для самопроверки. В конце книги помещен краткий словарь специальных терминов. Все это, по мнению авторов, должно способствовать лучшему пониманию и усвоению изучаемого материала.
К несчастью, Феликс Иванович Перегудов умер, не увидев второго издания нашей книги. Многие из ее достоинств – его заслуга.
Выражаю искреннюю признательность рецензентам первого издания профессорам Т.Вашко (Лаксенбург, Австрия), А.И.Половинкину (Волгоград), Л.А.Растригину (Рига) и рецензенту второго издания проф. А.А.Золотареву (Москва) за полезные замечания и советы, способствовавшие улучшению книги.
Особую благодарность хотелось бы выразить главному редактору издательства “Высшая школа” А.Д.Суходскому, который во многом улучшил форму представления материала первого издания и существенно помог в подготовке второго издания книги.
Ф.П.Тарасенко
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 философском уровне – диалектический материализм; 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.
Особенности современного системного анализа вытекают из самой природы сложных систем. Имея в качестве цели ликвидацию проблемы или, как минимум, выяснение ее причин, системный анализ привлекает для этого широкий спектр средств, использует возможности различных наук и практических сфер деятельности. Являясь по существу прикладной диалектикой, системный анализ придает большое значение методологическим аспектам любого системного исследования. С другой стороны, прикладная направленность системного анализа приводит к использованию всех современных средств научных исследований – математики, вычислительной техники, моделирования, натурных наблюдений и экспериментов.
В ходе исследования реальной системы обычно приходится сталкиваться с самыми разнообразными проблемами; быть профессионалом в каждой из них невозможно одному человеку. Выход видится в том, чтобы тот, кто берется осуществлять системный анализ, имел образование и опыт, необходимые для опознания и классификации конкретных проблем, для определения того, к каким специалистам следует обратиться для продолжения анализа. Это предъявляет особые требования к специалистам-системщикам: они должны обладать широкой эрудицией, раскованностью мышления, умением привлекать людей к работе, организовывать коллективную деятельность.
Прочтя данную книгу и даже дополнительно изучив нужные разделы глубже, чем это дано в ней, нельзя стать специалистом по системному анализу. Как выразился У. Шекспир: “Если бы делать было бы столь же легко, как знать, что надо делать, – часовни были бы соборами, хижины – дворцами”. Профессионализм приобретается в практике.
Полезно было бы дополнить данную книгу сборником реальных примеров системного анализа. Но и это будут все-таки уже проработанные кем-то ранее ситуации. Самая же сложная и интересная часть системного анализа – это “вытаскивание” проблем из реальной жизни, отделение важного от несущественного, поиск правильной формулировки для каждой из возникающих задач. Авторы надеются, что данная книга будет полезной как введение в системный анализ.
| Возникновение и развитие системных представлений | Глава первая |
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
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 ХХ 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.
Иллюстрацией этого может служить состояние знаний тех, кому только что сказанное представляется расплывчатым, не очень ясным: что означает само слово “система”, что означает “действовать системно”, почему “не системного” знания не бывает? Налицо проблема понимания сказанного (кстати, совсем не уникальная, а типичная для обучения). Эту проблему мы будем решать, постепенно повышая уровень системности знаний, в чем и состоит цель данной книги. Пока же нам достаточно тех ассоциаций, которые возникают, когда мы употребляем в обыденной речи слово “система” в сочетании со словами “общественно-политическая”, “Солнечная”, “нервная”, “отопительная” или “уравнений”, “показателей”, “взглядов и убеждений”, – ведь эти словосочетания обозначают (наряду с различным) и нечто общее: системность.
В данной главе мы покажем, что хотя осознание системности мира пришло с трудом и не сразу, оно не могло не прийти: системные представления возникли по объективным причинам и развиваются под действием объективных факторов.