Новосельцев В.И. Системный анализ: современные концепции

Подождите немного. Документ загружается.

странства и концентрировать ее в нужном направлении. В результате

суммарная сила действия превышает сумму действий частей.

В социологических исследованиях хорошо известен так называемый

фактор толпы, представляющий собой не что иное как проявление си-

нергетического эффекта в системе, состоящей из множества людей с

самогенерируемым кооперативным поведением.

Простейшим примером, объясняющим возникновение синергетиче-

ского эффекта в технике и в природе, может служить резонанс – явле-

ние резкого возрастания амплитуды электрических, механических и

других колебаний в системе, когда частота ее собственных колебаний

совпадает с частотой колебаний внешней силы. Резонансы нарушают

простоту движения систем, и приводят к тому, что периодическое или

почти периодическое движение переходит то в случайное, то в детер-

минированное. Описать такое движение аналитическими функциями

классической динамики становиться уже невозможным. Такое матема-

тическое явление получило специальное название – «катастрофа Пуан-

каре» [Пригожин, 1985]. Физический смысл этого явления заключается

не только в нарушении регулярности движения и в образовании «слу-

чайной» траектории. В тех областях фазового пространства, где мате-

матические модели динамики претерпевают катастрофу Пуанкаре,

присутствуют зоны кризиса с «аномальными» свойствами. Проходя-

щие через них траектории никогда не пересекаются. В сколь угодно

близких точках этих зон можно наблюдать различные типы движений.

Траектории, выходящие из близких точек, могут со временем разой-

тись сколь угодно далеко (нарушается эргодичность движения), и на-

оборот, удаленные траектории могут сойтись сколь угодно близко

(восстанавливается эргодичность движения). Зоны кризиса – «это мир

Процесса, а не окончательного мертвого равновесия, к которому ведет

Процесс, и это вовсе не такой мир, в котором все события заранее пре-

допределены вперед установленной гармонией, существовавшей лишь

в воображении Лейбница» [Винер, 1967]. Катастрофа Пуанкаре на-

блюдается в подавляющем большинстве моделей динамических про-

цессов и играет важную роль в понимании того, что движение – не

просто атрибут материи, а тройственный процесс взаимовлияния эво-

люции, самоорганизации и конфликтности систем.

Неаддитивный характер взаимодействия компонентов систем поро-

ждает известный парадокс: не расчленив систему на части, очень труд-

но ее изучать, но, обособив составные части, можно легко потерять

суть целого и неправильно установить свойства частей. Выход из тако-

го положения, который предлагает теория системного анализа, состоит

в совместном применении принципов «от целого к частям» и «от час-

тей к целому», то есть в организации процесса исследований в виде по-

этапного разукрупнения изучаемого объекта на эшелоны, страты и

слои с одновременным установлением связей между ними за счет ор-

ганизации итеративных циклов. Этими соображениями и определяется

общая схема анализа систем, рассмотренная в разделе 1.2.

Итак, можно считать, что изучаемый объект представлен в данном

исследовании как система, если он идентифицируется по признакам

расчленимости, целостности, связанности и неаддитивности, а само ис-

следование относятся к классу системных, если процедурно оно стро-

ится без нарушения положений этих признаков.

Об указанных признаках системы написано немало научных трудов,

но всякий раз необходимо возвращаться к этим фундаментальным по-

нятиям, уточняя их содержание и сверяя трактовку с вновь получае-

мыми научными и практическими результатами. Как подтверждает

опыт исследований, независимо от природы системы, а также от пози-

ции исследователя, забвение любого из четырех признаков, их недо-

учет или несвоевременный учет влекут за собой ошибки и повторные

работы. Ошибки проявляются чаще всего в том, что, казалось бы, пра-

вильно поставленная и верно разрешенная проблема «вдруг» начинает

порождать новые еще более сложные проблемы. В частности, такое яв-

ление наблюдалось в военном деле при создании самолетных и кора-

бельных радиоэлектронных комплексов (связных, радиолокационных,

радионавигационных и других), когда разрабатываемые по отдельно-

сти, но размещенные на одном носителе, они неожиданно начинали

мешать работе друг друга. Возникла серьезная проблема их электро-

магнитной совместимости. Более того, бортовые радиоэлектронные

комплексы своими излучениями стали демаскировать корабли и само-

леты, а также превратились в притягательные мишени для самонаво-

дящихся ракет и торпед противника. Появилась новая проблема радио-

электронной защиты самолетов и кораблей.

Хорошо известно, что проблемы – неизбежный спутник любого раз-

вития, но плохо то, что большинство из них порождаются «собствен-

ными руками», а затем преодолеваются с потерями и риском для жиз-

ни. Так, например, электронная несовместимость спутниковой радио-

станции и радиолокатора обнаружения воздушных целей стала причи-

ной гибели английского эскадренного миноносца «Шеффилд» в англо-

аргентинском конфликте за овладение Фолклендскими (Мальвински-

ми) островами в мае 1982 года [Родионов и др., 1983]. Самый совре-

менный корабль, гордость английского флота, был потоплен ракетой

«Экзосет» (американского производства), выпущенной аргентинским

летчиком в тот момент, когда капитан отдал приказ временно выклю-

чить локатор обнаружения, мешающий спутниковой связи с матери-

ком. Гибель «Шеффилда» была воспринята в Англии как национальная

трагедия общегосударственного масштаба. Казалось невероятным, что

«набитый» электронной аппаратурой современный морской корабль,

имеющий на вооружении мощные средства противовоздушной оборо-

ны, был уничтожен одной ракетой устаревшего образца. Надо пола-

гать, что после случившегося английские кораблестроители и специа-

листы по радиоэлектронной технике пересмотрели свои взгляды на

проблему оснащения военных кораблей радиоэлектронным оборудо-

ванием, обратив особое внимание не только на проблему электромаг-

нитной совместимости, но и на вопросы комплексной защиты кораблей

от нападения противника с моря и с воздуха.

Глава 3. Характеристики системы

В практике системного анализа термин характеристики трактуется

как набор означенных параметров, позволяющих получить достаточно

полное представление об изучаемой системе. При этом степень доста-

точности и полноты заранее не устанавливается, а определяется в про-

цессе исследования исходя из поставленных целей и задач, а также со-

образуясь с природой объекта изучения. Однако это не освобождает

теорию от обобщающего рассмотрения вопроса о характеристиках сис-

темы, то есть выделения тех из них, которые присущи любой системе и

не связаны с ее природой. К числу таких характеристик относятся:

функции, эффективность, состав, иерархия, морфология, структура, со-

стояние, поведение и внутреннее время системы.

3.1. ФУНКЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Функцией системы (от лат. functio – отправление, деятельность) на-

зывается совокупность результатов воздействий, оказываемых данной

системой на среду, на другие системы и на саму себя. Этой характери-

стикой определяются роль, которую играет система в надсистеме, и

место, которое она занимает среди окружающих объектов.

Различают основную и неосновные функции системы (рис. 3.1). Ос-

новная функция – это предназначение системы. Сам факт существова-

ния системы предполагает наделение ее основной функцией или пред-

назначением. По мере развития у системы могут возникать другие

функции, непосредственно не связанные с ее предназначением, но ока-

зывающие на нее то или иное влияние. Такие функции называются не-

основными. Неосновные функции – ситуативные и преходящие, а ос-

новная функция – постоянная и непреходящая. Она проявляется в раз-

личных формах и свойственна до тех пор, пока существует сама систе-

ма. Смена основной функции означает коренное изменение системы и

свидетельствует либо о превращении данной системы в другую, либо о

том, что она погибла.

По тому, как влияют неос-

новные функции на способ-

ность системы выполнять

свою основную функцию,

они подразделяются на пози-

тивные и негативные. Пози-

тивные неосновные функции

способствуют отправлению

системой своего предназна-

чения. Негативные неоснов-

ные функции проявляют се-

бя в том, что препятствуют

выполнению системой своей

основной функции. Помимо

этого целесообразно выде-

лять нейтральные неоснов-

ные функции, которые до

поры до времени не оказы-

вают существенного влияния

на основную функцию, од-

нако следует всегда предви-

деть возможность изменения ситуации в ту или иную сторону. В ней-

тральных функциях скрывается позитивный или негативный потенци-

ал системы, который может проявляться при определенных условиях.

Механизм влияния неосновных функций может быть двояким: опосре-

дованным – через среду, когда система провоцирует (преднамеренно

или непреднамеренно) негативное или позитивное влияние внешнего

окружения на саму себя, и непосредственным, когда система (предна-

меренно или непреднамеренно) оказывает негативное или позитивное

влияние сама на себя, не затрагивая среду. Чем сложнее система, тем

Среда

Система

Неосновные функции

ПОЗИ-

ТИВНЫЕ

НЕГА-

ТИВНЫЕ

ПРЕДНАМЕРЕННЫЕ

НЕПРЕДНАМЕРЕННЫЕ

НЕЙТРАЛЬНЫЕ

Основная функция

Рис. 3.1. К понятию функции системы.

полнее палитра ее неосновных функций, тем более многообразными

становятся их взаимосвязи с основной функцией.

Пример. Рассмотрим конкретную систему – персональный компьютер. Его

основная функция (по замыслу создателей) состоит в получении, обработке и

выдаче разнородной информации, используемой человеком в своей практиче-

ской деятельности. В частности, при проведении расчетов, печатании и хране-

нии текстов, управлении технологическими процессами и т.п. Но у компьютера

в процессе реализации этой, достаточно широкой функции, возникла другая –

неосновная, однако не менее значимая функция – экономическая. Содержание

этой функции заключено в способности компьютеров приносить доход тем ли-

цам, которые занимаются их производством, обслуживанием и ремонтом. В це-

лом – это позитивная функция. Она способствует развитию компьютерной ин-

дустрии и стимулирует повышение потребительских характеристик компьюте-

ров. Как выяснилось уже в ходе эксплуатации персональных компьютеров, у

них проявляются негативные неосновные функции непреднамеренного харак-

тера. В частности, компьютеры могут наносить вред здоровью пользователя

(при долгой работе у монитора снижается острота зрения, появляются головные

боли и другие недомогания), или служить источником несанкционированного

доступа к информации конфиденциального характера. У компьютера как про-

граммно-технической системы отсутствует преднамеренная негативная функ-

ция. Однако если рассматривать компьютер совместно с пользователем, то та-

кая функция наблюдается. Речь идет о компьютерных «вирусах», уже сегодня

существенно усложняющих «жизнь» почти всем абонентам компьютерной сети

Internet. В качестве нейтральной функции можно указать использование ком-

пьютеров в качестве элемента интерьера офиса руководителя.

В теории системного анализа постулируется: любая система, вне за-

висимости от ее природы, обладает основной и неосновными функ-

циями – позитивными, негативными и нейтральными, преднамерен-

ными и непреднамеренными. Причем часть из них проявлена, а другая

часть скрыта как от самой системы, так и от исследователя. Чаще всего

в изучаемой системе скрыты какие-то неосновные функции или неясны

их связи с основной функцией, но нередки ситуации, когда неизвестна

или априори неверно определена ее основная функция. Поэтому любое

системное исследование начинается с установления (уточнения) ос-

новной функции изучаемой или проектируемой системы, когда она

рассматривается как «черный ящик», функционирующий в составе

надсистемы и заданный характеристиками, известными на данный пе-

риод времени. Более того, уточнение функций и выявление характера

их взаимосвязей должно проводиться на всех этапах системного анали-

за и только по его завершении представляется возможным ответить на

вопросы: «Какое место занимает данная система в надсистеме? Каково

ее истинное предназначение? Какие дополнительные взаимоотноше-

ния могут существовать между объектом анализа и окружающей сре-

дой? Каков характер их влияния на основную функцию системы? Ка-

ким образом можно снизить негативные проявления неосновных

функций? Как можно повысить влияние позитивных составляющих?».

Эффективность. С функциями системы тесно связано такое поня-

тие, как ее эффективность (от лат. effectus – исполнение). Под эффек-

тивностью системы понимается количественная или качественная ха-

рактеристика, позволяющая судить о степени выполнения системой

присущих ей функций. В частном случае, когда основная функция сис-

темы выражается через ее целевую направленность, эффективность от-

ражает степень достижения системой своих целей. Частность следует

понимать в том смысле, что понятия функции системы и цели системы

не являются синонимами. Конечно, целенаправленность (в ее широ-

ком, а не в узком социальном смысле) есть атрибут любой системы. Но

процесс функционирования системы определяется не только ее целя-

ми, то есть заданными каким-либо образом состояниями, в которые она

стремиться попасть, а еще целым рядом других факторов. К ним отно-

сятся: условия функционирования системы; ресурсные возможности,

которыми она располагает для совершения действий; возможные спо-

собы действий и временной интервал, в течение которого система реа-

лизует свои функции. Кроме того, понятием цели не охватываются все

многообразие функций системы, в частности, остаются в стороне неос-

новные функции непреднамеренного характера, весьма существенно

влияющие на ее эффективность. Не менее важным является также и то,

что существует достаточно большей класс систем, обладающих вполне

определенной основной функцией, но не имеющих постоянных целей

функционирования. Это – самоорганизующиеся системы. Попытки

оценить эффективность самоорганизующихся систем только с целевых

позиций приводят к несостоятельности выводов, вытекающих из ре-

зультатов оценки. Так, может оказаться, что вполне процветающая сис-

тема будет обладать нулевой целевой эффективностью. Или, наоборот,

система, достигающая своих целей с очень высокой эффективностью,

может оказаться несостоятельной в плане выполнения своей основной

функции – предназначения. Поэтому в общем случае эффективность

системы предпочтительнее связывать не с ее целенаправленностью, а

со всем комплексом присущих ей функций. В том же случае, когда эф-

фективность системы из каких-либо соображений выражается через ее

цели, необходимо специально оговаривать, какие функции имеются

при этом в виду, а также выбирать интервалы времени, на которых це-

ли функционирования системы остаются неизменными.

Эффективность анализируемой системы характеризуется показате-

лями – количественными величинами или качественными понятиями, с

помощью которых можно оценивать системы и сравнивать их между

собой. В системном анализе показатели эффективности не выводятся

(например, аналитически), а подбираются и назначаются в результате

поиска компромисса между заказчиком и исполнителем. Субъективизм

при этом неизбежен. Проблема состоит в устранении не субъективиз-

ма, а произвола при назначении показателей. Для устранения произво-

ла выбираемые показатели должны удовлетворять условиям предста-

вительности, чувствительности и полноты. Представительность озна-

чает, что показатель эффективности должен предоставлять заказчику

возможность осознанно принимать решения относительно линии сво-

его поведения после получения результатов научных исследований.

Выбранный показатель эффективности обладает свойством полноты,

если в нем находят свое отражение наиболее существенные стороны

изучаемой системы как по представлениям заказчика, так и исполните-

ля. Под чувствительностью понимается способность показателя эф-

фективности реагировать на изменения характеристик объекта изуче-

ния в рамках заданных вычислительных погрешностей.

Категория эффективности системы имеет двойственную природу. С

одной стороны, эффективность имманентно присуща самой системе, а

с другой – связана со свойствами надсистемы и является характеристи-

кой, внешней по отношению к данной системе. Двойственная природа

эффективности определяет два подхода к формированию показателей

эффективности – телеологический (от греч. teleos – достигший цели) и

естественно-физический. При телеологическом подходе оцениваемая

система рассматривается с позиции интересов надсистемы. Ее эффек-

тивность трактуется как мера влияния (положительного или отрица-

тельного, преднамеренного или непреднамеренного), оказываемого

системой на функционирование надсистемы. Конкретное содержание

системы при таком подходе уходит на второй план, и показатели эф-

фективности носят, как говорят, функциональный характер. Примера-

ми показателей этого вида могут служить: процент выполнения плано-

вого задания предприятием, вероятность достижения цели воинским

подразделением в бою, математическое ожидание успеха финансовой

операции и т.п. В сущности, при телеологическом подходе задача

обоснования показателей эффективности системы переносится в ис-

следование надсистемы. К достоинствам функциональных показателей

относят их интуитивную приемлемость для заказчика и однозначность

связи с функциями системы, а к недостаткам – неоднозначность связи с

внутренними характеристиками системы и отсутствие инвариантности,

то есть зависимость эффективности от условий функционирования

системы (одна и та же система может иметь разную эффективность в

зависимости от того в состав какой надсистемы она входит).

Что касается естественно-физического подхода, то в его основе ле-

жит простая и очевидная схема: если взаимодействия между компо-

нентами системы и между системой и надсистемой имеют физическую

природу, то практически приходится иметь дело с физическими вели-

чинами, которые можно измерять. А это означает, что показатели эф-

фективности должны иметь конкретное и вполне реальное физическое

содержание (вещественное, энергетическое, информационное). В такой

постановке проблема выбора показателей эффективности состоит в

сведении всего многообразия факторов взаимодействия к нескольким,

достаточно представительным физическим величинам (например, ко-

личеству особей в популяции, коэффициенту полезного действия ме-

ханизма, весогабаритным параметрам объекта и т.п.). Такие показатели

трактуют как переменные или выходные состояния системы. Главны-

ми достоинствами показателей этого типа являются их измеримость и

инвариантность по отношению к надсистеме, а недостатки связаны с

трудностями установления зависимости между физическими показате-

лями и функциями системы. В практике системного анализа применя-

ются оба подхода. Причем они не противопоставляются, а используют-

ся совместно в процессе изучения систем.

Наряду с показателями в системных исследованиях широко исполь-

зуется термин «критерий эффективности». Показатели и критерии эф-

фективности – родственные взаимосвязанные категории. Поэтому час-

то они употребляются как синонимы, что приводит к определенной пу-

танице. Если показатель – это число или понятие, характеризующее

эффективность системы, то критерий эффективности – это правило,

позволяющее судить о степени достижения системой поставленных

целей либо о качестве выполнения функций.

Пример. Пусть эффективность некоторой системы характеризуется единст-

венным показателем – временем ее реакции τ = t

– t

, где t

– момент времени,

когда возникла необходимость совершения действия, t

– момент исполнения

действия. Чем он меньше, тем выше эффективность данной системы. Тогда

критерий эффективности может быть выражен в следующем виде: система

функционирует эффективно, если τ < τ

кр

, где τ

кр

– критическое время реакции,

то есть максимально допустимое время реакции, при котором реагирование еще

имеет некий практический смысл.

Заметим, что одному и тому же показателю могут соответствовать различные

критерии эффективности. Так, для рассмотренного примера можно ввести сле-

дующий критерий:

,наянеэффектив

;тивнаяслабоэффек

;яэффективна

кр

min

→τ<τ

→τ≤τ<τ

где

кр

ττ

– критические времена реакции,

min

– минимально возможное

время реакции.

Субъективизм при выборе критериев неизбежен: для любой системы

можно всегда подобрать такие критерии, что по одному из них она бу-

дет высоко эффективной, а по другому низко эффективной. Поэтому,

как и при назначении показателей, речь может идти лишь об устране-

нии произвола при выборе критериев эффективности, ориентируясь

при этом на их представительность, полноту и чувствительность, а

также сообразуясь с конкретными целями и задачами исследования.

3.2. СОСТАВ, МОРФОЛОГИЯ И ИЕРАРХИЯ

Составом системы называется перечень ее компонентов с указанием

отношений «часть – целое». Его описывают многоярусным древовид-

ным графом, ярусы которого соответствуют эшелонам, корневые вер-

шины – элементам, промежуточные вершины – подсистемам, наивыс-

шая вершина – всей системе в целом, а ребра – отношения «часть – це-

лое». На рис. 3.2 приведен иллюстративный (упрощенный) пример

графового представления состава такой системы, как персональный

компьютер. В практике системных исследований подобные описания

называют предметной иерархией. Следует отметить, что без указания

страты или слоя анализируемой системы невозможно однозначно ус-

тановить ее состав. Так, в приведенном примере компьютер рассматри-

вался на технической страте, но если тот же компьютер попытаться

представить на программной страте, то его состав изменится. Компью-

тер будет состоять из различных операционных программ, программы

– из подпрограмм, подпрограммы – из блоков, блоки – из модулей и

т.д. вплоть до отдельных операций над двоичными символами.

Знание состава системы позволяет получить ответ на вопрос: «Из ка-

ких частей (подсистем и элементов) состоит система на каждом из вы-

деленных уровней?».

В состав изучаемой системы

могут включаться пользовате-

ли, заказчики, разработчики, а

также исследователи. В этом

случае они рассматриваются

уже не как среда, взаимодейст-

вующая с изучаемой системой,

а как ее неотъемлемые компо-

ненты. Это необходимо делать

тогда, когда отношения, связи,

взаимодействия между изучае-

мой системой и указанными

объектами определяют их

эмерджентные свойства. В ча-

стности, если речь идет, напри-

мер, о проектировании специа-

лизированной компьютерной

сети, то она должна рассматри-

ваться как человеко-машинный

комплекс. То есть в ее состав,

помимо технических средств,

необходимо включать операторов-пользователей и обязательно учиты-

вать их психофизиологические характеристики. В противном случае в

результате проектирования может получиться система, не способная

эффективно выполнять свои функции. При исследовании этой же сети

на экономической страте в ее состав необходимо включать будущего

производителя с его производственными и технологическими возмож-

ностями, иначе созданная сеть может не соответствовать тому, что бы-

ло задумано конструктором и заложено в проект.

Иерархией системы (от греч. hieros – священный + arhe – власть) на-

зывается многоуровневое представление анализируемой системы с

указанием отношений соподчиненности между уровнями (внешне-

уровневая иерархия) и между компонентами внутри каждого уровня

(внутриуровневая иерархия). Соподчиненность – это особое отноше-

ние, указывающее на то, что нижестоящие уровни (компоненты) влия-

ют на деятельность вышестоящих, а последние оказывают организую-

щее воздействие на нижестоящие уровни (компоненты).

Примером, иллюстрирующим сказанное, может служить иерархия биологи-

ческих систем. Напомним, что в биологии выделяют семь основных уровней

Обозначения: S

– компьютер; S

– монитор;

– системный блок; S

– клавиатура + мышь; S

– блок питания; S

– материнская плата; S

– дис-

ководы для дискет; S

– жесткий диск; S

– слот

процессора; S

– слот оперативной памяти; S

–

сопроцессор; S

– контроллеры и порты; S

– по-

стоянная память (BIOS); S

– AGP и PCI слоты; S

– миниаккумулятор; S

– контроллер клавиатуры и

мыши; S

– контроллер дисков и дискет; S

–

видеоконтроллер; S

– параллельные порты; S

–

последовательные порты.

Рис. 3.2. Состав компьютера (пример).