Основы системного анализа и моделирование сложных систем и процессов

В середине XX века в науке сложился специфический и весьма плодотворный подход к изучению объектов, явлений и процессов большой степени сложности, в котором реализованы принципы целостного рассмотрения явлений и процессов во всей сложности, взаимосвязи и взаимообусловленности их развития. Он получил название системного подхода. Начало такому подходу было положено Д.И. Менделеевым (1834-1907), Е.С. Федоровым (1853-1919), А.А. Богдановым (1873-1928), Л. Берталанфи (1901-1972) и др.

В настоящее время существует обширная научная литература, с различных точек зрения рассматривающая концепцию системного подхода и связанных с ним понятий, обусловливая его роль и место в современных научных исследованиях, в развитии теории познания и т. п.

Системный подход чаще всего рассматривается как методология исследования и решения сложных проблем, основанная на общей теории систем, под которой понимается совокупность общих методологических принципов построения знаний о системных объектах. При этом, как известно, под методологией понимается и учение о принципах и методах научного исследования, познавательного процесса (методология познания вообще), и совокупность приемов исследования, принципов в какой-либо конкретной научной дисциплине.

В основе всех этих представлений лежит понятие системы. При всей важности данного понятия для науки в настоящее время не существует единого общепринятого определения термина “система”. В литературе можно встретить десятки определений этого термина: от весьма абстрактных, используемых в общей теории систем, до относительно популярных, рассматривающих его содержательный аспект. Иногда предпринимаются попытки дать классификацию существующих определений понятия “система” с тех или иных позиций. Эти различия трактовок понятия “система”, как и понятий “системный подход”, “системный анализ”, вполне объяснимы и совершенно естественны, так как отражают непосредственные интересы представителей различных научных дисциплин (общественных, естественных, технических), использующих плодотворную методологию системного подхода в разнообразных конкретных исследованиях. Поэтому не будем пытаться, в свою очередь, дать сколько-нибудь подробный анализ существующих трактовок понятия “система” и связанных с ним понятий, а приведем только наиболее приемлемые для целей данного учебника определения и формулировки, которые будут использованы в дальнейшем изложении.

Под системой будем понимать целостное множество (совокупность) объектов (элементов), связанных между собой определенными отношениями и взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторой достаточно сложной функции (достижение определенной цели).

Целостность означает, что относительно окружающей среды система выступает и соответственно воспринимается как нечто единое.

Обязательными компонентами любой системы являются составляющие ее элементы и связи между ними. Процесс расчленения системы на элементы (подсистемы) и само понятие элемента условны и относительны, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элементов. В результате первого акта разбиения (декомпозиции) системы образуются подсистемы (блоки) первого уровня. В процессе второго акта подсистемы первого уровня разбиваются на подсистемы второго уровня и т. д. В итоге исследуемую систему можно представить в виде дерева подсистем различных уровней. Поскольку все подсистемы и элементы, из которых состоит система, определенным образом взаиморасположены и взаимосвязаны, образуя данную систему, можно говорить о структуре системы. Структура системы - это то, что остается неизменным в системе при изменении ее состояния, реализации различных форм поведения, совершении операций и т. п.

Любая система имеет, как правило, иерархическую структуру, т. е. может быть представлена, как говорилось выше, в виде совокупности подсистем разного уровня, расположенных в порядке постепенности. При анализе тех или иных конкретных систем достаточным оказывается выделение некоторого определенного числа ступеней иерархии. При этом системы низшего уровня являются подсистемами систем более высокого уровня, вплоть до так называемой суперсистемы, находящейся на верхней ступени иерархической структуры.

Когда речь идет о конкретной системе, всегда имеют в виду некоторую относительно обособленную часть суперсистемы, реализующую определенные функции и состоящую из конечного множества элементов - носителей определенных свойств. Все, что лежит вне этой обособленной системы, рассматривается как внешняя среда, взаимодействующая с данной конкретной системой.

Внешняя (или окружающая) среда - это множество не входящих в систему объектов, изменение свойств которых может менять состояние системы. Объектами среды могут быть такие, которые влияют на поведение системы и на которые влияет сама система. Иными словами, с частью среды система в том или ином смысле может взаимодействовать. Внешние объекты, не влияющие на существенные свойства системы, на которые система также не влияет, не относятся к среде. Что из объектов отнести к системе, а что к окружающей среде, целиком зависит от цели исследования. Например, средой для исследуемой системы могут быть взаимодействующие с ней другие системы, в том числе системы высшего уровня.

В теории систем рассматривают различные типы и классы систем. Например, в зависимости от степени и практической значимости влияния окружающей среды на систему, т. е. на ее поведение, процесс функционирования, системы подразделяются на открытые и закрытые (замкнутые).

Процессы, протекающие в открытых системах, в значительной степени определяются влиянием внешней среды и сами оказывают на нее существенное воздействие (в отличие от закрытых систем, которые в процессе функционирования используют только ту информацию, которая вырабатывается внутри самой системы).

Системы функционируют в пространстве и во времени. Процесс функционирования системы представляет собой изменение состояния системы, переход ее из одного состояния в другое. В соответствии с этим системы подразделяются на статические и динамические.

Статическая система - это система с одним возможным состоянием. Динамическая система - это система с множеством состояний, в которой с течением времени происходит переход из одного состояния в другое. Строго говоря, все реальные (физические) системы являются динамическими.

В теории систем различают так называемые простые, большие и сложные системы (хотя четкие границы между этими типами систем провести невозможно).

Под простой системой понимают такую систему, функционирование которой (в рамках конкретной задачи) можно исследовать как нечто целое, без разбиения ее на более мелкие подсистемы.

Большой называют систему, которую трудно исследовать без расчленения на более простые подсистемы. После такого расчленения функционирование подсистем можно исследовать практически независимо друг от друга.

Однако существуют такие системы, функционирование компонентов которых настолько взаимообусловлено и взаимосвязано, что изолированное рассмотрение процессов их функционирования либо просто невозможно, либо приводит к ошибочным выводам. Такие системы называют сложными.

Таким образом, большими и сложными называют системы с разветвленной структурой и значительным количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. При этом считают, что большие системы переходят в сложные по мере усиления взаимовлияния составляющих их компонентов.

Подчеркнем еще раз, что большинство авторов не видит существенных различий между понятиями большая и сложная система и склонны считать эти термины синонимами. Существуют и другие точки зрения. Например, считают, что величина системы отражает лишь количество ее элементов и связей между ними, а сложность характеризует неоднородность этих элементов и связей. Следовательно, сложную систему невозможно исследовать иначе, чем по подсистемам, не только потому, что ее “не охватишь взглядом”, но потому, что неоднородность каждой из них требует для своего описания иного языка.

Одним из признаков сложности системы считают возможность ее разбиения на подсистемы (по различным признакам: структурным, функциональным и т. п.). Другим признаком сложности считают свойство целостности системы. Это значит, что изменения, возникающие в каком-либо из ее элементов, сказываются и на других элементах, на функционировании всей системы. Отсюда вытекает необходимость системного подхода к изучению сложных систем, что в данном случае означает исследование каждой части системы с учетом целей и функционирования системы в целом. Изучение таких систем особенно затрудняется тем, что в них действует множество разнородных факторов, приводящих к различным по природе, но тесно взаимодействующим процессам.

Важнейшими свойствами сложных систем являются: иерархичность организации, целенаправленность функционирования, большое число элементов, наличие информационной связи между элементами, наличие взаимодействия между ними. Иногда к числу свойств сложных систем добавляют способность к самоорганизации (самоуправление), под которой понимают способность системы на основе информации о внешней среде последовательно изменять структуру или значения своих параметров таким образом, чтобы в большей степени соответствовать своему целевому назначению.

Систему, обладающую такими свойствами, называют также кибернетической.

Завершая краткий обзор основных типов и классов систем, рассмотрим так называемые самодействующие, т. е. системы, способные совершать операции, работы, процедуры, обеспечивать заданное течение технологических и других процессов, а следовательно, решать задачи и достигать поставленных целей. Самодействующие системы подразделяются на два основных класса: организационные и технические. Технические системы способны решать поставленные перед ними человеком задачи без его участия (например, автоматическая установка пожаротушения). Организационные системы (или системы организационного управления) - это такие системы, в состав которых входят люди (чаще всего это человеко-машинные системы).

По поводу организации управления в сложных системах сделаем следующее замечание. Сложные системы, являясь иерархическими по своей структуре, могут иметь разбиение на подсистемы по признакам, не связанным с этой иерархией, например по функциональным признакам. Система же управления в таких системах (сама являющаяся сложной системой) всегда имеет иерархическую структуру, что связано с возможностями централизации и децентрализации отдельных функций системы.

С учетом рассмотренных здесь в весьма краткой форме основных понятий теории систем можно сказать, что системный подход ориентирован на исследование какой-либо системы как единого целого, когда изучаются принципы организации элементов в целостную систему, а функционирование каждой подсистемы и отдельных элементов рассматривается с точки зрения главной цели, стоящей перед системой. Только используя системный подход, можно получить достаточно полное представление о процессах функционирования сложных систем.

Наряду с понятием “системный подход” существует и широко используется в научной литературе понятие ”системный анализ”, причем нередко допускается смешение этих понятий, что неверно. Системный подход представляет собой современную общенаучную методологию исследования сложных объектов (систем). Общая теория систем - это междисциплинарная теория, обобщенно описывающая системы различных типов и классов и разрабатывающая специфические методы их анализа. Системный анализ можно рассматривать как конкретную реализацию системного подхода на основе идей и методов теории систем, т. е. как совокупность определенных методов и приемов, используемых для исследования процесса функционирования различных сложных систем с целью его совершенствования.

Полезно отметить, что “...системный анализ - это дисциплина не математическая. Он адаптирует, впитывает методы, основанные на анализе формализованных моделей. Но этим далеко не исчерпывается. Как всякая синтетическая дисциплина, он широко опирается на неформальные процедуры и использует вербальное, качественное описание”*.

В последние годы кроме понятия ”сложная система” в прикладной математике было введено понятие ”сложный процесс”. В частности, сложным процессом называют такой процесс, который является совокупностью нескольких одновременно протекающих взаимосвязанных, но разномасштабных по времени процессов, для изучения которых (для построения их моделей) необходимы отличающиеся на порядки характерные масштабы осреднения величин по времени.

Завершая этот параграф, можно сказать, что в большинстве случаев анализ и изучение сложной системы, как правило, сопровождается анализом и изучением сложного процесса, каковым является процесс функционирования этой системы.