1. Основные понятия теории систем сущность и принципы тсса [Г. И. Корнилов]. 1

Основные понятия, характеризующие строение и функционирование систем

Под элементом принято понимать простейшую неделимую часть системы. Ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднозначным и зависит от цели рассмотрения объекта как системы, от точки зрения на него или от аспекта его изучения. Таким образом, элемент - это предел деления системы с точек зрения решения конкретной задачи и поставленной цели. Систему можно расчленить на элементы различными способами в зависимости от формулировки цели и ее уточнения в процессе исследования.

Система может быть разделена на элементы не сразу, а последовательным расчленением на подсистемы, которые представляют собой компоненты более крупные, чем элементы, и в то же время более детальные, чем система в целом. Возможность деления системы на подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы. Названием "подсистема" подчеркивается, что такая часть должна обладать свойствами системы (в частности, свойством целостности). Этим подсистема отличается от простой группы элементов, для которой не сформулирована подцель и не выполняются свойства целостности (для такой группы используется название "компоненты"). Например, подсистемы АСУ, подсистемы пассажирского транспорта крупного города.

Это понятие происходит от латинского слова structure, означающего строение, расположение, порядок. Структура отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и их группами (компонентами, подсистемами), которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Структура - это совокупность элементов и связей между ними. Структура может быть представлена графически, в виде теоретико-множественных описаний, матриц, графов и других языков моделирования структур.

Структуру часто представляют в виде иерархии. Иерархия - это упорядоченность компонентов по степени важности (многоступенчатость, служебная лестница). Между уровнями иерархической структуры могут существовать взаимоотношения строгого подчинения компонентов (узлов) нижележащего уровня одному из компонентов вышележащего уровня, т. е. отношения так называемого древовидного порядка. Такие иерархии называют сильными или иерархиями типа "дерева". Они имеют ряд особенностей, делающих их удобным средством представления систем управления. Однако могут быть связи и в пределах одного уровня иерархии. Один и тот же узел нижележащего уровня может быть одновременно подчинен нескольким узлам вышележащего уровня. Такие структуры называют иерархическими структурами «со слабыми связями». Между уровнями иерархической структуры могут существовать и более сложные взаимоотношения, например, типа "страт", "слоев", "эшелонов". Примеры иерархических структур: энергетические системы, АСУ, государственный аппарат.

Понятие "связь" входит в любое определение системы наряду с понятием "элемент" и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Это понятие характеризует одновременно и строение (статику), и функционирование (динамику) системы. Связь характеризуется направлением, интенсивностью (или силой) и характером (или видом). По первым двум признакам связи можно разделить на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру - на связи подчинения, генетические, равноправные (или безразличные), связи управления. Связи можно разделить также по месту приложения (внутренние и внешние), по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные). Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы несколькими из названных признаков.

Важную роль в системах играет понятие "обратной связи". Это понятие, легко иллюстрируемое на примерах технических устройств, не всегда можно применить в организационных системах. Исследованию этого понятия большое внимание уделяется в кибернетике, в которой изучается возможность перенесения механизмов обратной связи, характерных для объектов одной физической природы, на объекты другой природы. Обратная связь является основой саморегулирования и развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования.

Понятием "состояние" обычно характеризуют мгновенную фотографию, "срез" системы, остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры, макросвойства системы (например, давление, скорость, ускорение - для физических систем; производительность, себестоимость продукции, прибыль - для экономических систем).

Более полно состояние можно определить, если рассмотреть элементы e (или компоненты, функциональные блоки), определяющие состояние, учесть, что "входы" можно разделить на управляющие u и возмущающие х (неконтролируемые) и что "выходы" (выходные результаты, сигналы) зависят от e , u и х , т.е. z t = f ( e t , u t , x t ). Тогда в зависимости от задачи состояние может быть определено как < e , u >, < e , u , z >или < e , х, u , z >.

Таким образом, состояние - это множество существенных свойств, которыми система обладает в данный момент времени.

Если система способна переходить из одного состояния в другое (например, z 1 ®z 2 ®z 3 ), то говорят, что она обладает поведением. Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности переходов из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает каким-то поведением и выясняют его закономерности. С учетом введенных выше обозначений поведение можно представить как функцию z t =f(z t-1 , x t , u t ).

Под внешней средой понимается множество элементов, которые не входят в систему, но изменение их состояния вызывает изменение поведения системы.

Под моделью системы понимается описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Углубление описания - детализация модели. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.

Модель функционирования (поведения) системы - это модель, предсказывающая изменение состояния системы во времени, например: натурные (аналоговые), электрические, машинные на ЭВМ и др.

Равновесие - это способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранить свое состояние сколь угодно долго.

Под устойчивостью понимается способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам при постоянном и„ если только отклонения не превышают некоторого предела.

Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, по аналогии с техническими устройствами называют устойчивым состоянием равновесия. Равновесие и устойчивость в экономических и организационных системах - гораздо более сложные понятия, чем в технике, и до недавнего времени ими пользовались только для некоторого предварительного описательного представления о системе. В последнее время появились попытки формализованного отображения этих процессов и в сложных организационных системах, помогающие выявлять параметры, влияющие на их протекание и взаимосвязь.

Исследованию процесса развития, соотношения процессов развития и устойчивости, изучению механизмов, лежащих в их основе, уделяют в кибернетике и теории систем большое внимание. Понятие развития помогает объяснить сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе.

Применение понятия "цель" и связанных с ним понятий целенаправленности , целеустремленности , целесообразности сдерживается трудностью их однозначного толкования в конкретных условиях. Это связано с тем, что процесс целеобразования и соответствующий ему процесс обоснования целей в организационных системах весьма сложен и не до конца изучен. Его исследованию большое внимание уделяется в психологии, философии, кибернетике. В Большой Советской Энциклопедии цель определяется как "заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека". В практических применениях цель - это идеальное устремление, которое позволяет коллективу увидеть перспективы или реальные возможности, обеспечивающие своевременность завершения очередного этапа на пути к идеальным устремлениям.

В настоящее время в связи с усилением программно-целевых принципов в планировании исследованию закономерностей целеобразования и представления целей в конкретных условиях уделяется все больше внимания. Например: энергетическая программа, продовольственная программа, жилищная программа, программа перехода к рыночной экономике. Понятие цель лежит в основе развития системы.

Наука как система. Системология как наука

Предметом любой научной дисциплины является определенный класс систем . В самом деле, термин система безусловно является одним из самых распространенных терминов, используемых при описании работ в самых разных научных дисциплинах, особенно в последнее время. Этот термин, к сожалению, оказался чрезмерно перегружен и имеет различный смысл при различных обстоятельствах и для различных людей.

Посмотрев в толковый словарь, вы, вероятно, найдете примерно такое толкование слова «система—множество элементов, находящихся в отношениях или связях друг с другом, образующих целостность или органическое единство», хотя в других словарях могут иметься стилистические варианты этой формулировки.

Если следовать общепринятому определению, то термин « система » означает, в общем, множество элементов и отношений между ними . Термин отношение используется здесь в самом широком смысле, включающем весь набор родственных понятий, таких, как ограничение, структура, информация, организация, сцепление, связь, соединение, взаимосвязь, зависимость, корреляция, образец и т. д. Скажем, система S представляет, таким образом, упорядоченную пару S = ( A , R ), где A есть множество соответствующих элементов , а R — множество отношений между элементами множества A. Подобная концепция системы слишком обща и, следовательно, практическое значение ее невелико. Чтобы сделать это определение практически полезным, его нужно уточнить, ввести определенные классы упорядоченных пар ( A , R ), относящихся к выделенным задачам. Эти классы можно ввести с помощью одного из фундаментальных критериев различия:

а) выделение систем, базирующихся на определенных типах элементов ;

б) выделение систем, базирующихся на определенных типах отношений .

Классификационные критерии а) и б) можно рассматривать как ортогональные .

Примером действия критерия а) служит традиционное подразделение науки и техники на дисциплины и специальности, причем каждая из них занимается определенным типом элементов (физических, химических, биологических, политических, экономических и т. д.). При этом никакой определенный тип отношений не фиксируется. Поскольку элементы разных типов требуют разных экспериментальных (инструментальных) средств для сбора данных, эта классификация по существу имеет экспериментальную основу .

Критерий б) дает совершенно другую классификацию класс задается определенным типом отношений, а тип элементов, на которых определены эти отношения, не фиксируется. Такая классификация непосредственно связана с обработкой данных, а не с их сбором, и основа ее преимущественно теоретическая .

Ортогональность классификационных критериев а) и б) пока­зана на Рис.1.1. (Слайд 3).

Классы систем, содержащие различные типы эле­ментов (множество А ), изображаются горизонтальными полосами; классы систем, содержащие различные отношения (множество R ), — вертикальными.

Хотя классификация по критерию б) чужда традиционной науке, ее важность признается все больше. Все исследования свойств систем и связанные с этим задачи, проистекающие из данной клас­сификации, получили сейчас общее название «науки о системах». В этом смысле наукой о системах называется научная деятельность в основном теоретического плана, которая таким образом допол­няет экспериментальные исследования традиционной науки.

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

1. Донаучный период (приблизительно до XVI в.). Характерны­ми чертами периода являются здравый смысл, теоретизирование, метод проб и ошибок, ремесленные навыки, дедуктивные рассуж­дения и опора на традицию.

2. Одномерная наука (начало XVII — середина XX вв.). Харак­терные черты: объединение теорий, дедуктивные рассуждения, осо­бое внимание к эксперименту, которое привело к возникновению базирующихся на эксперименте дисциплин и специальностей в на­уке. Кстати, они появились прежде всего из-за различий в экспери­ментальных (инструментальных) средствах, а не из-за различий в свойствах отношений исследуемых систем.

3. Двумерная наука (развивается примерно с середины XX в.). 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, можно сказать, что главное в развитии науки, начиная со второй половины ХХ века — это переход от одномерной науки, в основном опирающейся на экспериментирование, к науке двумерной, в которую наука о системах, базирующаяся прежде всего на отношениях, постепенно входит в качестве второго изме­рения. Важность этой совершенно новой парадигмы науки, двумерность науки, еще не вполне осознана, но ее последствия для буду­щего представляются чрезвычайно глубокими.

Если начинают с неправильного, то мало надежды на правильное завершение

Нужно перестать поступать так, словно природа делится на дисциплины, как в университетах

Рассел А. Аккофф

Одной из важнейших особенностей развития науки является возникновение очень сложной иерархии специализированных дис­циплин . На место древнего ученого-философа, такого как Аристо­тель, который мог охватить практически всю совокупность доступ­ных в его время знаний, пришли поколения ученых, обладающих все большей глубиной знаний и все большей узостью интересов и компетенции.

Вероятно, основной причиной, породившей тенденцию к раз­дроблению науки на узкие специальности, является ограниченность возможностей человеческого разума. Поскольку объем знаний стал больше того, который человек в состоянии воспринять, всякое уве­личение знания необходимо приводит к тому, что человек может охватить все меньшую его часть. Чем глубже это знание, тем более специализированным оно должно быть .

Углубление специализации по дисциплинам присуще не только естественным наукам. В других областях человеческой деятельно­сти, например в технике, медицине, гуманитарных науках, искусст­ве, наблюдается та же тенденция. Так, техника из одной дисципли­ны превратилась в спектр инженерных отраслей, таких, как меха­ника, электротехника, химическое машиностроение или атомная техника, и каждая из них, в свою очередь, подразделяется на мно­жество узких специальностей .

Одной из главных особенностей науки второй половины нашего столетия является появление ряда родственных научных направле­ний, таких, как кибернетика, общесистемные исследования, теория информации, теория управления, математическая теория систем , теория принятия решении, исследование операции и искусственный интеллект . Все эти области, появление и развитие которых тесно связано с возникновением и прогрессом компьютерной технологии 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 . Становится все более очевидным, что полезно было бы посмотреть на эти взаимосвязанные интеллектуальные разработки как на части более общего поля исследований, обычно называемого наукой о системах или системологией .

Если наука о системах является наукой в обычном смысле, то в ней следует различать три основных компонента:

1) область исследования;

2) совокупность знаний об этой области;

3) методологию (совокупность согласованных методов) накопления новых знаний об этой области и использования этих знаний для решения относящихся к ней задач.

Назначение данного вводного раздела — охарактеризовать три компонента— область, знания и методологию науки о системах. Кроме того, приводятся доводы за то, что науку о системах нельзя непосредственно сравнивать с другими науками, а правильнее было бы рассматривать ее как новое измерение в науке .

Точнее было бы сказать, что предметом любой научной дисциплины является определенный класс систем . В самом деле, термин система безусловно является одним из самых распространенных терминов, используемых при описании работ в самых разных научных дисциплинах, особенно в последнее время. Этот термин, к сожалению, оказался чрезмерно перегружен и имеет различный смысл при различных обстоятельствах и для различных людей.

В область науки о системах входят все типы свойств отноше­ний, существенные для отдельных классов систем или в очень ред­ких случаях существенные для всех систем. Выбранная классифика­ция систем по отношениям определяет способ разбиения области исследований науки о системах на подобласти точно так же, как традиционная наука подразделяется на подобласти — различные дисциплины и специальности.

Знания в науке о системах , т. е. знания, относящиеся к различ­ным классам свойств отношений в системах, можно получать либо с помощью математики, либо с помощью экспериментов с моделя­ми систем, на компьютерах. Примерами знаний в науке о системах, полученных математическим путем, являются закон необходимого разнообразия Эшби [17, 18], принципы максимума энтропии и минимума кросс-энтропии [76, 166] или различные законы об ин­формации, управляющей системами [84]. Если говорить о знаниях, полученных экспериментальным путем, то лабораторией для науки о системах является компьютер. Он позволяет экспериментировать ученому-системщику точно так же, как это делают другие ученые в своих лабораториях, хотя экспериментальные понятия, которыми он оперирует, представляют собой абстрактные структурные (мо­делируемые на компьютере), а не конкретные свойства реального мира. В этой книге описываются некоторые примеры системных знаний, полученные с помощью экспериментов на компьютере.

Третий компонент науки о системах — системная методология — это стройная совокупность методов изучения свойств различных классов систем и решения системных задач, т. е. задач, касающихся отношений в системах. Хорошая классификация систем с точки зрения отношений — ядро системной методологии. Соответствую­щим образом разработанная классификация является основой для исчерпывающего описания и таксономии системных задач. Главная задача системной методологии — предоставление в распоряжение потенциальных пользователей, представляющих разные дисципли­ны и предметные области, методов решения всех определенных типов системных задач.

Если проанализировать разделение традиционной науки на дисциплины, то станет очевидно, что наука о системах носит междисциплинарный характер. Этот факт имеет, по крайней мере, два следствия.

Во-первых, системные знания и методология в принци­пе могут быть использованы практически во всех разделах тради­ционной науки .

Во-вторых, наука о системах обладает гибкостью, позволяющей изучать свойства отношений в таких системах и, сле­довательно, в задачах, где фигурируют характеристики, исследуе­мые обычно в самых разных областях традиционной науки. Это позволяет изучать подобные системы и решать такие задачи в це­лом , а не рассматривать их как собрание несвязанных предметных подсистем и подзадач.

Два измерения в науке, которые отражает двумерная класси­фикация систем, показанная на рис. 1.1, являются взаимодопол­няющими. Их сочетание в научных исследованиях оказывается более мощным средством, чем использование каждого из направ­лений в отдельности. Традиционное измерение науки определяет смысл и место любого исследования. С другой стороны, системное измерение позволяет содержательно работать с любой наперед вы­бранной системой, независимо от того, ограничена ли она рамками одной традиционной научной дисциплины или нет.

Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие. — СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000. ( http :// vgam 2004. narod . ru /_ tssa / spitsnadel _ vn _ s _ a . rar )

Сурмин Ю. П. Теория систем и системный анализ: Учеб. пособие. — К.: МАУП, 2003. ( /_tssa/surmin_TSSA.pdf )

Агошкова Е.Б., Ахлибининский Б.В. Эволюция понятия системы. // Вопросы философии, 1998, № 7, с.170-178.

Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. – М.: Радио и связь, 1990. ( /_tssa/Klir_G.djvu )

Корнилов Г.И. Основы теории систем и системного анализа ( /_tssa/kornilov-tssa.doc )

Красов А.В. Теория систем и системный анализ. Методическое пособие.( http :// vgam 2004. narod . ru /_ tssa /_ metod _ posobie . doc )

Волкова В. Н. Теория систем и системный анализ. Учебник для вузов. - М., ЮРАЙТ, 2010 (ЭБС )

Дрогобыцкий И. Н. Системный анализ в экономике. - М., Финансы и статистика, 2007. (ЭБС )

ТССА. Тема 1. Цели, задачи, содержание и основные понятия ТССА

Развитие современных информационных технологий, их проникновение во все сферы человеческой деятельности, разработка и использование универсальных и специализированных информационных систем обусловливает необходимость изучения дисциплины «Теория систем и системный анализ», способной дать студентам обобщенное представление о системах, как в окружающем мире, так и в отдельных отраслях науки, общества, бизнеса и др. областях. Особенно актуально применение системного подхода и системного анализа в экономической сфере, где информация является одним из самых востребованных и дорогих ресурсов, а информационные системы являются основным инструментом для хранения и обработки информации. Кроме того, важность теории систем системного анализа проявляется при решении задач интеграции информационных систем из разных предметных областей в связи с появляющимися новыми задачами, переводом информационных систем на новые аппаратные и информационные платформы.

ТССА, как отрасль науки

ТССА, как отрасль науки, может быть разделена на две, достаточно условные части:

• теоретическую, использующую такие отрасли как теория вероятностей, теория информации, теория игр, теория графов, теория расписаний, теория решений, топология, факторный анализ и др.;

• прикладную, основанную на прикладной математической статистике, методах исследовании операций, системотехнике и т. п. Таким образом, ТССА широко использует достижения многих отраслей науки и этот “захват” непрерывно расширяется.

Вместе с тем, в теории систем имеется свое “ядро”, свой особый метод — системный подход к возникающим задачам. Сущность этого метода достаточно проста: все элементы системы и все операции в ней должны рассматриваться только как одно целое, только в совокупности, только во взаимосвязи друг с другом. Плачевный опыт попыток решения системных вопросов с игнорированием этого принципа, попыток использования "местечкового" подхода достаточно хорошо изучен. Локальные решения, учет недостаточного числа факторов, локальная оптимизация — на уровне отдельных элементов почти всегда приводили к неэффективному в целом, а иногда и опасному по последствиям, результату.

Принцип системности. Аспекты системности

Идея системности формировалась постепенно. Философское ее осмысление предшествовало специально-научным исследованиям. Весомый вклад в ее развитие внесла немецкая идеалистическая философия. Понятие системы применялось в ней главным образом к познанию (гносеологический аспект).

И.Кант разъяснял: наука – не агрегат (т.е. простое множество, группа элементов – типа пассажиров автобуса, стопки кирпичей, вязанки хвороста, кучи камней и т.д.), а система, в которой целое, представляющее собой четкую взаимосвязь соответствующих знаний (компонентов, элементов), гораздо важнее частей.

В науке идеи системности заявили о себе в середине XIX века при исследовании таких сложных, динамичных, развивающихся объектов, как человеческое общество и биологический мир.

Утверждение системных представлений сделало привычным ход исследований от целого к частям.

Система – упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, обладающее структурой и организацией.

Уже это краткое определение показывает, что понятие системы предполагает такие понятия, как элемент и структура.

Элемент – неразложимый далее (в данной системе, при данном способе рассмотрения) компонент (единица анализа) сложных предметов, явлений, процессов.

В настоящее время в науке под элементами понимают любые объекты, связанные с другими объектами в сложный комплекс. Иначе говоря, понятие “элемент” берется как относительное.

Несколько аспектов системности:

1 - системность как свойство реального мира;

2 – системность как упорядоченность знаний о мире;

3 – системность как упорядоченная методология человеческой деятельности.

Подходы к определению понятия «система»

История возникновения понятия (термина) «система». Термин система (от греческого «systema» - целое, составленное из частей; соединение), понимают совокупность элементов, определенным образом связанных, множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Элементами могут являться различные явления, предметы, методы и т.п., и тем самым можно говорить о системах различной природы: солнечная система, система кровоснабжения, система счисления, система управления и т.п.

Выделяют материальные и абстрактные системы.

Материальные системы разделяются на системы неорганической природы (физические, геологические, химические, технические и др.) и живые системы (биологические системы - клетки, ткани, организмы, популяции, виды, экосистемы); особый класс систем - социальные системы (от простейших социальных объединений до социальной структуры общества).

Абстрактные системы - понятия, гипотезы, теории, научные знания о системе, лингвистические (языковые), формализованные, логические системы и др.

Онтологический подход. Система – комплекс элементов, находящихся во взаимодействии и единстве (Л. Берталанфи).

Гносеологический подход. Система – понятие, служащее для воспроизведения в знании целостного объекта (Блауберг И.).

Система есть отражение в сознании субъекта … свойств объектов и их отношений в решении задач исследования, познания (Черняк Ю.).

Методологический подход. Система – совокупность методов, принципов осуществления чего-либо (Словарь русского языка).

Наличие интегративных свойств . « Система – это совокупность элементов и (или) отношений, закономерно связанных в единое целое, которое обладает свойствами, отсутствующими у элементов и отношений его образующих » (А. Холл).

Чтоб жизни суть постичь

И описать точь-в-точь,

Он, тело расчленив,

А душу выгнав прочь,

Глядит на части. Но…

Духовная их связь

Исчезла, безвозвратно унеслась!

Г. Гете, немецкий поэт.

Современное (гносеологическое) определение. "Система S на объекте А относительно интегративного свойства (качества I) есть совокупность таких элементов, находящихся в таких отношениях, которые порождают данное интегративное свойство". (Агошкова Е.Б., Ахлибининский Б.В.)