Системный анализ и моделирование

1. Системный анализ и моделирование

2. Введение в общую теорию систем

Необходимость решения проблем в различных сферах
практической деятельности способствовало развитию приемов,
методов, подходов, которые постепенно накапливались,
развивались, обобщались, и сложились в определенную
технологию преодоления качественных и количественных
сложностей:
• в инженерной деятельности: проектирование, инженерное
творчество, системотехника;
• в военных и экономических вопросах: исследование операций;
• в административном и политическом управлении: системный
подход, политология, футурология;
•в
прикладных
научных
исследованиях:
имитационное
моделирование, методология эксперимента и т. д.

3. Введение в общую теорию систем Эволюция системный представлений

1
2000—2500 лет назад Древняя
Греция
2
Первая половина XX в.
Появление слова «система», которое означало
«сочетание»,
«организм»,
«устройство»,
«организация», «строй», «союз» и было связано с
формами социально-исторического бытия
Изучение квантово-механических систем в физике,
химических
процессов
и
систем,
появление
теоретической биологии, формирование геохимии,
биогеохимии и экологии, изучение высшей нервной
деятельности, развитие социологии, экономики,
менеджмента привели к переосмыслению понятий
«систем»", «организация», «порядок», «изменчивость»,
«устойчивость», «взаимодействие», «управление»,
«обратная связь», «часть», «целое», «компонент»,
«элемент», «иерархия» и т. д. Встал вопрос изучения
систем любой природы.

4. Введение в общую теорию систем Эволюция системный представлений

3
Конец 40-х гг. ХХ века
4
1948 г.
5
40-50-е гг. ХХ века
Биолог-теоретик и философ Людвиг фон
Бератланфи впервые использовал термин «теория
систем»
1) Издание
знаменитой
книги
Н.
Винера
«Кибернетика», в которой провозглашается
единство принципов управления в биологических
и технических системах, а позднее — и в
социальных. Кстати, в настоящее время
кибернетику чаще квалифицируют как часть
теории систем
2) В работах корпорации RAND в 1948 г. впервые
появился термин «системный анализ»
Для
решения
практических
задач
было
сформировано понятие «исследование операций»

5. Введение в общую теорию систем Эволюция системный представлений

6
50—60 гг. ХХ века
7
80-е гг. ХХ века
8
Начало XXI в.
В исследованиях сложных проблем проектирования
и управления довольно широкое распространение
получил термин «системотехника».
Появление
целого
«системного
методологической
базой
которого
называемый «системный подход»
движения»,
стал
так
Появление научного направления «Системный
анализ», введение соответствующей дисциплины в
вузах

6. Введение в общую теорию систем

Системный анализ является прикладной наукой, нацеленной на
выявление причин реальных сложностей, возникших перед
"обладателем проблемы" (организация, учреждение, предприятие,
коллектив), и на выработку вариантов их устранения.
Системный подход — это методология научного познания и
практической деятельности, а также объяснительный принцип, в
основе которых лежит рассмотрение объекта как системы

7. Системы. Понятие, структура системы, свойства систем

«Система – это комплекс взаимодействующих компонентов»
«Система – это множество связанных действующих элементов»
«Система – это не просто совокупность единиц... а совокупность
отношений между этими единицами»

8. Системы. Понятие, структура системы, свойства систем

9. Системы. Понятие, структура системы, свойства систем

Система – это совокупность материальных и нематериальных
объектов (элементов, подсистем), объединенных какими-либо
связями
(информационными,
механическими
и
др.),
предназначенных для достижения определенной цели и
достигающих ее наилучшим образом.

10. Основные свойства системы

• Система есть совокупность элементов.
• Наличие существенных связей между элементами.
• Наличие определенной организации
• Наличие интегративных свойств.
• Эмерджентностъ
• Целостность
• Делимость
• Коммуникативность
• Развитие
• Иерархичность

11. Основные свойства системы:

Системная инерция
Многофункциональность
Гибкость
Адаптивность
Надежность
Безопасность
Уязвимость
Структурированность
Динамичность
Наличие обратной связи

12. Системы. Понятие, структура системы, свойства систем

Любая система имеет цель и ограничения
Цель системы может быть описана целевой функцией
Z=F(х, у, t, ...),
где Z – экстремальное значение одного из показателей качества
функционирования системы.
Поведение системы можно описать законом Y = F(x), отражающим
изменения на входе и выходе системы, что и определяет состояние
системы

13. Системы. Понятие, структура системы, свойства систем

Состояние системы – это мгновенная фотография, или срез системы,
остановка ее развития. Возможные состояния реальной системы
образуют в пространстве состояний системы некоторую подобласть ZСД
(подпространство) – множество допустимых состояний системы.
Равновесие – способность системы в отсутствие внешних возмущающих
воздействий или при постоянных воздействиях сохранять свое
состояние сколь угодно долго.
Устойчивость – это способность системы возвращаться в состояние
равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под
влиянием внешних или внутренних возмущающих воздействий.

14. Структура системы

Структура системы – совокупность элементов системы и связей
между ними в виде множества.

15. Структура системы

Элемент – часть системы, обладающая самостоятельностью по
отношению ко всей системе и неделимая при данном способе
выделения частей
Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от
свойств других элементов системы
Внешняя среда – набор существующих в пространстве и во
времени объектов (систем), которые, как предполагается,
оказывают действие на систему

16. Типы структур

Линейная
Кольцевая
Сотовая

17. Типы структур

Многосвязная
Звездная
Графовая

18. Типы структур Иерархическая структура

19. Обратная связь в системе

Связь - это способ взаимодействия входов и выходов элементов.
В свете такого определения связи делятся на прямые и обратные
Прямой называется связь между выходом одного элемента и входом
другого, обратной — связь между выходом и входом одного и того
же объекта.
Прямая
Обратная

20. Обратная связь в системе

Различают положительную (усиливающую) и отрицательную
(уравновешивающую) обратные связи. Если ограничиться только
внешними причинами изменения выхода, то можно остановиться
на таких определениях.
Обратная связь, уменьшающая влияние входного воздействия на
выходную
величину,
называется
отрицательной,
а
увеличивающая это влияние — положительной.
В общем случае
положительная (усиливающая) обратная связь усиливает
тенденцию изменения выхода системы, а отрицательная
(уравновешивающая) — ее уменьшает.

21. Обратная связь в системе

Обратная связь является основой саморегуляции, развития
системы, приспособления ее к меняющимся условиям
существования. Весь наш жизненный опыт состоит из циклов
обратной связи.

22.

Примеры обратной связи
Положительная обратная связь. На входе - вклад в банке, на выходесумма денег на счету.
Положительная обратной связи: рост живых клеток, накопление знаний,
распространение слухов, уверенность в себе, эпидемия, ядерная
реакция, паника, рост коралловых рифов.
Отрицательная обратная связь: воздушный кондиционер, температура
тела, процентное содержание сахара в крови, кровяное давление,
выздоровление, езда на велосипеде, хищники и жертвы, спрос и
предложение на рынке, регулирование ассортимента.

23. Примеры систем

24. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Наименование
Содержание систем
систем
Происхождение Природные
системы
Системы, возникшие без
вмешательства человека
(климат, почва, живые
организмы, солнечная
система)
Искусственные Системы как результат
созидательной деятельности
системы
человека

25. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Наименование
систем
Содержание систем
Степень
взаимодейст
вия системы
с внешней
средой
Изолированные системы
(искусственные)
Системы, не имеющие с внешней
средой прямой и обратной связи
(без входа и выхода) (например
биологическая система (животное),
испытуемая в полностью закрытой
емкости,— дельфин)
Закрытые
системы
Системы, имеющие с внешней
средой одностороннюю связь (вход
или выход) (например, часы)
Открытые
системы
Системы, имеющие с внешней
средой прямую и обратную связи
(вход и выход) (например, страна,
фирма, человек или машина)

26. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Наименование
систем
Содержание систем
Степень
взаимодейст
вия системы
с внешней
средой
Изолированные системы
(искусственные)
Системы, не имеющие с внешней
средой прямой и обратной связи
(без входа и выхода) (например
биологическая система (животное),
испытуемая в полностью закрытой
емкости,— дельфин)
Закрытые
системы
Системы, имеющие с внешней
средой одностороннюю связь (вход
или выход) (например, часы)
Открытые
системы
Системы, имеющие с внешней
средой прямую и обратную связи
(вход и выход) (например, страна,
фирма, человек или машина)

27. Классификация систем

Признак
НаименоСодержание систем
классифика вание систем
ции систем
Системы с числом единичных
Малые
Размер
компонентов менее 30 (например,
системы
системы
фирма с численностью сотрудников
25 чел. или авторучка)
Средние
системы
Системы с числом единичных
компонентов от 31 до 300 (например,
фирма с численностью сотрудников
250 чел. или пылесос)
Большие
сложные
системы
Системы с числом единичных
компонентов свыше 301 (например,
корпорация с численностью
сотрудников 15000 чел., автомобиль
или чел.)

28. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Виды
систем
Наименование
систем
Космические
системы
Содержание систем
Солнечная система
Биологические Живые организмы
системы
Изделия, состоящие из сборочных
Технические
единиц и деталей, выполняющие
системы
заданные функции
Экосистема
Совокупность факторов природной
среды, методов и средств обеспечения
ее жизнедеятельности по сохранен
планеты Земля

29. Классификация систем

Признак
классификации систем
Виды
систем
Наименование
систем
Содержание систем
Социальноэкономические
системы (в том
числе и
производственн
ые)
Комплексные структуры, состоящие из
экономических, производственнотехнических и социальных структур,
выполняющих различные функции
(например, город или организация).
Производственные системы — это
структуры, состоящие из
функциональных и производственных
подразделений выпускающие продукции
или оказывающие услуги
производственного характера (например,
предприятие)
Логические
системы
Совокупность факторов и условий,
определяющих последовательность
мышления и умозаключений при анализе
какого-либо явления

30. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Степень
свободы
системы по
отношению к
внешней
среде
Наименование
систем
Содержание систем
Относительно
самостоятельные,
юридически
и физически
независимые
системы
Системы,
функционирующие
самостоятельно и
выполняющие заданные
функции
Несамостоятельн
ые системы
(подсистемы)
Системы (подсистемы),
входящие в глобальную
систему жестко как
неотъемлемый компонент
(например, сотрудник
отдела или двигатель
автомобиля)

31. Классификация систем

Признак
классификаци
и систем
Наименование
систем
Комплексные
Уровень
специализа системы
ции
системы
Содержание систем
Системы, выполняющие весь
комплекс функций или работ по
стадиям жизненного цикла объекта
(например, комплексное
производственное объединение,
выполняющее все работы по стадиям
жизненного цикла, выпускаемых
товаров (кроме идущих на
собственного потребления)
Специализирован Системы, специализирующиеся на
выполнении одной функции или
ные системы
работы на одной стадии жизненного
цикла объекта (например, банк,
маркетинговая организация или
сборочное предприятие)

32. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Наименование систем
Продолжительность
функционир
ования
системы
Системы
кратковреме
нного
действия
(жизни)
Содержание систем
Системы, функционирующие
короткий промежуток времени, или
разового применения (например,
биологическая система — мотылек
или техническая система — шприц)
Дискретные Системы, функционирующие
определенный промежуток
системы
(интервал) времени (например,
автомобиль или человек)
Долговреме
нные
системы
Системы, длительность
функционирования которых
практически не ограничена
(например, Солнечная система)

33. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Способ
описания
системы
Наименование систем
Содержание систем
Детерминированные Системы, поведение
которых точно описывается
(функциональные)
однозначной функции
Стохастические
(вероятностные)
Системы, поведение
которых описывается в
терминах распределения
случайных величин или
вероятностей
Нечеткие
(описательные)
Системы, поведение
которых описывается
качественно, а не
количественно

34. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Наименование
Содержание систем
систем
Тип величин, Физические
используемых
Абстрактные
в субстанции
системы
Системы, имеющие
вещественную субстанцию
Активные
Реакция на
системы
возмущающие действия
Системы, способные
противостоять воздействиям
среды (противника, конкурента и
т.д.) и сами воздействовать на
нее
Пассивные
системы
Системы, имеющие логическую,
математическую и другие виды
невещественной субстанции
Системы, у которых отсутствует
свойство противостоять
воздействиям среды

35. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Степень
участия
человека в
реализации
управляющих
воздействий
Наименование
систем
Содержание систем
Технические Системы, которые функционируют
без участия человека
системы
Человекомашинные
системы
Автоматизированные системы
управления различного назначения.
Здесь человек сопряжен с
техническим устройством, но
окончательное решение принимает
человек, а средство информатизации
лишь помогает ему в обосновании
правильности этого решения
Организаци
онные
системы
Социальные системы – группы,
коллективы людей, общество в целом

36. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Наименование
Содержание систем
систем
Признак
Хорошо
организован организован
ности
ные
системы
Плохо
организован
ная система
Система, у которой определены все
элементы, их взаимосвязь, правило
объединения в более крупные
компоненты, связи между всеми
компонентами и целями системы,
ради достижения которых она
создается или функционирует
При представлении объекта в виде
плохо организованной системы не
ставится задача определить все
учитываемые компоненты, их
свойства и связи между собой, а
также с целями системы

37. Классификация систем

Признак
классификации
систем
Наименование систем
Самоорганизующиеся
Признак
организован системы
ности
Содержание систем
Системы, обладающие
средством адаптации к
изменению условий внешней
среды, способные изменять
структуру при
взаимодействии системы со
средой, сохраняя при этом
свойства целостности;
системы, способные
формировать возможные
варианты поведения и
выбирать из них наилучшие

38. Функционирование (движение) системы – процесс последовательного изменения ее состояния

Цель – заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека,
идеальное устремление деятельности, конечное состояние системы или ее выхода,
к которому она стремится в силу своей структурной организации
Задачи – цели, которые желательно достичь к определенному моменту
времени в пределах определенного периода функционирования системы
в рамках достижения ее общей цели
СИСТЕМА
Входы – различные
точки приложения
влияния (воздействия)
внешней среды на
систему
Состояния системы – совокупность
состояний ее элементов и связей между
ними
Обратная связь – то, что соединяет выход
со входом, используется для контроля
за изменением выхода
Внешняя среда
Выходы – различные
точки приложения
влияния (воздействия)
системы на внешнюю
среду
Ограничения системы – то, что определяет условия реализации процесса
(процесс – последовательность операций по преобразованию чего-либо,
то есть то, что преобразует вход и выход). Ограничения бывают внутренние и внешние.

39. Системный подход Основные принципы системного подхода

• Первый принцип заключается в необходимости рассматривать
совокупность элементов системы как одно целое
• Второй принцип – признание того, что свойства системы это не просто
сумма свойств её элементов
• Третий принцип определяет иерархичность, требующую
многоуровневое изучение предмета
• Четвертый принцип - требование получения количественных
характеристик, создание методов, сужающих неоднозначность
понятий, определений, оценок
• Пятый принцип - нацеленность на эффективность системы
управления.

40. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД Понятие

Системный подход - это подход к исследованию объекта
(проблемы, явления, процесса) как к системе, в которой выделены
элементы, внутренние и внешние связи, наиболее существенным
образом
влияющие
на
исследуемые
результаты
его
функционирования, а цели каждого из элементов определены
исходя из общего предназначения объекта.

41. Системный подход Системное представление объектов реального мира

Решение проблем
объектов реального
мира
Внешняя среда
Системный
анализ
СИСТЕМА
Внешняя среда
Объект
реального мира
Системный
подход
Направление методологии
научного познания и
социальной практики, в
основе которого лежит
рассмотрение объектов
как системы
Анализ объекта как
системы на основе
изучения ее свойств
для выявления ее
сильных и слабых
сторон,
возможностей и
угроз, формирования
стратегии
функционирования и
развития

42. Системный подход

На практике для реализации системного подхода необходимо
предусмотреть выполнение следующей последовательности действий:
• формулировку задачи исследования;
• выделение объекта исследования как системы из окружающей среды;
• установление внутренней структуры системы и выявление внешних и
внутренних связей;
• определение (или постановка) целей перед элементами исходя из
проявляющегося (или ожидаемого) результата и всей системы в
целом;
• разработку модели системы и проведение на ней исследований.

43. Системный подход

• Системные задачи могут быть двух типов: системного анализа и
системного синтеза.
• Задачи анализа - определение свойств системы по известной
структуре, изучение свойств уже существующего образования.
• Задачи синтеза - определение структуры системы по ее
свойствам, т.е. создание новой структуры, которая должна
обладать желаемыми свойствами.

44. Системный подход

В любой системе каждый элемент ее структуры функционирует исходя
из некоторой своей цели. При ее выявлении (или постановке) следует
руководствоваться требованием подчиненности общей цели системы.
Здесь следует отметить, что частные цели элементов не всегда
согласуются с конечными целями самой системы.
Сложные системы, как правило, исследуются на моделях. Целью
моделирования является определение реакций системы на
воздействия, границы функционирования системы, эффективность
алгоритмов управления. Модель должна допускать возможность
вариаций изменения количества элементов и связей между ними с
целью исследования различных вариантов построения системы.
Процесс исследования сложных систем носит итеративный характер, и
число возможных приближений зависит от априорных знаний о системе
и жесткости требований к точности получаемых результатов.