Теория систем и системный анализ

1.

Теория систем и системный
анализ
лекционный материал для студентов
информационных специальностей

2.

Лекции, задания и дополнительные материалы
выкладываются на портале ЭОР:

3.

Содержание лекции:
1. Темы, которые предполагается
рассмотреть в рамках дисциплины.
2. Предпосылки и причины возникновения
Общей теории систем как научного
направления.
3. Предмет исследования теории систем и
системного анализа.
4. Взаимосвязи с родственными
дисциплинами.

4.

1. Темы, которые предполагается
рассмотреть в рамках изучения
дисциплины
- Системность в природе и обществе
(предмет теории систем и системного
анализа, основные понятия теории систем,
примеры
классификации
систем,
основные системные закономерности).
- Методы моделирования систем (модель
«черный ящик», интуитивно-опытные и
математические методы).

5.

- Шкалы измерений (классификация,
применение).
- Составляющие
и
особенности
процесса принятия решения.
- Принятие
решений
в
условиях
определенности на примере Метода
анализа иерархий.
- Принятие
решений
в
условиях
неопределенности и риска на примере
метода деревьев решений.
- Игра с природой как модель ситуации
принятия решений при различном
уровне информированности ЛПР.

6.

Тематика контрольных и
лабораторных работ
1. Построение и анализ дерева целей (лаб.1)
2. Построение и анализ матрицы БКГ как пример
качественного метода анализа экономических
систем (1 КТ)
3. Ситуационный (SWOT-) анализ и его практическое
применение (лаб.2)
4. Метод анализа иерархий и его особенности (2 КТ)
5. Принятие решений в условиях неопределенности и
риска с использованием деревьев решений (3 КТ)
6. Игры с природой как инструмент принятия
решений (лаб.3, 3 КТ)

7.

Как сдавать работы?
Лабораторные работы сдаем в установленные сроки во
время занятия (позже работа не принимается),
показывая результаты и отвечая на вопросы.
Максимальная оценка за работу = 5 баллов, сдача
лабораторной не обязательна, но повышает рейтинг.
Если студент заболел, работу можно выложить в
«обмен файлами» на сайте дисциплины на портале
ЭОР, на первичную оценку 2-3 балла и при наличии
справки сдать позже (до консультации). Максимальная
оценка за контрольную = 10 баллов, сдача и защита
обязательна для допуска к экзамену. Высылаем их в
«задания»
на
портале
ЭОР.
Просроченные
контрольные точки оцениваются не выше 7 баллов.

8.

2. Предпосылки и причины возникновения
Общей теории систем как научного
направления
С понятием «система» человек постоянно
сталкивается как в научных исследованиях
и при решении сложных практических
задач, так и на бытовом уровне, в
повседневной жизни. Системы окружают
нас повсюду.

9.

Потребность
в
использовании
термина
«система» возникает в тех случаях, когда
нужно подчеркнуть, что что-то является
большим, сложным, не полностью сразу
понятным, при этом целым, единым. В отличие
от понятий «множество», «совокупность»
понятие
системы
подчёркивает
упорядоченность,
целостность,
наличие
структуры,
закономерностей построения,
функционирования и развития.

10.

Пример: группа людей призывного возраста,
обмундирование (куча одежды и обуви), куча
оружия, здания – еще не система.
Если этих людей одеть,
организовать (обучить
подчиняться командам
и владеть оружием,
поселить в казармы…),
получится
боеспособная система
(рота, взвод и т.д., в
зависимости от
численности и
структуры).

11.

Первобытный человек, взаимодействуя со своим природным
и социальным окружением, уже был способен к системному
мышлению, когда он выбирал место для жилища (стоянки),
разрабатывал «сценарий» будущей охоты, планировал
переселение или выбирал вождя племени.

12.

Первые научные и документально оформленные представления о
системах возникли в античной философии, выдвинувшей онтологическое
истолкование системы как упорядоченности и целостности бытия. Ещё в
древнегреческой
науке
(Евклид,
Платон,
Аристотель,
стоики)
разрабатывалась идея системности знания (аксиоматическое построение
логики, геометрии).
Аристотель: «Целое больше
суммы своих частей».
Система (по древнегречески
σύστημα) –дословно: целое,
составленное из частей;
соединение.
Одно из кратких ее определений:
система – множество
элементов, находящихся в
отношениях и связях друг с
другом, которое образует
определённую целостность,
единство.

13.

Греческими учеными была разработана т.н. Геоцентрическая система
мира. Она считалась общепринятой моделью Солнечной Системы в
течение столетий. Эта модель также называется Птолемеевой системой
мира в честь греческого ученого и философа Клавдия Птолемея, невзирая
на то что теория существовала за годы до него. Геоцентрическая система
мира размещает Землю в центре Вселенной с Солнцем, Луной и
планетами, кружащими вокруг нее. Причина популярности
геоцентрической системы состоит в том, что она объясняла многие
наблюдения, проводимые древними греками. Например, почему
объекты падают в направлении Земли (гравитация), почему Венера,
кажется, остается на одном и том же расстоянии от Земли, основываясь на
ее неизменной яркости. Еще одна причина, почему эта модель оставалась
популярной так долго, - потому что она соответствовала взглядам
иерархов Римской Католической Церкви.

14.

Гелиоцентрическая
система
мира,
которая означает, что Солнце находится в
центре,
постепенно
заменила
геоцентрическую систему мира. Эта новая
система «размещает» Солнце в центре
Солнечной Системы с Землей и всеми
другими планетами, вращающимися по
орбитам вокруг него. Хотя идея
гелиоцентрической
системы
мира
появилась еще в 200 году до н.э., она не
получила популярности до 16-го века. В
16-м веке астроном Николай Коперник,
основываясь на работах древних ученых,
опубликовал
основные
положения
гелиоцентрической теории в книге "О
вращении небесных сфер», положившей
начало первой научной революции.
Впоследствии претерпела изменения.
Страница трудов Н. Коперника

15.

Система аксиом Евклида изложена в его основном
труде - «Началах» (в латинизированной форме —
«Элементы») и содержит систематическое изложение
планиметрии, стереометрии и ряда вопросов теории
чисел. В ней он подвёл итог предшествующему
развитию древнегреческой математики и создал
фундамент дальнейшего развития математики.
Например, геометрия в «Началах» строится как
выводная система знаний, в которой все
предложения последовательно выводятся одно за
другим по цепочке, опирающейся на небольшой набор
начальных утверждений, принятых без доказательства
(постулатов или аксиом). Согласно Аристотелю, такие
начальные утверждения «должны иметься, так как
цепочка вывода должна где-то начинаться, чтобы не
быть бесконечной».

16.

Примеры аксиом Евклида:
Аксиома принадлежности. Через любые две точки на плоскости
можно провести прямую и притом только одну.
Аксиома порядка. Среди любых трёх точек, лежащих на
прямой, есть не более одной точки, лежащей между двух других.
Аксиома конгруэнтности (равенства) отрезков и углов. Если
два отрезка (угла) конгруэнтны третьему, то они конгруэнтны
между собой.
Аксиома параллельных прямых. Через любую точку, лежащую
вне прямой, можно провести другую прямую, параллельную
данной, и притом только одну.
Аксиома непрерывности (аксиома Архимеда). Для любых двух
отрезков
AB
и CD
существует конечный набор
точек A1 , A2 ,…, An , лежащих на прямой AB, таких, что
отрезки AA1 , A1A2 ,…, An - 1An конгруэнтны отрезку
CD, a точка B лежит между A и An .
Следует подчеркнуть, что замена одной из этих аксиом на
другую,
превращает
её
в
теорему,
уже
требующую доказательства. Так, вместо аксиомы параллельных
прямых можно использовать в качестве аксиомы свойство углов
треугольника («сумма углов треугольника равна 180º »). Но тогда
необходимо доказывать аксиому о параллельных прямых.

17.

Примеры неевклидовых геометрических систем:
- геометрия Лобачевского;
- геометрия Римана.
В геометрии Лобачевского сумма внутренних углов любого треугольника
меньше 180°; в геометрии Римана эта
сумма больше 180°(в евклидовой геометрии она равна двум прямым).

18.

Идеи
и
представления
о
системности
бытия,
появившиеся у античных авторов, продолжили развиваться
как в концепциях средневековых философов и далее – в
трудах Б. Спинозы и Г. Лейбница, в построениях научной
систематики 17—18 вв., стремившейся к естественной (а не
теологической) интерпретации системности мира (пример:
классификация растений К. Линнея). Согласно И. Канту,
«научное знание есть система, в которой целое главенствует
над
частями».
системность
Ф.
Шеллинг
познания
как
диалектического мышления.
и
Г.
Гегель
трактовали
важнейшее
требование

19.

В буржуазной философии 2-й половины XIX и начала XX вв. при
общем идеалистическом решении основного вопроса философии
содержатся постановки, а в отдельных случаях и решения некоторых
проблем системного исследования – специфики теоретического знания
как
системы
(неокантианство),
гештальтпсихология),
особенностей
целого
построения
логических
методов
(холизм,
и
формализованных систем (неопозитивизм). В противовес этому, в
марксистской философии основой исследования систем являются
принципы материалистической диалектики – всеобщей связи
явлений, развития, противоречия и др. (К. Маркс и Ф. Энгельс).
Следующий важный вклад в становление системных представлений внес
в
начале
XX
в.
А.А.
Богданов,
организационную науку – тектологию.
предложивший
всеобщую

20.

Определяющее значение для развития теории систем имели
достижения промышленной революции,
а также, великие
естественно-научные открытия конца XVIII - начала XIX века.
Среди них важнейшими являются три основных открытия:
закон сохранения и превращения энергии (впервые показал
взаимосвязь независимо существовавших в сознании человека
природных явлений - механической работы, теплоты,
электричества, химических процессов, объединив их понятием
”энергия”; для каждого вида энергии закон сохранения может
иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку),
теория клеточного строения живых организмов (которая
принципиально изменила многие представления о процессе
возникновения и роста организмов), эволюционное учение
Дарвина (естественно-научное обоснование возникновению
приспособительных признаков, которое открыло новый подход к
изучению закономерностей развития всей живой природы).

21.

Со 2-й половины XIX в. началось интенсивное
проникновение понятия системы в различные
области конкретно-научного знания. Помимо
упомянутых
выше
открытий,
немаловажное
значение для этого имело появление периодической
системы химических элементов Д.И. Менделеева,
возникновение и развитие теории относительности,
квантовой физики, и т. п. Актуальной становится
задача строгого определения понятия системы и
разработки методов анализа систем, которая
полностью не решена до сих пор.

22.

Последующие предпосылки
возникновения ОТС (общей теории
систем):
достижения формальной логики
в XIX в.
отдельные научные дисциплины
достигли уровня развития,
позволившего обнаружить в них
общие подходы и схожие теории
(начало XX в.).
возникновение теории
информации (середина XX в.).
возникновение формальной
лингвистики и языков
программирования (XX в.).

23.

Потребность в возникновении общесистемной
дисциплины продиктована причинами:
Потребность в языке междисциплинарного обмена знаниями:
физика - химия - биология (начало XX в.),
экономика - социология - психология (середина XX в.),
экономика - биология - термодинамика (XX в.);
Сложные инженерные проекты
До
XX
в.
в
качестве
междисциплинарного
формализованного языка использовалась математика, но её
средств оказалось недостаточно для эффективного
переноса знаний между вышеуказанными дисциплинами. В
40—50-х гг. ХХ в. для удовлетворения потребностей
энергетики, инженерных дисциплин, электроники и
кибернетики продолжились интенсивные исследования в
этом направлении.

24.

Большинство систем в природе сочетают
два свойства:
- во-первых, они очень велики, часто
многогранны, многообразны и сложны,
- а во-вторых они формируются под
действием очень небольшого количества
простых закономерностей, и далее
развиваются, подчиняясь этим простым
закономерностям. В полной мере это
относится и к обществу.

25.

Пример. Фракталы с одной стороны — сложные
(содержащие бесконечно много элементов), с другой стороны
— построенные по очень простым законам. Благодаря этому
свойству, фракталы обнаруживают много общего со многими
природными объектами. Но фрактал выгодно отличается от
природного объекта тем, что фрактал имеет строгое
математическое определение и поддаётся строгому описанию
и анализу.
Также опыт применения фракталов в подобных (таких,
например, как нейронные сети в человеке) по сложности
описания динамических нелинейных системах показал, что
их использование эффективно и целесообразно.

26.

Предшественники и основоположники
Александр Богданов (Малиновский)
→«Тектология: всеобщая организационная
наука»
Владимир Бехтерев → 23 универсальных
закона (в природе и неорганическом мире)
Владимир Вернадский →Учение о
биосфере
Норберт Винер → «Кибернетика, или
управление и связь в животном и машине»
Уильям Росс Эшби (автор закона
необходимого разнообразия) → «Введение
в кибернетику»
Л.ф. Берталанфи → «Общая теория
систем»

27.

Александр Богданов предложил идею
создания новой научной дисциплины —
тектологии, в которой предвосхитил
некоторые положения кибернетики и
системной
теории.
Проект
был
опубликован в 1920-х годах в одноимённой
трёхтомной работе, которая осталась
непонятой
и
непризнанной
современниками.
Автор
объясняет
процессы развития природы и общества на
основе принципа равновесия, согласно
которому все развивающиеся объекты
природы и общества представляют собой
целостные образования, или системы,
состоящие из многих элементов. В работе
впервые
сформулированы
основные
положения системного подхода и теории
самоорганизации систем.

28.

А. А. Богданов считал, что всякую деятельность человека
можно
рассматривать
как
некоторый
материал
организационного опыта и исследовать с организационной
точки зрения. Это положение — ключевая позиция
современного менеджмента. Богданов внес заметный вклад в
становление и развитие науки управления. Он выступает
представителем организационно-технологического подхода к
управлению. Отмечал, что всякая задача может и должна
рассматриваться как организационная. А. А. Богданов одним
из первых в мире ввел понятие системности. Состояние
системы определяется равновесием противоположностей. В
результате непрерывного взаимодействия формируются три вида
систем, которые он подразделяет на организованные,
неорганизованные и нейтральные. Ученый разработал идею о
структурной устойчивости системы и ее условиях. В Берлине
А. А. Богданов опубликовал свои идеи. С ними ознакомился
австрийский биолог и философ Людвиг фон Берталанфи,
который и создал второй (общепринятый сейчас) вариант общей
теории систем.

29.

Людвиг фон
Берталанфи
(1901-1972)
Австрийский биолог-теоретик - автор обобщенной системной концепции под
названием «Общая теория систем», ряд положений которой выражались
иными терминами, но по содержанию были близки положениям тектологии
А. А. Богданова. В 30-х годах XX века Л. ф. Берталанфи ввёл понятие
«открытых систем» (системы, способные обмениваться с окружающей
средой веществом, энергией, информацией), которые – в отличие от
«закрытых систем», изучаемых классической физикой, подпитываются
потоком материи и энергии из окружающей среды. В 70-х годах XX века
математические модели подобных системы были предложены И.Р.
Пригожиным и другими исследователями. Кроме этого, Л. Ф. Берталанфи
выделял два важных аспекта исследуемых систем - их организованность и
многообразие типов связи.

30.

Идея наличия общих закономерностей при взаимодействии
большого, но не бесконечного числа физических,
биологических и социальных объектов была впервые
высказана Берталанфи в 1937 году на семинаре по
философии в Чикагском университете. По мнению
Берталанфи, физические системы отличаются от живых
образований тем, что закрыты по отношению к внешней
среде, тогда как живые организмы являются открытыми.
Жизненный процесс организмов предполагает наличие
входящего из окружающей среды потока материи, тип и
объём которого определяется в соответствии с системными
характеристиками организма. Также осуществляется вывод
из системы в окружающую среду материи, как результата
функционирования системы. Таким образом организмы
обеспечивают себе дополнительную энергию, которая
позволяет достигать негэнтропии, а также обеспечивает
устойчивость системы по отношению к среде.

31.

Л. Берталанфи достаточно четко сформулировал проблему
построения общей теории систем. Для этого необходимо:
во-первых, сформулировать общие принципы и законы
поведения систем безотносительно к их специальному виду
и природе составляющих их элементов и строгим законам в
нефизических областях знания; во-вторых, заложить
основы для синтеза научного знания в результате
выявления изоморфизма законов, относящихся к различным
сферам деятельности. Общая теория систем мыслилась им
как фундаментальная наука, исследующая проблемы
систем различной природы.
Идеи Берталанфи привлекли внимание международной
научной общественности, а идеи Богданова оказались
невостребованным потенциалом науки. Это тот, почти
библейский случай, когда идеи, как зерна: одни упали на
неподготовленную почву, а другие — на благодатную.

32.

Благодаря идеям Л. Берталанфи системный подход вошел в
науку как метод исследования. Существенный недостаток в
понимании Л. Берталанфи общей теории систем состоял в том,
что он объявил ее заменяющей философию, что вызвало
справедливые возражения философов. Если обратить
внимание на содержание общей теории систем, то в нее входят
в основном формализованные науки, хорошо применимые к
простым системам. Потребность исследования сложных
систем заставляет использовать качественный анализ, которым
владеют философские науки. Но философии систем в общей
теории систем места не нашлось. Поэтому произошло
раздвоение общей теории систем на ОТС в широком смысле и
на ОТС в узком (количественно-формальном).

33.

Схема общей теории систем в представлении Л. Берталанфи

34.

Одним из результатов Второй мировой войны было развитие
ряда научно-технических направлений исследований. Среди
них – кибернетика и исследование операций, оказавшие
большое влияние на становление теории систем. Появлению
данных отраслей знания способствовали исследования и
разработки по расчету и автоматизации действия зенитных
установок.
Интеграция
этих
научно-технических
направлений в основной состав общей теории систем
обогатила и разнообразила её содержание.

35.

Термин «кибернетика» (от др.-греч. Κυβερνητική«искусство управления») изначально ввёл в научный
оборот А. Ампер, который в своём фундаментальном
труде «Опыт о философии наук, или аналитическое
изложение
естественной
классификации
всех
человеческих знаний (1834-1843 г.), определил
кибернетику как науку об управлении государством,
которая должна обеспечить гражданам разнообразные
блага. Другое понимание науки было предложено
Норбертом Винером. Кибернетика трактовалась им как
наука об общих закономерностях получения,
хранения, преобразования и передачи информации в
сложных управляемых системах (машины, живые
организмы или общество). Кибернетические методы
применяются при исследовании систем в окружающей
среде при наличии обратных связей, вызывающих
изменения поведении систем. В исследовании этих
«петель обратной связи» и заключаются задачи
кибернетики.

36.

«Отец кибернетики» – Норберт Винер во время второй
мировой войны работал над математическим аппаратом для
систем
наведения
зенитного
огня
(предложил
детерминированные
и
стохастические
модели
по
организации и управлению американскими силами
противовоздушной обороны). Он разработал новую
действенную
вероятностную
модель
управления
силами ПВО.
Свой наиболее известный
труд «Кибернетика» он
опубликовал в 1948 году.
Полное название главной
книги Винера выглядит
следующим образом
«Кибернетика, или
Термин «кибернетика» появился еще в Древней Греции.
Изначально им обозначали искусство кормчего. В
управление и связь в
переносном смысле он стал использоваться для
животном и машине». обозначения искусства государственного деятеля,
управляющего городом. В этом смысле он, в частности,
используется Платоном в «Законах».

37.

Объектом кибернетики являются все управляемые системы.
Кибернетические системы рассматриваются абстрактно, вне
зависимости от их материальной природы. Примеры
кибернетических систем: автоматические регуляторы в
технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции,
человеческое общество. Каждая система представляет собой
множество
взаимосвязанных
объектов
(элементов
системы), способных воспринимать, запоминать и
перерабатывать информацию, а также обмениваться ею.
Кибернетика разрабатывает общие принципы создания систем
управления и систем для автоматизации умственного труда.
Основные технические средства для решения задач
кибернетики — ЭВМ. Поэтому возникновение кибернетики
как самостоятельной науки связано с созданием в 40-х годах
XX века этих машин, а развитие кибернетики в теоретических
и практических аспектах — с прогрессом электронной
вычислительной техники.

38.

Кибернетика прошла через «взлёты» и «падения»,
становилась всё более значимой в области изучения
инженерии, экономики и социологии, биологии, математики
и медицине, искусственного интеллекта и биологических
машинных интерфейсов (то есть киборгов), но, лишившись
поддержки, на некоторое время потеряла ориентиры
дальнейшего развития, уступив внимание информатике.
В современном значении этот термин чаще используется
применительно к управлению сложными техническими
системами.
Отчасти,
она
трансформировалась
в
системотехнику
(раздел
информатики,
изучающий
проблемы проектирования, разработки и эксплуатации
сложных технических и компьютерных систем).

39.

3. Предмет исследования теории
систем и системного анализа
Объекты исследования теории систем - системы
произвольной природы (как правило, сложные).
Общепринятого определения системы нет и (по всей видимости) не
может существовать. Имеющиеся определения отличаются степенью
общности и границами применимости.
Одно из определений: Система – это множество составляющих
единство элементов, их связей и взаимодействий между собой и между
ними и внешней средой, образующее присущую данной системе
целостность, качественную определённость и целенаправленность.

40.

Примеры альтернативных определений:
Берталанфи: система - комплекс элементов,
находящихся во взаимодействии.
Холл, Фейджин: система - множество
объектов вместе с отношениями между
объектами и между их атрибутами.
Получившее наибольшее распространение:
система
–
это
совокупность
взаимосвязанных
и
целесообразно
взаимодействующих элементов.

41.

Общая
теория
систем
–
это
междисциплинарная наука, изучающая
фундаментальные понятия и аспекты
систем, отвлекаясь от их конкретной
природы и основываясь на формальных
взаимосвязях между составляющими их
факторами, а также на характере
изменений их под влиянием внешних
условий.
В настоящее время развивается в направлениях:
- системология;
- системотехника;
- системный анализ.

42.

Предмет теории систем - методы создания,
изучения и развития систем.
Отступление. Объект - та часть научного знания, с которой
исследователь имеет дело (пример: человек как
система). Предмет исследования - тот аспект проблемы,
исследуя который, мы познаем целостный объект, выделяя
его главные, наиболее существенные признаки (пример:
особенности психического, физического, умственного
развития человека).
Обычно объект исследования является более объемным,
широким и первичным понятием. Предмет же напротив
вторичен, но при этом важен для исследователя и его целей,
а потому задачей является его максимально детальное
описание и раскрытие.

43.

Задачи теории систем:
−
Развитие системных концепций
общего
характера.
Построение
обобщенных концептуальных моделей
систем различных
классов.
−
Разработка общих принципов
организации и логико-математического
аппарата для системных исследований.
−
Создание различных частных
теорий систем.

44.

Эволюция представлений
о системе
Главное в определении системы –
наличие элементов и связей
+ окружающая среда
+ цель
+ наблюдатель

45.

Основной целью теории систем является
обнаружение
основных
принципов
функционирования систем, необходимых
для
описания
любой
группы
взаимодействующих объектов, во всех
областях исследований.
Где это применяется в учебном процессе?
Системные
понятия
используются
практически
во
всех
изучаемых
дисциплинах.
Методы
системного
анализа особенно полезны при изучении
дисциплин информационного блока,
математики, моделирования.

46.

47.

Под
системным
подходом
понимается
совокупность методов и средств, позволяющих
исследовать свойства, структуру и функции
интересующих нас объектов и процессов в
целом, представив их в качестве систем.
Он позволяет: выделить общее в объектах
различной природы, выбрать подходящий метод
принятия
решения,
дать
адекватное
информационное описание (характеристику видов,
оценку
объемов
информации
об
объекте
исследования,
смоделировать
способы
информационного
обмена
между
ним
и
окружением),
учесть
существующие
неопределенности и риски, спрогнозировать и
объяснить результат исследования.

48.

Основные принципы системного подхода
Целостность, позволяющая рассматривать одновременно
систему как единое целое и в то же время как подсистему для
вышестоящих уровней.
Иерархичность строения, то есть наличие множества (по
крайней мере, двух) элементов, расположенных на основе
подчинения элементов низшего уровня элементам высшего
уровня
(пример:
организация.
Любая
организация
представляет собой взаимодействие двух подсистем управляющей и управляемой. Одна подчиняется другой).
Структуризация, позволяющая анализировать элементы
системы и их взаимосвязи в рамках конкретной структуры.
Как правило, процесс функционирования системы обусловлен
не столько свойствами её отдельных элементов, сколько
свойствами самой структуры.
Множественность, позволяющая использовать множество
кибернетических, экономических и математических моделей
для описания отдельных элементов и системы в целом.
Системность,
свойство
объекта
обладать
всеми
признаками системы.

49.

Термин "системный анализ" является не совсем
корректным переводом появившегося в 60-х годах в США
термина "system analysis" для обозначения техники
анализа сложных систем. Системный анализ в
современном понимании – это синтез идей и принципов
общей теории систем, кибернетики с возможностями
современной вычислительной техники. Он имеет своим
предметом изучение и моделирование объектов сложной
природы (систем) с учетом их организации, т.е.
взаимосвязи отдельных частей.
Согласно определению Л.ф. Берталанфи, "системный
анализ - это формализованный здравый смысл."
RAND (англ. РЭНД - аббревиатура от Research
and Development - «Исследования и
разработка») — американская некоммерческая
организация, которая выполняет функции
стратегического исследовательского центра,
работающего по заказам правительства США,
их вооружённых сил и связанных с ними
организаций.

50.

Системный анализ – это прикладное направление
теории систем, чьи принципы и методы
используются, когда:
а) существует большая начальная неопределенность
проблемной ситуации;
б) необходимо уделить много внимания и времени постановке
задачи (как качественной, так и формальной);
в) используются основные понятия и закономерности теории
систем;
г) возможно как единоличное, так и коллективное принятие
решения;
д) немаловажным оказывается процесс исследования
целеобразования и особенности постановки целей.
Если кратко, системный анализ является
прикладной
дисциплиной,
призванной
вырабатывать практические рекомендации для
решения возникающих проблем.

51.

Альтернативное определение:
Системный
анализ
—
научный метод познания,
представляющий
собой
последовательность действий
по
установлению
структурных связей между
переменными
или
постоянными
элементами
исследуемой
системы.
Опирается
на
комплекс
общенаучных,
экспериментальных,
естественнонаучных,
статистических,
математических методов.

52.

Системный анализ в современном понимании – это синтез идей и
принципов общей теории систем, кибернетики с возможностями
современной вычислительной техники. Он имеет своим предметом
изучение и моделирование объектов сложной природы (систем) с
учетом их организации, т.е. взаимосвязи отдельных частей.

53.

Идея 1. При изучении сложного объекта главное внимание
уделяется внешним связям этого объекта с другими
системами, а не его детальной внутренней структуре, хотя
последнее не исключается. Например, пусть на фирме возникли
проблемы: уменьшился объем продаж, снизилась прибыль и т.п.
Обычный путь решения проблем состоит в поиске их причин внутри
фирмы (невыполнение технологических предписаний, нарушение
дисциплины, неправильное руководство и т. д.). Но может оказаться,
что причины неудач лежат вне фирмы.
Идея 2. При изучении сложного объекта приоритет
отдается его целям и функциям, из которых выводится
необходимая для их осуществления структура (но не
наоборот), т.е. системный анализ – это подход
функциональный. В жизни часто приходится сталкиваться с
обратной ситуацией: есть структура, она наделяется какой-то
функцией, при этом ожидаемые результаты трудно
прогнозировать.

54.

Идея 3. При решении проблем, связанных с системами,
следует сопоставлять необходимое и возможное,
желаемое и достижимое, эффект и имеющиеся для
этого ресурсы.
Иными словами, следует всегда учитывать последствия
принятия решения и то, какую "цену" придется заплатить
за получение требуемого результата.
Идея 4. При принятии решения в системах следует
учитывать последствия решения для всех систем
(внутренних и внешних), которые оно затрагивает.
Системы, интересы которых не учтены, начинают
сопротивляться принимаемому решению, вследствие чего
последнее не выполняется.

55.

Системный анализ предоставляет к
использованию в различных науках, системах
следующие общесистемные методы и
процедуры:
1. абстрагирование и конкретизация;
2. обобщение;
3. анализ и синтез, индукция и дедукция;
4. композиция и декомпозиция;
5. линеаризация и выделение нелинейных
составляющих;
6. структурирование и
реструктурирование;
7. макетирование;
8. алгоритмизация;
9. моделирование и эксперимент;
10. распознавание и идентификация;
11. кластеризация и классификация;
12. экспертное оценивание и
тестирование;
13. классификация;
14. верификация и т.д.

56.

ОТСТУПЛЕНИЕ (пример учета взаимосвязей аспектов рассмотрения)
Имеются следующие основные типы ресурсов в природе и в
обществе:
- Вещество (его разновидности представлены таблицей Менделеева);
- Энергия (не до конца изучена; отражает изменчивость материи);
- Информация (не до конца изучена, мера структурированности,
порядка);
- Человек (носитель интеллекта, сознания);
- Организация (выступает как форма ресурсов в социуме, группе,
которая определяет его структуру, включая институты
человеческого общества);
- Пространство (мера протяженности материи, распределения ее в
окружающей среде);
- Время (мера обратимости/необратимости материи, событий;
связано с изменениями действительности).
ДЕНЬГИ
Все типы ресурсов тесно связаны и сплетены, они невозможны друг
без друга, актуализация одного из них ведет к актуализации другого.

57.

Пример. При сжигании дров в печке выделяется
тепловая энергия, тепловая энергия используется
для приготовления пищи, пища используется для
получения биологической энергии организма,
биологическая энергия используется для получения
информации (например, решения некоторой задачи),
перемещения во времени и в пространстве. Человек
и во время сна расходует свою биологическую
энергию
на
поддержание
информационных
процессов в организме; более того, сон - продукт
таких процессов. Социальная организация и
активность людей совершенствует информационные
ресурсы, процессы в обществе, последние, в свою
очередь,
совершенствуют
производственные
отношения.

58.

Пример. Рассмотрим простую задачу: пойти утром на занятия в вуз. Эта
часто решаемая студентом задача имеет аспекты:
1. материальный, физический аспект - студенту необходимо переместить
некоторую массу, например, учебников и тетрадей на нужное расстояние;
2. энергетический аспект - студенту необходимо иметь и затратить
конкретное количество энергии на перемещение;
3. информационный аспект - необходима информация о маршруте
движения и месторасположении вуза и ее нужно обрабатывать по пути
своего движения;
4. человеческий аспект - перемещение, в частности, передвижение на
автобусе пока невозможно без участия человека (без водителя автобуса);
5. организационный аспект - необходимы подходящие транспортные сети
и маршруты, остановки и т.д.;
6. пространственный аспект - перемещение на определенное расстояние;
7. временной аспект - на данное перемещение будет затрачено время (за
которое произойдут соответствующие необратимые изменения в среде, в
отношениях, в связях).

59.

Этапы системного анализа
В исследовании любой проблемы системы можно отметить главные
этапы:
1) постановка цели исследования;
2) выделение проблемы (системы): выделить главное, существенное,
отбросив малозначимое, несущественное;
3) описание: выразить на едином языке (уровне формализации)
разнородные по природе явления и факторы;
4) установление критериев: определить, что значит «хорошо» и
«плохо» для оценивания полученной информации и сравнения
альтернатив;
5) идеализация (концептуальное моделирование): ввести
рациональную идеализацию проблемы, упростить ее до допустимого
предела;
6) декомпозиция (анализ): разделить целое на части, не теряя свойств
целого;
7) композиция (синтез): объединить части в целое, не теряя свойств
частей;
8) решение: найти решение поставленной задачи.

60.

Предмет системного анализа составляют:
- методы диагностики и решения сложных
проблем с применением системного подхода;
- способы организации междисциплинарных
исследований, которые направлены на решение
проблем;
- методы и модели комплексного исследования и
проектирования сложных систем.
Как и сама теория систем, системный анализ тесно связан с такими
дисциплинами и научными направлениями, как исследование операций
и методы оптимизации; теория принятия решений; теория управления
и
менеджмент;
системотехника
и
системная
инженерия;
математическое моделирование; анализ данных, статистика и
эконометрика, информатика и искусственный интеллект; философия и
методология науки.

61.

Родственные дисциплины:
Кибернетика
Математическая
теория
оптимального
управления
Синергетика
Менеджмент
Исследование
операций
Теория
систем
Теория
принятия
решений
Теория
игр

62.

ОТСТУПЛЕНИЕ
Синергетика в контексте теории систем
Нетривиальные подходы к изучению сложных системных образований
выдвигает такое направление современной науки, как синергетика,
предлагающая современную интерпретацию таких феноменов, как
самоорганизация, автоколебания и коэволюция.
Синергетика (от др.-греч. συν- приставка со значением совместности
и ἔργον «деятельность») - междисциплинарное направление науки,
объясняющее образование и самоорганизацию моделей и структур
в открытых системах, не находящихся в состоянии
термодинамического равновесия.
Автором термина синергетика
применительно именно к данной
науке является Герман Хакен –
немецкий физик-теоретик.

63.

Из истории происхождения термина:
Изначально слово «синергетика» было предложено и
разъяснено в своей этимологии в 1927 г.
американским изобретателем и философом Р. Б.
Фуллером в рамках исследования им некоторых
аспектов классической механики и связанных с ними
геометрических структур. Однако наиболее полное
раскрытие этого понятия дано в его двухтомном
трактате, вышедшем в 1975 г.: Его взгляды на
природную
геометрию
и
последовательную
самоорганизацию
природных
сил,
а
также
универсализм представлений о мире вдохновили
целое поколение молодых исследователей 1960 -1970х годов и нашли отклик в физике, биофизике,
кибернетике и ряде других отраслей, в которых его
идеи обосновались столь прочно, что со временем
стали восприниматься как часть аутентичного языка
этих наук. На сегодняшний день Фуллер является
признанным в международном научном сообществе
авторитетом в сфере точных наук, инженерии и
дизайна, а его изобретения нашли широкое
применение среди технологий гражданского и
военного назначения.
Ричард Фуллер задался вопросом:
есть ли у человечества шанс на
долгосрочное и успешное
выживание на планете Земля и если
да, то каким образом? Считая себя
заурядным индивидом без особых
денежных средств и учёной степени,
он решил посвятить свою жизнь
этому вопросу. Он пытался
выяснить, что могут сделать для
улучшения положения человечества
личности вроде него из того, что
большие организации,
правительства или частные
предприятия не могут выполнить в
силу своей природы.
На протяжении этого эксперимента
Фуллер написал двадцать восемь
книг, выработав такие термины как
космический корабль, эфемеризация
и синергетика. Он также сделал
большое число изобретений, в
основном в сфере дизайна и
архитектуры, наиболее известным
из которых является лёгкий и
прочный «геодезический купол» —
пространственная стальная сетчатая
оболочка из прямых стержней.

64.

Область исследований синергетики чётко не определена и вряд
ли может быть ограничена, так как её интересы
распространяются на все отрасли естествознания. Общим
признаком
является
рассмотрение
динамики
любых
необратимых процессов и возникновения принципиальных
новаций. Математический аппарат синергетики скомбинирован
из разных отраслей, главным образом - из нелинейной
неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп,
тензорного
анализа,
дифференциальной
топологии,
неравновесной статистической физики. Существуют несколько
школ, в рамках которых развивается синергетический
подход. Наиболее известные:
1) Школа нелинейной оптики, квантовой механики и
статистической физики Германа Хакена. В 1973 году он
объединил большую группу учёных, благодаря которым к
настоящему времени увидели свет около 70 томов с широким
спектром теоретических, прикладных и научно-популярных
работ, основанных на методологии синергетики: от физики
твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем
искусственного интеллекта.

65.

2)
Физико-химическая
и
математико-физическая
Брюссельская школа Ильи Пригожина. в русле которой
формулировались первые теоремы (1947 г.), разрабатывалась
математическая теория поведения диссипативных структур
(термин Пригожина), раскрывались исторические предпосылки
и провозглашались мировоззренческие основания теории
самоорганизации,
как
парадигмы
универсального
эволюционизма. Эта школа, основные представители которой
работают в США, не пользуется термином «синергетика», а
предпочитает называть разработанную ими методологию
«теорией диссипативных структур» или просто «неравновесной
термодинамикой», подчёркивая преемственность своей школы
пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых
химических реакций.
Диссипативные структуры - устойчивые
пространственно неоднородные структуры,
возникающие в результате развития неустойчивостей в однородной неравновесной
среде.

66.

Пример диссипативной структуры
Ячейки Бенара - возникновение упорядоченности в виде
конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных
шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным
градиентом температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу.
Ячейками Бенара можно объяснить происхождение вулканических
образований в форме пучка вертикальных колонн — такими являются
памятники природы «Девилс-Тауэр» (США) и «Мостовая гигантов»
(Северная Ирландия).

67.

По мнению сторонников синергетики, источником развития
является случайность, необратимость и неустойчивость.
Фундаментальным
принципом
самоорганизации
служит
возникновение нового порядка и усложнение систем через
флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и
подсистем. Такие флуктуации обычно нейтрализуются во всех
равновесных системах за счёт отрицательных обратных связей,
обеспечивающих сохранение структуры и близкого к равновесию
состояния системы. Но в более сложных открытых системах,
благодаря притоку энергии извне и усилению неравновесности,
отклонения со временем возрастают, накапливаются, вызывают
эффект коллективного поведения элементов и подсистем и, в конце
концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и через
относительно кратковременное хаотическое состояние системы
приводят либо к разрушению прежней структуры, либо к
возникновению нового порядка. Поскольку флуктуации носят
случайный характер, то появление любых новаций в мире
обусловлено действием суммы случайных факторов. Об этом
говорили еще античные философы Эпикур (341-270 до н. э.) и
Лукреций Кар (99 - 45 до н. э.)

68.

69.

Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных
системах следующим образом:
- Система должна быть открытой. Закрытая система в
соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге
прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые
эволюции.
- Открытая система должна быть достаточно далека от точки
термодинамического равновесия. В точке равновесия сколь угодно
сложная система обладает максимальной энтропией и не способна к
какой-либо самоорганизации.
Фундаментальным
принципом
самоорганизации
служит
возникновение нового порядка и усложнение систем через
флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и
подсистем. В сложных открытых системах, благодаря притоку
энергии извне и усилению неравновесности, отклонения со
временем
возрастают,
накапливаются,
вызывая
эффект
коллективного поведения элементов и подсистем и, в конце концов,
приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и через относительно
кратковременное хаотическое состояние системы приводят либо к
разрушению прежней структуры, либо к возникновению нового
порядка.

70.

Источники:
https://victor-safronov.ru/systems-analysis/lectures/rodionov/00.html
http://www.library.fa.ru/files/sistheory.pdf
http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/923/67923/41346
https://gtmarket.ru/concepts/7091, https://gtmarket.ru/concepts/7095
https://studfile.net/preview/2290598/
http://bigc.ru/publications/other/metodology/introduction_in_system
_approach.php