Системный анализ и его использование

В НАУКЕ И ПРАКТИКЕ

 

С развитием науки и техники, ростом производства различных видов продукции значительно усложнилась проблема принятия решений при выборе вариантов создания и направлений развития сложных технических комплексов (АСУ, САПР и т.п.), а также объектов техники и технологий. Возросла актуальность решаемых проблем, увеличились затраты на их реализацию.

Огромное число факторов конструктивного, технологического и организационно-экономического характера, влияющих на процесс создания объектов техники, предопределяет необходимость использования системного анализа при его рассмотрении.

Актуальность использования системного анализа в сфере создания и освоения отдельных узлов, устройств и других технических систем обусловлена научно-техническим прогрессом, появлением и внедрением все новых технических решений, материалов и технологий. Все это увеличивает число возможных вариантов реализации как отдельных узлов и устройств, так и технических систем в целом.

Системный анализ имеет важное значение при создании и освоении больших сложных человеко-машинных систем. Он рассматривает большую систему как интегрированное целое, целью которого является достижение максимальной эффективности всей системы при гармоничном сочетании противоречивых целей ее составных частей. Это требует большого внимания к проработке проектных решений и крупных затрат на выполнение проектных работ, необходимости применения для формирования и анализа возможных вариантов проектируемых устройств и систем, методов и моделей системного анализа.

Системный анализ - это совокупность научных методов и практических приемов решения проблем в условиях неопределенности, позволяющая принять оптимальное решение при условии учета всех основных факторов и явлений, влияющих на проблему в целом. Он учитывает принципиальную сложность исследуемого объекта, его разветвленные и прочные взаимосвязи с окружающим миром, ненаблюдаемость целого ряда его свойств. Главное в системном анализе - как достичь максимальной эффективности при решении не только трудноразрешимой, но и трудной для понимания проблемы, превращая ее в четкую серию задач с альтернативными вариантами решения. Системный анализ есть методология познания частей на основании целого и целостности, в отличие от классического подхода, ориентированного на познание целого через части.

Системный анализ является междисциплинарной методологией исследований при решении различного рода задач на уровне современных научно-технических требований, в том числе при выполнении комплекса работ по патентным исследованиям, определению технического уровня и научно-техническому прогнозированию, экспертизе объектов техники на патентную чистоту, а также по методологическим основам и организации технического творчества.

Системный анализ как средство исследования сложных проблем был впервые разработан в США в 1948 г. для оптимизации задач военного управления. В дальнейшем тематика исследований систем значительно расширилась. В 50-х годах системный анализ был применен при исследовании хозяйственных проблем американских городов, а с середины 60-х - в федеральных ведомствах США, в деловой, социальной и других сферах. Затем системный анализ начали использовать и в других странах: Англии, Франции, Японии и пр. [5].

Ведущие зарубежные ученые в области системного анализа: Р.Амара, Д.Герц, Э.Квейд, М.Д.Месарович, Ч.Д.Хич, Р.Акоф, Л.фон Берталанфи, К.Чен, Д.Медоуз и др. [6].

В СССР системный анализ получил распространение в 50-х годах. Сферой его применения стали радиоэлектроника, автоматика, средства вычислительной техники, информационные системы, автоматизированные системы управления, системы связи и др. Начиная с 60-х годов в стране издается ежегодник «Системные исследования», где рассматриваются основные методологические проблемы системного анализа. Большой вклад в развитие проблем системного анализа и практики его применения внесли отечественные ученые А.Г.Аганбегян, Л.В.Канторович, Д.М.Гвишиани, С.В.Емельянов, Н.Н.Моисеев, Г.С.Поспелов, Л.Н.Сумароков, Г.В.Шорин, В.М.Глушков, Е.П.Голубков, Ю.И.Черняк, В.Н.Садовский, В.В.Дружинин, А.А.Ляпунов, И.В.Блауберг, А.И.Уемов и многие другие.

В настоящее время системный анализ широко используется при принятии решений в теоретических и прикладных исследованиях и разработках, в различных областях человеческой деятельности: в науке, технике, экономике, биологии, медицине, истории, политике, военном деле и др.

Системный анализ формирует у специалистов навыки экономически грамотного подхода к делу, позволяет соединить технику и экономику, учитывать соотношение между целями и возможностями и направлен на получение оптимального технико-экономического решения.

Системный анализ - это совокупность методологических средств и процедур, используемых для подготовки, обоснования и осуществления решений по сложным проблемам самого различного характера. Процедуры и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решения проблем, выявление масштабов неопределенности по каждому из вариантов и сопоставление их по тем или иным критериям эффективности [7].

Важнейшие этапы системного анализа заключаются в следующем: 1) процесс принятия решений должен начинаться с выявления и четкого формулирования конечных целей, а также критериев, по которым может оцениваться их достижение; 2) необходимо рассматривать всю проблему как целое, т.е. как единую систему, и выявлять все последствия и взаимосвязи каждого частного решения; 3) необходимы выявление и анализ возможных альтернативных путей достижения цели; 4) цели отдельных подсистем не должны вступать в конфликт с целями всей системы.

Центральной процедурой в системном анализе является построение обобщенной модели (или моделей), отображающей все те же факторы и взаимосвязи реальной ситуации, которые могут проявиться в процессе осуществления решения. Полученная модель исследуется для выяснения того, насколько близок результат применения какого-либо альтернативного варианта к желаемому, каковы сравнительные затраты ресурсов и времени по каждому из вариантов, какова степень чувствительности модели к различным нежелательным внешним воздействиям.

Системный анализ опирается на ряд прикладных математических дисциплин и методов, широко используемых в современной практике управления, - исследование операций, теорию принятия решений, теорию графов и т.п. Техническими средствами системного анализа являются современные вычислительные машины и информационные системы.

Практическая ценность и эффективность системного анализа обусловливаются возможностью достаточно строго рассматривать слабо структурированные, имеющие большую долю неопределенности ситуации [7]. Системный анализ охватывает широкий круг исследований, большое разнообразие применяемых методов.

В научно-технической литературе определилось два направления в толковании сущности системного анализа, его отличительных особенностей и границ применения.

1. Делается упор на математический аппарат, и под системным анализом подразумевается исследование, задача которого состоит в том, что количественно определить наилучшую стратегию управления, исходя из математического критерия оптимальности. Основа такого исследования - в описании сложной системы с помощью формальных средств (диаграмм, сетей, математических уравнений).

2. Делается упор на логику системного анализа и подчеркивается неразрывная связь его с процессом принятия решений - выбором определенного образа или курса действия из нескольких возможных альтернативных вариантов [8]. Логический системный анализ рассматривается как методология уяснения и упорядочения - структуризации проблемы, которую предстоит решить с применением или без применения математики и ЭВМ.

При этом в понятие структуризации вкладывается, с одной стороны, выяснение реальных целей самой системы, альтернативных путей достижения этих целей и взаимосвязей между компонентами в процессе реализации каждого альтернативного варианта, с другой - углубленное понимание внешних условий, в которых возникла проблема, а отсюда - последствий и границ осуществления того или иного решения.

Логический системный анализ применяется для решения «слабо структурированных» проблем, в постановке которых много неясного и неопределенного и потому их невозможно представить в полностью математизированном виде.

Этот анализ дополняется математическим анализом систем и другими методами анализа, например статистическими, логическими. Однако область его применения и методология осуществления отличаются от предмета и методологии формально-математических системных исследований.

Понятие «системный» применяется потому, что исследование строится исходя из категории «система».

Термин «анализ» используется для характеристики процедуры исследования, которая состоит в разделении сложной проблемы на отдельные, более простые подпроблемы, в использовании наиболее подходящих специальных методов для их решения, которые позволяют затем построить, синтезировать общее решение проблемы.

Системный анализ содержит в себе элементы, присущие научным, в частности количественным, методам, а также интуитивно-эвристическому подходу, целиком зависящему от искусства и опыта исследователя.

По определению Аллэна Энтховена: «Системный анализ - это не что иное, как просвещенный здравый смысл, на службу которого поставлены аналитические методы. Мы применяем системный подход к проблеме, стремясь максимально широко исследовать стоящую перед нами задачу, определить ее рациональность и своевременность, а затем снабдить того, кто отвечает за принятие решения, той информацией, которая наилучшим образом поможет ему выбрать предпочтительный путь в решении задачи» [9].

Присутствие субъективных элементов (знания, опыт, интуиция, предпочтения) связано с объективными причинами, которые вытекают из ограниченной возможности применения точных количественных методов ко всем аспектам сложных проблем.

Эта сторона методологии системного анализа представляет существенный интерес.

Прежде всего, основным и наиболее ценным результатом системного анализа признается не количественно определенное решение проблемы, а увеличение степени ее понимания и сущности различных путей решения. Это понимание и различные альтернативы решения проблемы вырабатываются специалистами и экспертами и представляются ответственным лицам для ее конструктивного обсуждения. Системный анализ включает методологию проведения исследования, выделение этапов исследования и обоснованный выбор методики выполнения каждого из этапов в конкретных условиях. Особенное внимание в этих работах уделяется определению целей и модели системы и их формализованному представлению.

Задачи исследования систем можно разделить на задачи анализа и задачи синтеза.

Задачи анализа заключаются в исследовании свойств и поведения систем в зависимости от их структур, значений параметров и характеристик внешней среды.

Задачи синтеза заключаются в выборе структуры и таких значений внутренних параметров систем, чтобы при заданных характеристиках внешней среды и других ограничениях получить заданные свойства систем.

Основные понятия системного анализа

Элемент. Под элементом понимается простейшая неделимая часть системы или предел членения системы с точки зрения решения конкретной задачи или поставленной цели. Элементами системы могут быть понятия, технические объекты, субъекты(люди), а также совокупность их свойств или отношений.

Подсистема. Система может быть расчленена на отдельные подсистемы, являющиеся частями системы, способными выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы.

Подсистема должна обладать свойствами системы и может рассматриваться как самостоятельная система нижележащего уровня иерархии по сравнению с изучаемой системой. Этим подсистема отличается от простой группы элементов, которая не объединена общей подцелью и для которой не выполняется условие целостности (такая группа носит название компоненты).

Граница. Любая реально существующая система отделена от внешней среды некоторой границей (необязательно ей принадлежащей). Граница является особой функциональной подсистемой (кожа человека, служба охраны государственной границы и т.д.). Наличие границы есть одно из необходимых условий существования системы. Границы системы определяются подсистемами, находящимися под контролем лица, принимающего решение (например «самолет-пилот»).

Внешняя среда. На первых этапах исследования важно отделить (отграничить) систему от среды, с которой взаимодействует или будет взаимодействовать система.

Внешняя среда определяется факторами, влияющими на анализируемую систему, но находящимся вне сферы влияния лица, принимающего решение (например атмосфера и система «самолет-пилот»).

С позиций системного анализа при рассмотрении сложного объекта необходимо учитывать всю совокупность внешних факторов, определяющих связь объекта с внешней средой и другими системами. Внешние факторы оказывают влияние на принятие решения при проектировании и освоении объекта и определяют функциональные и физические требования к нему.

Совокупное системное окружение обычно делится на три части: 1) физическое и техническое; 2) экономическое; 3) социальное.

Под физическим и техническим окружением понимают совокупность ограничений, связанных с физической или технической реализацией объекта. К ним относятся ограничения на тактико-технические характеристики и параметры объекта, определяющие область его функционирования, а также ограничения, определяющие физическую реализуемость проекта [10].

Физическое и техническое окружение может включать: существующие системы, методы их производства, применения, монтажа, эксплуатации, ремонта, а также прогнозы их развития; принятые технические стандарты, инструкции, технические условия; состояние технологии и природное окружение. Природное окружение состоит из огромного числа факторов, которые влияют на систему, налагают ограничения на ее конструкцию. К ним относятся: виды и запасы естественного сырья, физическая география, растительный и животный мир, климат, включающий в себя температуру, давление, влажность, солнечную радиацию, ветер, осадки, молнии и т.п.

Физические и технические факторы делятся на внутренние (внутри данной системы, организации, отрасли) и внешние. Всякий раз, когда решается вопрос о создании новой системы, проводятся исследования не только технической, но и экономической осуществимости, включающей, в том числе, организационную структуру, кадры, политику, ценообразование, коммерческие операции.

Экономическое окружение составляет всю экономическую сторону проекта - стоимость проектируемого объекта, затраты на материалы, покупные изделия, производство, экономическую эффективность и т.д.

Социальное окружение составляет такую совокупность ограничений, которые определяются социальным заказом на проектируемое изделие. Сюда следует отнести ограничения по технике безопасности, охране труда и окружающей среды, патентно-правовые ограничения и др., учитывающие как индивидуальные, так и общечеловеческие факторы.

Специфика системного анализа состоит, в первую очередь, в разделении собственно системы и среды и в относительности такого разделения. Разделение системы и среды (окружения) связывается с рассмотрением системы на том или ином иерархическом уровне. Это значит, что на каждой ступени детализации под системой понимается та часть сложного устройства, поведение которой нас интересует, а под средой - все объекты, внешние по отношению к рассматриваемой части устройства и взаимодействующие с ней.

Структура (строение, расположение, порядок). При исследовании объекта (системы) чаще всего ставится задача выяснения того, что представляет собой объект или процесс, что в нем обеспечивает выполнение поставленной цели. Техническая система представляет собой комплекс взаимосвязанных технических средств, обеспечивающих преобразование массы, энергии и информации для достижения цели. Структура определяется элементным составом и совокупностью устойчивых связей, объединяющих элементы системы; она отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и подсистемами, которые обеспечивают существование системы и ее основных свойств.

Структурная модель объекта может быть выражена графически, в виде матриц, графов, номограмм и других языков моделирования структур.

Одна и та же система может быть отображена разными структурами в зависимость от этапа представления объекта в виде системы, от аспекта представления, от цели ее создания.

В случае многоцелевых ситуаций можно построить несколько иерархических структур, соответствующих разным целям, и при этом в разных структурах могут принимать участие одни и те же компоненты. Кроме того, даже при одной и той же цели, если иерархическую структуру формируют разные исследователи, то в зависимости от их предшествующего опыта, квалификации и знания системы они могут получить разные иерархические структуры.

Связь. Это понятие входит в любое определение системы и характеризует и ее строение (статику), и функционирование (динамику). Связь можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом). По первым двум признакам можно разделить связи на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру - на связи подчинения, связи 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. Очень важную роль в системах играют обратные связи, хорошо знакомые всем инженерам.

Взаимодействия (обмены). Взаимные связи отдельных структурных образований устанавливаются посредством взаимодействий, которые носят всеобъемлющий обменный характер. Классическими примерами обменов могут служить процессы взаимодействия элементарных частиц, обмены электронов атомов при образовании молекул, обмены веществом и энергией в технологических системах, обмены стоимостями в экономике и т.д.

Информационная природа обменов. Само существование системы предполагает ее проявление, выделение среди других систем (т.е. рефлексию не только во внутрь, но и во вне). В этом смысле каким бы ни было по своей природе (физическим, экономическим, социальным и т.п.) взаимодействие, оно по сути своей всегда будет информационным.

Состояние. Этим понятием обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Состояние характеризуется значениями признаков системы в данный момент времени. Если обозначить элементы (компоненты, функциональные блоки и т.п.), определяющие состояние системы, через Е, и учесть, что «входы» можно разделить на управляющие Y и возмущающие X (неконтролируемые) и что «выходы» (выходные) результаты, сигналы - g зависят от E, Y и X, т.е. gt = f(Et, Yt, Xt), то в зависимости от задачи состояние может быть определено как {E,Y}, {E,Y,g} или {E,Y,X,g} [10].

Множество состояний системы может быть конечным, счетным или континуальным (непрерывная совокупность, например все точки на прямой).

Поведение. Изменение состояний системы во времени называют поведением. Когда неизвестны закономерности переходов из одного состояния в другое, это значит, что система обладает каким-то поведением и необходимо выяснить эти закономерности. Таким образом, поведение системы есть развернутая во времени последовательность реакций системы на внешнее воздействие.

Равновесие это способность системы сохранять свое состояние сколь угодно долго при отсутствии внешних возмущающих воздействий или при постоянных воздействиях.

Устойчивость - это способность системы возвращаться в состояние равновесия после выведения ее из этого состояния под влиянием внешних возмущающих воздействий. Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия.

Развитие. Процессы в системах могут протекать эволюционно, т.е. иметь тенденцию к развитию в направлении увеличения сложности, и энтропийно, т.е. иметь тенденцию к постепенному рассеянию и уменьшению степени организации. Эволюция свойственна открытым системам, имеющим вход и выход, а энтропийные процессы присущи лишь замкнутым системам.

Цель - заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека (БСЭ), одна из центральных категорий системного анализа. Цель зависит от объективных законов действительности, реальных возможностей и применяемых средств. В зависимости от стадии познания объекта, от этапа исследования в понятие «цель» вкладывают различное толкование - от идеальных устремлений до конкретных целей - результатов, достижимых в пределах некоторого интервала времени, которые иногда даже формулируются в терминах конечного продукта деятельности. Поэтому в практических исследованиях нужно прежде всего оговорить, в каком смысле на данном этапе рассмотрения системы используется понятие «цель».

Цель, вытекающая из возникшей проблемы, дает объективный критерий для отбора того, что должно войти в систему из окружающей среды. Из бесконечного мира в систему включается только конечное число элементов, которое необходимо для функционирования системы, обеспечивающей достижение цели.

Необходимо заметить, что установление цели для определения системы является сложным процессом и часто не поддается строгой формализации. Иногда в рамках рассматриваемой системы не удается установить вид целевой функции, в этом случае надо переходить к большей системе, включающей рассматриваемую как часть.

Понятие цели тесно связано с понятиями целенаправленности, целесообразности.

Критерий - мерило, точка зрения, т.е. правило (или норма), по которому отбирается те или иные средства достижения цели. В общем случае цель указывает направление действия (например, повысить качество обработки полупроводниковых пластин, повысить производительность установки флюсования), а критерий дополняет понятие цели и указывает эффективный способ ее достижения (за счет снижения числа поверхностных дефектов, за счет наиболее быстрого выведения флюса на нужный уровень). Если имеется достаточная информация о критериях и они являются количественными, то можно связать аналитическим выражением цель и средства ее достижения, что будет представлять собой критерий эффективности или критерий функционирования системы. Если нужно удовлетворить не одно требование, то выражения получаются путем некоторого объединения критериев.

Критерии эффективности позволяют решать вопросы выбора средств для достижения цели путем оптимизации аналитических выражений различными методами. Однако значительная часть критериев носит качественный характер, поэтому такого аналитического выражения получить не удается [5].

Рассмотренные понятия и термины составляют основу понятийного аппарата и языка системного анализа.