Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

, ,

Теория систем и системный анализ

Допущено Редакционно-издательским советом УГАТУ

в качестве учебного пособия для все форм обучения,

обучающихся по направлениям 080800(230700) «Прикладная

информатика», 230100 «Информатика и вычислительная техника»

Уфа 2012

УДК 68

ББК 32.365я7

К90

Рецензенты:

директор по развитию консалтинга в сфере IT-технологий -Эм-Си-Эс Вертекс», д-р техн. наук, проф. , зав. каф. информатики и информационных технологий в образовании ГОУ ВПО «Башкирский государственный педагогический университет им. Акмуллы», канд. пед. наук, доц.

, ,

К90 Теория систем и системный анализ. Учебное пособие / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2012. – 185 с.

ISBN 0266-2

В части содержания пособие соответствует требованиям федерального государственного образовательного стандарта к дисциплине "Теория систем и системный анализ" направления подготовки бакалавров (0808"Прикладная информатика".

Рассмотрены основные понятия и методы системного анализа и теории систем. Главное внимание уделено формированию системного мышления и развитию у студентов умений использования основных системных закономерностей и принципов при исследовании сложных систем.

Предназначено для студентов 2 и более старших курсов, изучающих дисциплину «Теория систем и системный анализ»

Табл. 5. Ил. 98. Библиогр.: 36 назв.

УДК 68

ББК 32.365я7

ISBN 0266-2

© Уфимский государственный

авиационный технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.. 5

1. Основы теории систем... 6

1.1. Подходы к исследованию окружающего мира. 6

1.2. Система и её основные признаки. 10

1.3. Свойства, функции и цели системы.. 22

1.4. Условия применения системного подхода. 27

1.5. Контрольные вопросы.. 32

2. Функционирование сложных систем... 34

2.1. Целостность систем.. 34

2.2. Жизненный цикл сложных систем.. 36

2.3. Возрастание и убывание энтропии и негэнтропии. 38

2.4. Синергетический подход и самоорганизация сложных систем.. 42

2.5. Функционирование сложных систем.. 47

2.6. Контрольные вопросы.. 58

3. Управление в сложных системах.. 60

3.1. Основы теории управления. 60

3.2. Принципы управления. 61

3.3. Современные методы управления. 63

3.4. Системы управления. 66

3.5. Управление в организационных системах. 69

3.6. Контрольные вопросы.. 72

4. Моделирование.. 73

4.1. Основные понятия моделирования. 73

4.2. Принципы моделирования. 76

4.3. Виды моделирования. 79

4.4. Характеристика известных способов моделирования. 83

4.5. Теория игр и принятие решений. 86

4.6. Моделирование бизнес-процессов. 89

4.7. Контрольные вопросы.. 101

5. Измерение в системном анализе.. 102

5.1. Понятие шкалы.. 102

5.2. Виды измерительных шкал. 105

5.3. Квалиметрия в системном анализе. 111

5.4. Представление справочников на шкалах. 114

5.5. Контрольные вопросы.. 117

6. Системный анализ. 118

6.1. Системный анализ как метод исследования. 118

6.2. Онтологический аспект системного анализа. 129

6.3. Гносеологический и структурный аспекты системного анализа. 137

6.4. Этапы системного анализа. 142

6.5. Системный анализ в экономике. 162

6.6. Системная инженерия. 164

6.7. Контрольные вопросы.. 166

Примерный перечень вопросов для теста по дисциплине «Теория систем и системный анализ». 168

Терминологический словарь. 174

Список литературы

Введение

Подготовка студентов по направлению «Прикладная информатика» предусматривает изучение в сфере информационных технологий, ориентированных на определённую предметную область. Данное направление предполагает углублённое изучение информатики и тех областей научного знания, на которые она опирается. В числе таких областей: теория систем, системология, методология системного подхода к явлениям окружающего нас мира – множество областей научного знания, объединённого в рамках дисциплины «Теория систем и системный анализ».

Целью изучения данной дисциплины является рассмотрение принципов и закономерностей разработки и функционирования систем, методов принципов их анализа и синтеза, формирование навыков применения этих методов при системном анализе.

Основной задачей дисциплины являются приобретение студентами общих теоретических знаний по системному подходу к исследованию систем и практических навыков по их моделированию. Для освоения данного курса требуются базовые знания, полученные при изучении дисциплины «Математика», «Информатика».

Пособие создано как на основе опыта преподавания, так и с учётом практического опыта применения методик системного анализа при управлении учебными ресурсами, что нашло отражение в сквозном примере, иллюстрирующем содержание пособия.

Пособие рекомендовано в качестве основной литературы для студентов, обучающихся на направлении 230700 «Прикладная информатика».

Для повышения удобства изучения дисциплины термины в тексте пособия выделены полужирным курсивным шрифтом, примеры обозначены курсивным шрифтом, для иллюстрации излагаемого материала использованы таблицы и рисунки.

Пособие включает 5 глав, терминологический указатель и список использованной литературы.

2. Основы теории систем

В данном разделе мы рассмотрим основы теории систем и системный подход к изучению окружающего нас мира.

2.1. Подходы к исследованию окружающего мира

Известный нам мир безграничен и необъятен. Понять и описать его – задача современной науки.

По способу создания все объекты в мире делятся на 2 класса:

-  естественные, созданные природой;

-  искусственные, созданные человеком.

Искусственные объекты имеют важнейшее ограничение, состоящее в том, что они должны быть полезны для человека, а для этого и сохранять свою жизнеспособность в течение длительного времени. Если естественные объекты создавала природа и их форма и структура оттачивалась тысячелетиями, то у человека нет такого времени. Поэтому при создании искусственного объекта необходимо учесть объективные системные законы и закономерности, относящиеся к его созданию, функционированию и развитию, понять которые можно благодаря исследованию естественных объектов.

Рис.1 Иерархия уровней научного познания

Следовательно, для создания жизнеспособных, полезных для человека искусственных объектов необходимо познать законы функционирования естественных.

В современной науке можно выделить три основных уровня исследования сложных объектов, процессов и явлений (рис.1).

Каждый уровень научного познания относится к нижестоящему как «один ко многим». Например, закон диалектики, известный как «закон отрицания отрицания» в теории систем отражается как закономерность эволюции, закон жизненной кривой системы и т. д.

Анализ рис.1 показывает, что «теория систем – наука о правилах перехода с уровня на уровень, а естественные науки поставляют информацию о характере систем своего уровня» [15]. При этом теория систем не имеет смысла в отрыве от естественных наук, а они, в свою очередь, неспособны к серьёзным обобщениям без инструментария теории систем.

Цель и задачи дисциплины «Теория систем и системный анализ» в формировании системного мышления и выработке навыков исследования сложных систем с позиций системного подхода.

Исследованию предметной области теории систем и системного анализа посвящено множество работ, включая учебники (см., например [1, 4, 5, 7, 10, 15, 26, 27, 32, 36]).

Системный подход к научному познанию природы, общества и человека дал мощный импульс для развития в науке направления, известного под названием «теория систем». Главное научно-методическое значение системного подхода заключается в том, что он позволяет исследователям выявить и осознать принцип системности, проявляющейся практически во всех явлениях и процессах в природе и обществе и отдельно взятом человеке. Принцип системности состоит в том, что всякое целое, имеет свойства, отличные от свойств частей и должно рассматриваться и как отдельная сущность, связанная с более общими системами и как совокупность взаимосвязанных частей.

Помимо системного подхода, значительное влияние на развитие современной науки оказывают синергетический и информационный подходы, которые можно рассматривать как его дальнейшее развитие, дающее новые возможности для исследования сложных объектов, процессов и явлений (табл.1).

Таблица 1

Соотношение системных исследований и синергетики [14]

Синергетический подход позволил науке выявить новые грани факта самоорганизации и внутреннего развития системы. Дал возможность по-новому взглянуть на роль хаоса в природе и обществе. С позиции синергетики хаос – это не только стадия полной дезорганизации и разрушения структуры системы, но также и необходимое условие для зарождения нового процесса, это потенциальный источник нового развития более сложной и более высокоорганизованной системы.

Информационный подход открывает исследователю новую, информационную картину мироздания, качественно отличающуюся от классической вещественно-энергетической картины, которая сегодня не достаточна для современного представления об устройстве мироздания. Информационные процессы лежат в основе практически всех явлений в природе и обществе. Информационный подход позволяет увидеть многие процессы и явления в совершенно новом свете и выявить ранее не замеченные качества, которые оказываются важными для понимания сущности рассматриваемых явлений и их дальнейшего развития.

Толчок к развитию системных идей и системного подхода дали следующие три фактора (рис.2):

-  современные научные фундаментальные и прикладные исследования с подходом целостности и организованности объектов исследования (пример кибернетика, биология, психология и т. д.);

-  современная сложная техника и программное обеспечение, использующих системный подход как ведущий принцип разработки и проектирования;

-  организация производства и управления, социально-экономическая сфера общества, в которых при анализе процессов необходимо учитывать комплекс разнообразных факторов (экономические, экологические, социологические, организационные, психологические, правовые и этические аспекты).

Рис.2. Базис развития системного подхода

Следует отметить, что понятие «система», использованное в данном изложении не всегда правильно и однозначно интерпретируется, поэтому необходимо его отдельно рассмотреть и прокомментировать.

2.2. Система и её основные признаки

2.2.1. Определение системы. Понятие «Система» является абстракцией, созданной человеком для облегчения задачи понимания мира. Наиболее простым и ёмким определением понятия является:

Система – совокупность объектов (рис.3), обладающая интегративным свойством [33].

Рис.3. Простейшая схема системы

Интегративным свойством называется новое особое качество целостности, порождаемое отношениями взаимосвязанных и взаимодействующих структурных элементов.

Рис.4. Связи системы со средой

Свойствами системы, конкретизирующие понятие интегративного свойства, являются:

1)  Связь системы как целого с внешней средой (рис.4). В системе есть связи со средой, которые при моделировании можно интерпретировать как входы и выходы.

2)  Выделение системы из внешней среды. Система отличима от внешней среды и имеет выраженную границу, по которой можно достаточно точно определить какие объекты являются элементами системы, а какие – внешней среды.

3)  Множественность элементов системы. Система включает более одного элемента, поскольку в противном случае невозможно представить её структуру.

4)  Взаимосвязанность элементов системы. Элементы системы находятся в отношениях между собой, определяющих свойства и законы функционирования системы как целого. Система образуется в результате взаимодействия составляющих её элементов, которое придает ей новые свойства, отсутствующие у отдельно взятых элементов.

2.2.2. Признаки и свойства системы

Базовыми признаками системы являются:

-  множество элементов;

-  единство главной цели для всех элементов;

-  наличие связей между ними;

-  целостность;

-  единство элементов;

-  структура;

-  иерархичность;

-  относительная самостоятельность;

-  четко выраженное управление.

Основные свойства системы:

-  стремление сохранить свою структуру (основано на объективном законе организации – законе самосохранения);

-  потребность в управлении (существует набор потребностей у человека, у животного, у общества, у стада животных, у большого социума);

-  наличие сложной зависимости от свойств входящих в нее элементов и подсистем (система может обладать свойствами, не присущими ее элементам, и может не иметь свойств этих элементов).

2.2.3. Системообразующие факторы

Для решения исследовательских задач важно выясненить сущность сил, объединяющих множество несвязанных компонент в одну систему. Для объяснения этого применяется специальный термин — «системообразующий фактор». Под ним понимается фактор, который формирует систему [32].

Системообразующий фактор представляется и как объективное явление, характеризуя способность материи обретать и проявлять системность, и как средство для выделения исследователем системы из среды. Иными словами, системообразующий фактор – одно из проявлений активности материи в аспекте реализации ее способности формировать системы.

Проблема поиска системообразующих факторов является одной из главных проблем науки, поскольку, найдя фактор, мы находим систему.

В науке просматриваются два направления поисков системообразующих факторов:

-  естественнонаучное, заключается в исследовании особенности, специфика, характер системообразующих факторов в природе с помощью естественных наук;

-  теоретическое, характеризуется попытками выявить за спецификой, уникальностью, единичностью конкретных системообразующих факторов закономерность, присущую всем системам без исключения, но проявляющаяся по-разному в разноуровневых системах.

Таблица 2

Классификация системообразующих факторов [32]

Системообразующие факторы выполняют вполне определенные функции по отношению к системам:

-  выступают источником возникновения систем, ибо возникновение системообразующего фактора означает прекращение существования неупорядоченности, появление обостренной нужды в системе;

-  играют важную роль в поддержании равновесия системы. Система, вышедшая из равновесия, побуждает, «включает» системообразующий фактор, который обеспечивает достижения ею состояния гомеостата;

-  обеспечивают процесс наследования в системах, память о ее коде. Обратим внимание и на то, что системообразующие факторы далеко не всегда проявляют себя открыто. Это скрытые факторы, что требует специальных и длительных исследований.

Внутренние системообразующие факторы порождаются объединяющимися в систему отдельными элементами, группами элементов или всем множеством.

Перечень внутренних системооборазующих факторов:

-  общность природного качества элементов, позволяющая существовать многим естественным системам потому, что элементы какого-либо природного качества имеют только им присущие, особые связи;

-  взаимодополнение, обеспечивающее связь как однородных, так и разнородных элементов в системе;

-  факторы индукции, отражающие присущее всем системам живой и неживой природы свойство стремления к завершенности;

-  постоянные стабилизирующие факторы системообразования, включающие постоянные жесткие связи, обеспечивающие единство системы, кроме того, они не только системообразующие, но и системо-сохраняющие;

-  связи обмена, представляющие собой сущность любого взаимодействия элементов, но характер обмена и его субстрат зависят от уровня развития взаимодействующих элементов или подсистем в системе.;

-  функциональные связи, возникающие в процессе специфического взаимодействия элементов систем.

Данные факторы носят как внутренний, так и внешний характер. Внешние – элементы образуемой системы индифферентны по отношению друг к другу (куча камней, мешок зерна); внутренние – образуемая ими система выступает как единство подобных элементов.

2.2.4. Основная классификация систем

Основная классификация систем – разделение каждой из них на три подсистемы: техническую, биологическую и социальную.

Техническая подсистема включает оборудование и другие работоспособные изделия, имеющие инструкции для пользователя. Набор решений в технической подсистеме ограничен и последствия всех решений, как правило, предопределены. Решения носят строго формализованный характер и выполняются в строго определенном порядке.

Биологическая подсистема включает флору и фауну планеты, в т. ч. человеческий организм. Набор решений также ограничен вследствие медленного эволюционного развития живых организмов. Последствия решений могут быть непредсказуемыми вследствие наличия субъективных факторов и огромного многообразия вариантов.

Социальная подсистема характеризуется наличием человека как субъекта и объекта управления в совокупности взаимосвязанных элементов. Социальная подсистема может включать биологическую и техническую подсистемы, а биологическая подсистема – техническую подсистему.

Системы также подразделяются на искусственные и естественные, открытые и закрытые, детерминированные и стохастические, жесткие и мягкие.

Искусственные системы создаются человеком для реализации к.-л. заданных программ или целей на основании субъективной воли (техника, учреждения культуры).

Естественные системы возникают в природе или создаются человеком вследствие объективных природных процессов (экологические системы, моногамия).

Открытые системы характеризуются открытым характером связей с внешней средой и сильной зависимостью от нее (СМИ, коммерческие структуры).

Закрытые системы характеризуются преимущественно внутренними связями и создаются для удовлетворения внутренних потребностей персонала и учредителей (профсоюзы, политические партии, мафиозные структуры).

Детерминированные системы функционируют по заранее заданным правилам, с заранее определенным результатом (типовое производство, начальное образование).

Стохастические системы характеризуются трудно предсказуемыми входными воздействиями внешней и (или) внутренней среды и выходными результатами (научные исследования, предпринимательство, игорный бизнес).

Мягкие системы характеризуются высокой чувствительностью к внешним воздействиям и слабой устойчивостью (финансовые котировки, слабообученный персонал).

Жесткие системы – как правило, авторитарные, основанные на высоком профессионализме небольшой группы руководителей, организации (религиозные организации, диктатуры).

Кроме того, любая система обладает некоторой структурой.

2.2.5. Структура системы. Понятие «структура» также относится к числу интуитивных, абстрактных понятий. Структура объединяет совокупность тех свойств системы, которые являются существенными с точки зрения проводимого исследования и сохраняют значимость в течение всего жизненного цикла системы. Структура системы является консервативной характеристикой системы: она может сохраняться неизменной длительное время, а состояние системы за это же время может многократно и существенно измениться.

Структура системы – это пространственное расположение её элементов, закон взаимодействия между ними, совокупность устойчивых межэлементных связей и внутреннее устройство (рис.5).

Рис.5. Соотношение надсистемы, системы, подсистемы и элемента

Элемент – наиболее простая часть, логическая сущность, декомпозиция которой в рамках данной системы нецелесообразна.

Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов. Элементы считаются взаимосвязанными, если по изменениям происходящим в одном элементе, можно судить об изменениях в других элементах.

Подсистема отличается от элемента системы тем, что обладает всеми свойствами системы, в частности, свойством целостности (по подцели) и эмерджентности, т. е. не сводимости свойств системы к сумме свойств её элементов.

Различные виды систем различаются именно структурой. Структура определяет свойства системы любой природы. Структура играет ведущую роль в формировании новых свойств системы, в поддержании её целостности и устойчивости при изменении элементов системы.

Важными структурными компонентами являются отношения координации и субординации.

Координация – упорядоченность элементов системы одного уровня иерархии.

Субординация – упорядоченность элементов системы различных уровней иерархии по их месту в ней.

Архитектоникой называют изучение структуры в пространственном срезе.

Отношение в пространстве структуры характеризуется показателями:

-  выше – ниже;

-  больше – меньше;

-  внешний – внутренний;

-  несущее – несомое;

-  объединяющее – объединяемое.

2.2.6. Дескриптивное и конструктивное определения системы

При описании системы выделяют два аспекта (рис.6). Дескриптивное (описательное) определение позволяет отличать системный и несистемный объекты друг от друга, а конструктивное – выделить систему из внешней среды [14].

Рис.6. Схема дескриптивного и конструктивного подходов к определению системы

Дескриптивное определение понятия:

Система – совокупность объектов и процессов, взаимодействующих между собой, которые образуют единое целое, обладающее интегративным свойством.

Дескриптивный подход к определению системы требует также описания основных свойств, присущих системным объектам, независимо от их типа. В качестве общесистемных свойств могут выступать целостность, иерархичность и интегративность.

Конструктивный подход предполагает выделение системы из внешней среды и основан на рассмотрении структуры системы, определяемой законами её функционирования. С этой точки зрения, систему принято схематически представлять в виде «черного ящика».

Входы (ресурсы) системы представляют собой элементы, передаваемые в неё из внешней среды. По входам осуществляется влияние на систему.

Выходы (продукты) системы – это элементы, передаваемые системой внешней среде. Посредством выходов система может сама оказывать влияние.

Описание системы через входы и выходы иногда называют внешним, поскольку оно дает понимание только связей системы с внешней средой. Механизм преобразования входов в выходы позволяет раскрыть т. н. «процессор» – локальное описание системы. Процессор включает в себя правила преобразования входов в выходы, механизмы и средства преобразования, исполнителей, систему стимулирования преобразования (катализатор) и время.

На конструктивном подходе основан принцип системного моделирования, описанный в разделе 4.

Конструктивное понятие «система» определяется как некоторая сущность, в процессе функционирования по определённым законам, преобразующая входы в выходы.

2.2.7. Способы выделения систем

Используется три основных способа выделения систем:

1) Структурное разделение (рис.7). Явление или процесс расчленяется на множество составных элементов, между которыми выявляются системообразующие межэлементные связи и отношения, придающие этому множеству целостность.

Рис.7. Пример структурного разделения системы

Пример:

Факультет – это объект, состоящий из кафедр, специальностей и групп.

2) Аспектное разбиение (рис.8). Представление не всего исследуемого объекта, явления, или процесса как системы, а только лишь его отдельных сторон, граней, аспектов, разрезов, которые считаются существенными для исследуемой проблемы. В этом случае каждая система в одном и том же объекте отражает лишь определенную грань своей сущности. Такое применение понятия системы позволяет цельно изучать разные аспекты или грани единого объекта.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8