Павлов С.Н. Теория систем и системный анализ

Подождите немного. Документ загружается.

С.Н. Павлов

ТЕОРИЯ СИСТЕМ

И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

Учебное пособие

ТОМСК – 2003

Томский межвузовский центр

дистанционного образования

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра автоматизированных систем управления (АСУ)

С.Н. Павлов

ТЕОРИЯ СИСТЕМ

И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

Учебное пособие

2003

Корректор: Красовская Е.Н.

Павлов С.Н.

Теория систем и системный анализ: Учебное пособие.  Томск: Томский

межвузовский центр дистанционного образования, 2003.  134 с.

 Павлов С.Н., 2003

 Томский межвузовский центр

дистанционного образования, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................5

1 Системы и закономерности их функционирования и развития...................7

1.1 Определение системы.........................................................................................7

1.2 Понятия, характеризующие строение и функционирование систем.............9

1.3 Виды и формы представления структур.........................................................13

1.4 Классификация систем .....................................................................................22

1.5 Закономерности систем....................................................................................27

1.6 Закономерности целеобразования...................................................................30

2 Методы и модели теории систем и системного анализа...............................34

2.1 Классификация методов моделирования .......................................................34

2.2 Методы формализованного представления систем ......................................39

2.3 Методы, направленные на активизацию использования интуиции и

опыта специалистов...........................................................................................45

3 Структурный и функциональный подход в теории систем.

Моделирование ....................................................................................................54

3.1 Дескриптивное и конструктивное определение систем. ..............................54

3.2 Модели и моделирование.................................................................................56

3.3 Структурный и функциональный подходы в системном анализе...............65

3.4 Измерительные шкалы .....................................................................................68

4 Формирование, структуризация и анализ цели .............................................84

4.1 Проблемы формулирования цели при управлении развивающимися

системами ...........................................................................................................85

4.2 Первые методики системного анализа целей ................................................86

4.3 Разработка основных принципов методики предприятия

организационной системы (предприятия) ......................................................96

4.3.1 Принципы разработки методики проектирования и развития

предприятия ...............................................................................................97

4.3.2 Анализ факторов, влияющих на создание и функционирование

предприятия (организации) ......................................................................99

4.3.3 Моделирование рыночных ситуаций ...................................................100

4.3.4 Задачи и принципы формирования и анализа структур, цели и

функций системы управления................................................................102

5 Системный анализ в управлениях ..................................................................105

5.1 Сущность автоматизации управления в сложных системах ......................105

5.1.1 Структура системы с управлением.......................................................105

5.1.2 Пути совершенствования систем с управлением................................108

5.2 Основные понятия системного анализа .......................................................108

5.3 Основные определения системного анализа................................................109

5.4 Типы моделей сложных систем.....................................................................111

5.5 Принципы и структура системного анализа ................................................112

5.6 Структура системного анализа......................................................................112

5.7 Организационная структура и ее основные характеристики .....................118

5.7.1 Виды организационных структур .........................................................119

6 Экономический анализ систем ........................................................................122

6.1 Понятие экономического риска.....................................................................122

6.2 Понятие инвестиционного проекта...............................................................122

6.3 Примеры задач по привлечению инвесторов...............................................123

6.4 Анализ и решение задач с помощью дерева решений ................................124

6.5 Пример процедуры принятия решения ........................................................126

6.6 Имитационное моделирование экономических процессов ........................130

Литература ..............................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к системным представлениям проявлет не только как к удоб-

ному обобщающему понятию, но и как к средству постановки задачи с боль-

шой неопределенностью. Потребность использовать этот термин возникает,

когда невозможно что-то продемонстрировать, изобразить, представить ма-

тематическим выражением и нужно подчеркнуть, что это будет большим,

сложным, не полностью сразу понятным и целым. Например, солнечная сис-

тема, система организационного управления предприятием, регионом, эконо-

мическая система. С развитием научно-технического прогресса появились за-

дачи, которые не решались с помощью традиционных математических мето-

дов и в которых все большее место стал занимать собственно процесс поста-

новки задачи, возросла роль эвристических методов, усложнился экспери-

мент. Для решения таких задач стали разрабатываться новые разделы матема-

тики. Возникло новое направление − принятие решений, которое постановку

задачи признает равноценным этапом ее решения, приближающим математи-

ческие методы к практическим задачам.

При проектировании начали создаваться системы организации проек-

тирования, системы управления разработками, и т.д. Понятие «система» ши-

роко использовалась в различных областях знаний, заинтересовало инжене-

ров, и на определенной стадии развития научного знания теория систем

оформилась в самостоятельную науку, как из прикладных арифметики, гео-

метрии и др. сформировалась обобщенная теория – математика.

Системные представления стали включаться в учебный процесс, и в

настоящее время в учебные планы различных специальностей входят дисцип-

лины «Теория систем», «Системный анализ», «Системология» и т.д.

Роль интеграции наук, организации взаимосвязей и взаимодействия

между различными научными направлениями во все времена выполняла фи-

лософия. В 30-х годах предыдущего столетия философия явилась источником

возникновения обобщающего направления, названного теорией систем. Ос-

новоположниками этого направления считаются Л. фон Берталанфи и наш

соотечественник А.А. Богданов.

В нашей стране вначале теорию систем активно развивали философы.

Однако философская терминология не всегда легко преломляется в практиче-

ской деятельности. Поэтому потребности практики почти одновременно со

становлением теории систем привели к возникновению направления, назван-

ного исследованием операций (математический аппарат, базирующийся на

методах оптимизации, математического программирования и математической

статистики). В 1960-е годы при постановке и исследовании сложных проблем

проектирования и управления довольно широкое распространение получил

термин системотехника, предложенный в 1962 г. Ф.Е. Темниковым. Этот

термин довольно быстро стал использоваться в основном в приложениях сис-

темных методов только к техническим направлениям, а для других направле-

ний был предложен термин системология. Применительно к задачам управ-

ления в определенный период широкое распространение получил термин ки-

бернетика. В настоящее время он используется в более узком смысле как од-

но из направлений теории систем, занимающееся процессами управления

техническими объектами. А для обобщения дисциплин, связанных с исследо-

ванием и проектированием сложных систем, используется термин системные

исследования, а иногда сохраняется термин системный подход, который ши-

роко использовался в первые годы становления теории систем. Наиболее кон-

структивным из направлений системных исследований в настоящее время

считается системный анализ, который предлагает методику проведения сис-

темных исследований, организацию процесса принятия решения, делает по-

пытку предложить подходы к выполнению методики в конкретных условиях.

Для понимания процессов организационного управления полезны об-

щеметодологические представления и закономерности теории систем. Разра-

ботка методик анализа целей, методов и моделей совершенствования органи-

зационной структуры, управления функционированием социально-экономи-

ческих объектов стали в последнее время основным приложением системного

анализа. Поэтому эти направления являются наиболее необходимыми при

подготовке инженеров по любым специальностям.

Целью дисциплины можно считать следующее: дать представление о

теории систем и системном анализе, о полезности их применения при моде-

лировании задач управления и проектирования. Перечислим три подцели:

1. Ознакомить с основами теории систем и системного анализа.

2. Дать представление о методах теории систем и методиках системно-

го анализа.

3. Развить стремления и навыки применения системных представле-

ний.

1 СИСТЕМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

И РАЗВИТИЯ

1.1 Определение системы

Развитие определения системы. Термин система используется в тех

случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объ-

ект как нечто целое (единое), сложное, о котором невозможно сразу дать

представление, показав его, изобразив графически или описав математиче-

ским выражением. Рассмотрим принципиальные изменения определения сис-

темы не только по форме, но и содержанию.

1. S≡<A, R>, где A={a

}, R={r

};

2. S≡<{a

}, {r

}>, a

∈A, r

∈R;

3. S≡ [{a

}&{r

}], a

∈R, r

∈R.

В приведенных формализованных записях определения использованы

различные способы теоретико-множественных представлений: в первых двух –

используются различные способы задания множеств и не учитываются взаи-

модействия между множествами элементов и множествами связей R. В

третьем отражен тот факт, что система это не простая совокупность элемен-

тов и связей того или иного вида, а включает только те элементы и связи, ко-

торые находятся в области пересечения друг с другом.

4. Если элементы принципиально неоднородны, то выделяются разные

множества элементов A={a

} и B={b

S≡<A,B,R>.

5. Для уточнения элементов и связей в определения включают свойст-

ва (атрибуты) Q

, дополняя понятие элемента (предмета):

S≡<A,Q

,R>.

6. Затем в определении системы появляется понятие цель. Вначале в

неявном виде, потом в виде конечного результата, системообразующего кри-

терия, а поздне − с явным упоминанием цели:

S≡<A,R,Z>, где Z − цель, совокупность или структура целей.

7. В некоторых определениях уточняются условия целеобразования –

среда SR, интервал времени ∆T, т.е. период, в рамках которого будет сущест-

вовать система и ее цели. Определение В.Н. Сагатовского: система «конечное

множество функциональных элементов и отношений между ними, выделен-

ное из среды в соответствии с определенной целью в рамках определенного

временного интервала»:

S≡<A,R,Z,SR,∆T>.

8. Далее в определение системы начинают включать, наряду с элемен-

тами, связями и целями, наблюдателя N, т.е. лицо, представляющее объект

или процесс в виде системы при их исследовании или принятии решения:

S≡<A,R,Z,N> .

9. Первое определение, в котором в явном виде включены наблюда-

тель и свойства элементов, дал И.Ю. Черняк: «Система есть отражение в

сознании субъекта (или исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их

отношений в решении задачи исследования, познания».

10. В последующих вариантах этого определения Ю.И. Черняк стал

учитывать язык наблюдателя L

: «Система есть отображение на языке на-

блюдателя (исследователя, конструктора) объектов, отношений и их

свойств в решении задачи исследования, познания»:

S≡<A,Q

,R,Z,N,L

> .

Материальность или нематериальность системы. С одной стороны,

стремясь подчеркнуть материальность системы, некоторые исследователи в

определениях заменяли термин элемент термином вещь, объект, предмет.

С другой стороны, исследователи систему трактуют как отображение,

т.е. нечто существующее лишь в сознании исследователя.

Бессмысленность спора материальности и нематериальности системы

показал В.Г. Астафьев: «Объективно существующие системы – и понятие сис-

темы; понятие системы, используемое, как инструмент познания системы, - и

снова реальная система, знания о которой обогатились нашими системными

представлениями; - такова диалектика объективного и субъективного в сис-

теме ...»

Это высказывание наглядно представлено на рис. 1.1.

Рис. 1.1

Материальное

состояние

Материальное

состояние

Нематериальное

состояние

Таким образом, в понятии система (как и любой другой категории по-

знания) объективное и субъективное составляют диалектическое единство, и

следует говорить не о материальности или нематериальности системы, а о

подходе к объектам исследования как к системам, о различном представлении

их на разных стадиях познания.

Система и среда. На первых этапах системного анализа важно уметь

отделить систему от среды, с которой взаимодействует система. Сложное

взаимодействие системы со средой состоит в том, что система образует осо-

бое единство со средой; она, как правило, представляет собой элемент систем

более высокого порядка; элемент любой исследуемой системы в свою оче-

редь рассматривается как система более низкого порядка.

Развивается это определение в одной из методик анализа целей [4]

разделением сложной среды на надсистему или вышестоящие системы, ни-

жележащие или подведомственные системы, системы актуальной или суще-

ственной среды.

Такому представлению о среде соответствует определение: «Среда

есть совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на сис-

тему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения

системы».

Выделяет систему из среды наблюдатель, который отделяет элементы,

включаемые в систему, от остальных, т.е. от среды, в соответствии с целями

исследования.

Выбор определения системы. Из вышесказанного ясно, что на раз-

ных этапах представления объекта в виде системы, в различных конкретных

ситуациях можно пользоваться разными определениями. Причем по мере

уточнения представления о системе или при переходе на другой уровень ее

исследования определение системы должно уточняться.

Таким образом, при проведении системного анализа нужно, прежде

всего, отобразить ситуацию с помощью как можно более полного определе-

ния системы, а затем, выделив наиболее существенные компоненты, влияю-

щие на принятие решения, сформулировать «рабочее» определение, которое

может уточняться, расширяться или сужаться в зависимости от хода анализа.

1.2 Понятия, характеризующие строение и функционирование

систем

Элемент. Под элементом принято понимать простейшую неделимую

часть системы, хотя это понятие и является неоднозначным. Поэтому примем

следующее определение: элемент – это предел членения системы с точки

зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи, поставленной

цели.

Систему можно расчленять на элементы различными способами в за-

висимости от формулировки задачи, цели ее уточнения в процессе проведе-