Lektsii_SAM_isprav_2-14

1

Системный анализ и моделирование

Лекция 1

1. Актуальность проблемы исследования сложных S

НТП за последние 70 лет привел к появлению новых научных направлений, связанных с необходимостью изучения новых классов объектов и процессов, с созданием новых теорий и технологий (способов, приемов) проектирования, исследования, производства и эксплуатации этих объектов. Одним их таких объектов являются СС.

Для СС характерно:

1.неоднородность и большое кол-во (десятки тысяч) переменных состояния (степеней свободы, параметров, элементов). // ЭВМ, армия, мозг, экономика;

2.сложность и изменчивость строения (иерархия), приводящая к внутриуровневым и межуровневым конфликтам;

3.нелинейность характеристик и свойств п/с (эл-тов) и отношений м/у ними;

4.трудная предсказуемость в поведении (функционировании, движении и развитии) систем в КС (нештатных, аварии), связанных с неопределенностью поведения ВС, с потерей цели, дефицитом ресурсов, отказами в п/с, изменением ее структуры. (омни каузальные структуры –

поведение предсказуемо, парти каузальные – поведение плохо предсказуемо);

5.многофункциональность;

6.нестационарность;

7.стохастичность;

8.гибкость, живучесть (способность менять цель (структуру) при изменении условий функционирования и отказах);

9.стойкость, живучесть, робастность (способность выполнять функции при отказах, при выходе параметров за пределы).

СС– предмет исследования во всех науках. Это актуально, без этого невозможен дальнейший НТП. Несмотря на большое многообразие СС по физической природе, на абстрактном уровне они имеют множество общих свойств и закономерностей, которые отражают системность материального мира, научного познание (мышления) и практической деятельности.

Знание

(человек)

Рисунок 1.

3 уровня познания системности:

1)На философском уровне системные свойства и закономерности изучает диалектический материализм: диалектика ММ, диалектика мышления, диалектика практической деятельности. Диалектика изучает системы в противоречии, целостности и развитии.

2)На общенаучном уровне: ОТС, СА, системология, исследование операций.

3)На естественнонаучном уровне (в предметной области): кибернетика, информатика, математика, ИСУ, системотехника, экономика, социология и т.д.

2

2. Определение системы. Цель и предмет дисциплины ОТС

О. Система (systema с гр. – целое, составленное из частей; соединение) – множество элементов (объектов), находящихся в отношениях (связях) друг с другом и образующих целостность (единство). Эта целостность обладает такими свойствами, которых нет ни у одного из ее элементов.

Системы: солнечная, образования, уравнений, организационная, показателей, знаний, техническая, технологическая, муниципальная, здравоохранения, политическая, экономическая, экологическая, планирования, контроля, защиты и т.п.

О. ОТС (СА) – научная дисциплина, изучающая наиболее общие закономерности в строении, организации, функционировании, поведении, развития и т.д. СС различной физической природы (РФП) с целью их анализа и проектирования.

О. Системология – наука о системах.

Среди СС особое место занимает класс управляемых сложных систем. Наступил кризис в управлении СС: нет эффективных способов управления.

О. Управление – это такое воздействие на объект (или процесс), которое направлено на достижение определенной цели, т.е. конкретное целенаправленное воздействие.

R – ресурсы: материальные, технические, финансовые, трудовые, информационные, временные, топливно-энергетические.

Примеры ОУ: летательные аппараты, производственная S, образовательная S, административная S, экономика, государство.

Цель дисциплины ОТС (СА):

1.развитие у обучающихся системного мышления и выработки некоторых практических навыков в области системных исследований для использования их в процессе обучения и познания, освоения старых и получения новых знаний;

2.расширить эрудицию;

3.умение самостоятельно соединять крупицы знаний в единую S;

4.ставить системные задачи и намечать пути их решения;

5.создавать организации и управлять ими.

Изучением процессов управления в технических и технологических объектах занимается кибернетика (ТАУ).

Изучением процессов управления в организационных, административных, производственных, социальных, экономических, хозяйственных S занимается менеджмент.

В 1-ом случае поведение ОУ описывается формально, с помощью уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегрально-дифференциальных), которые отраж. те или иные физ. законы, которым подчиняются процессы в объекте.

3

Во 2-ом случае поведение ОУ не м.б. формализовано, т.к. присутствие человека как элемента системы делает это невозможным. // хотя если человек действует по инструкции, правилам, то это возможно с определенной точностью. Но велика ошибка, а в КС и вовсе невозможно.

Предмет изучения ОТС (СА, ИСУ):

законы, принципы, закономерности в строении, организации, планировании, проектировании, функционировании (поведении), моделировании, развитии и т.д. управляемых S РФП;

подходы к построению моделей п/с и S в целом;

технологии (способы, методы, алгоритмы) целенаправленного формирования общесистемных

свойств УСС и анализа (исследования) их свойств (устойчивости, адаптации, движения и т.д.), моделирования поведения СС, прогнозирования их развития, технологии обучения и организации;

технологии экспериментальных исследований.

ОТС (ИСУ) как наука д. отвечать на вопросы: что д.б. в S; что м.б. в S; чего не м.б. в S.

ОТС (ИСУ) как теория д.б. способна к: 1) объяснениям, 2) предсказаниям, 3) обобщениям, 4) постановкам новых задач, проблем, 5) истинной и правильно построенной (полной, непротиворечивой, независимой), 6) связям с важнейшими научными теориями и принципами (направлениями), 7) давать (синтезировать) новые знания.

Связь ИСУ (ОТС) с другими учебными дисциплинами.

Одна из проблем ВШ – преодоление недостатков узкой специализации. Решается след. способами:

1)во время обучения:

а) введением непрофилирующих дисциплин для данной специальности (инф-ка, ВТ, ТАУ); б) введением наддисциплинарных курсов (ОТС, СА, ИСУ, ИО) для выработки системного

мышления и ознакомления с системными проблемами в конкретной предметной области. Это помогает объединить знания в различных областях в единую систему знаний;

в) получение второй специальности (система дистанционного обучения СДО); г) послевузовское обучение.

2) после обучения: непрерывное повышение уровня знаний на рабочем месте (СДО) или через ФПК

Даймер-Бенц: Высокое качество продукции * непрерывное обучение + автоматизация управления = успех фирмы на рынке. Если не обучаться, то с годами вырабатывается комплекс неполноценности. Ваша специальность объединяет большое кол-во дисциплин:

а) фундаментальные: мат-ка, физика (механика, электроника, оптика, электротехника); б) общетехнические и естественнонаучные: ТАУ, ТОЭ, прикладная механика, информатика, ВТ,

технология конструирования и т.д.;

в) специальные: автономные роботы, РТС спец. назначения, САУ АД, ЛА, S интеллектуального интеллекта, S технического зрения, приводы, информационно-измерительные S и т.д.

Т.о., в образовании четко проглядывается общая тенденция к движению от узких специализаций к универсализации, интеграции знаний, т.е. к подготовке специалистов широкого профиля.

4

Лекция 2

3. Системный подход к познанию материального мира

Под системным подходом (СП) понимают такой подход (концепцию, методологию) к исследованию объекта (процесса, явления), когда последний рассматривается как система.

СП к изучению процессов и явлений у человека формировался с начала его осмысленной практической деятельности.

Системность – свойство материи (ММ).

Системные представления у человека развивались в трех направлениях:

1)СП к изучению строения и развития самого ММ;

2)СП к практической деятельности (ПД);

3)СП к процессам мышления, познания как основной формы научной деятельности (НД). 1) Системность строения и развития ММ является всеобщим свойством материи, формой ее

существования и изучается в диалектике.

2)Системность ПД человека как активного и целенаправленного воздействия на ОС проявляется:

в наличии цели (все действия человека преследуют какую-либо цель);

в наличии взаимосвязанных частей (сложные действия состоят из множества более простых

действий, выполняемых в определенной последовательности для достижения поставленной цели);

в наличии структуры, т.е. все взаимосвязанные простые действия образуют вполне определенную структуру, т.е. структурированы;

в стремлении развиваться, порождать искусственные системы и организации (проектирование, строительство, организации: государство, армия, предприятие, ВУЗ и т.д.);

в стремлении воздействовать на ОС (техногенные воздействия, защита экологии и

природоохранительная деятельность, добыча полезных ископаемых). Перечисленные факторы являются системообразующими факторами ПД человека.

3) Системность мышления связана с системностью ММ (Природа, вселенная) и является его отражением и следствием.

Вто же время мышление достаточно автономно, самостоятельно, ибо может в воображении порождать нереальные но системные фантастические и виртуальные образы и конструкции. Несистемность – это хаос.

Всвоей ПД человек должен согласовывать системность мышления с объективной системностью ММ (природы).

Системность процесса логического познания проявляется в его структурированности, в декомпозиции (разделении) его объединений на два взаимосвязанных процесса: анализ и синтез.

Анализ – разделение (декомпозиция) целого на части, представление СС знаний в виде множества взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов и изучение ее свойств с какой-либо целью.

Синтез – объединение (композиция) отдельных компонентов знаний в единую систему знаний для достижений определенной цели (построение мат. модели какого-либо физ. процесса или разработки технологии производства).

В зависимости от первоначальных, базовых компонентов в результате синтеза новых знаний образуются новые «синтетические» науки: биофизика, биомеханика, бионика, мехатроника, кибернетика, биохимия, ОТС, теория организаций, дианетика (наука о душевном здоровье человека), теософия.

Новые знания тоже системны.

Системные представления развиваются в философии, затем в естественных науках (математика, физика, химия, медицина) в научно–технических областях (механике, электротехнике, теплотехнике).

5

Только в 1 половине XX века пересеклись в одной точке – новом научном направлении – ОТС, которая пытается обобщить системные методы, принципы и закономерности, носящие всеобщий характер.

СП – это методология любой науки, реализуется в любой предметной области. Без СП невозможно построить ни одну теорию. Развитие СП в конкретных науках – это история этих наук.

Но ОТС в отличие от конкретных наук рассматривает системность как объект исследования. Далее рассмотрим вклад некоторых ученых в развитие теории систем.

6

История

Первые попытки установл-я универсальных научных принципов (опуская др. ученых - Аристотеля) были сделаны в 19 в.

1)Андре – Мари Ампер (физик) «Опыт о философии наук, или аналитическое изложение классификации всех человеческих знаний», ч.I – 1834, ч.II – 1843

выделили специальную науку об управлении гос-вом, назвав ее кибернетикой (искусство управления);

выявил системные особенности управления гос-вом: наличие цели, оценка ситуации, принятие

решений (мер) с учетом особенностей гос-ва как S (народа, религии, законов, организаций, истории и т.д.).

2)Б. Трентовский - польский философ гегельянец. В 20-30-х гг. 19 в. читал курс лекций по кибернетике во Фрайбургском университете, а в 1843 г. опубликовал книгу «Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом». Цель кибернетики – построение научных основ

практической деятельности руководителя.

эффективное управление должно учитывать все важнейшие внешние и внутренние факторы, влияющие на объект управления;

принятие управленческого решения должно регулярно пересматриваться в пространстве и во времени, в связи со сменой текущей ситуации;

формализовать деятельность человека как элемента системы сложно, но четкая формулировка

цели, программы управления, четкое исполнение, контроль, поощрение и наказание – все это может повысить эф-сть управления;

общественная, социальная система рассматривается как единство противоречий (сил),

разрешение которых и есть развитие (движение) системы. Здесь осознана необходимость алгоритмизации человеческой деятельности, системность человеческих коллективов, групп, формальных и неформальных образований, сложность управления людьми.

Ксожалению, кибернетика как наука управления не была воспринята и была позабыта, т.к. в ней не было практической необходимости. С другой стороны к системным представлениям подходили с позиции поиска общих структурных закономерностей разнородных явлений.

3)Академик Е.С.Федоров (минеролог, кристаллограф) (1853-1919).

может существовать только 230 разных типов (групп симметрии) кристаллической решетки,

хотя любое вещество при определенных условиях может кристаллизоваться, но отсюда вытекает общесистемный вывод: многообразие природных тел реализуется из конечного числа базовых (исходных) элементов. Этот вывод справедлив для языковых S, архитектурных конструкций, строения вещества на атомном уровне, общественных организаций, музыкальных композиций и др. S.

4)Е.С.Федоров (1906) статья «Перфекционизм», В.Банкрофт (амер. химик) (1911) общие S совершенствования в природе.

Принцип Ле Шателье-Брауна в химии является универсальным. В физике он называется

принципом наименьшего действия. В биологии – законом выживания наиболее приспособленных. В экономике – законом предложения и спроса;

Системное определение этого принципа таково: система стремится к изменению таким

образом, чтобы свести к минимуму влияние внешнего воздействия. S стремится к положению равновесия при прекращении действия внешних сил, выведших S из равновесия;

Принцип Ле Шателье-Брауна (закон смещения термодинамического равновесия): внешнее

воздействие, выводящее S из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Принцип предложен в 1884 г. французским физико-химиком и металловедом Анри Луи Ле Шателье (1850-1936 гг.) и

7

термодинамически обоснован в 1887 немецким физиком Карл Фердинанд Брауном (18501918).

5)Людвиг Больцман (1844-1906) – познание есть не что иное, как поиск аналогий (1905).

6)Михаил Петрович (1906) разрабатывает учение об аналогиях, а в 1921 г. издает книгу «Механизмы, общие для явлений, разнородных по своей физической природе».

Автор раскрыл аналогию целых групп явлений, разнородных по своей физической природе.

Показал важную роль аналогий в процессе познания. Далее усилиями других ученых учение об аналогиях легло в основу теории моделирования.

7)Эдгар Витцман (1934) (амер. биохимик) – статья «Мутация и адаптация как составные части универсального принципа».

принцип адаптации (Ле Шателье-Брауна) и принцип периодичности (ритма) являются универсальными и применимыми во всех областях знаний

8)А.А.Богданов (Малиновский) (медик, экономист) (1873-1928). В 1911 – I т., 1917 – II т., 1925 – III т. «Всеобщая организационная наука (тектология)». В книге разработана общая теория организации. Идеи Богданова были столь новы и противоречили складу мышления своего времени, что были не поняты и не восприняты. Помешало и то, что Богданов в свое время (1903-1905 гг.) подвергался резкой критике со стороны В.И.Ленина в его книге «Материализм и эмпириокритицизм» за собственную философию – эмпирионизм. Многие стали смешивать философские взгляды Богданова с тектологией. Тем более что сам Богданов дал повод для этого, утверждая что «по мере своего развития тектология должна сделать излишней философию, и уже с самого начала стоит над ней». В то же время, как преподаватель Коммунистической академии, написал «Краткий курс политэкономии», создал первый в мире институт переливания крови, став его директором (1926 г.). Пытаясь реализовать некоторые выводы тектологии на сложной системе – кровеносной, Богданов проводил опыты на себе, и его излишняя самоуверенность привела к трагедии. В 1928 г. он погиб в результате очередных опытов.

Некоторые результаты тектологии:

структурные отношения м.б. обобщены до такой же степени формальной чистоты схем, как в

математике отношения величин, и на этой основе организационные задачи м. решаться способами, аналогичными математическим (алгебра структур);

все существующие объекты и процессы имеют определенную степень (уровень) организации,

которая тем выше, чем сильнее свойства целого (S) отличаются от совокупности свойств его частей;

существуют 2 общих и основных организационных механизма: формирующий и регулирующий (стратегия и тактика, планирование и управление);

«всякое изменение комплексов и их форм возможно представить как цепь актов соединения

того, что было разделено, и разделения того, что было связано…»(композиция и декомпозиция).

Все процессы рассматриваются как процессы организации и дезорганизации.

Втектологии:

1.рассматриваются закономерности развития организации; Раскрыты:

2.значение обратных связей в организационных S;

3.роль целей S и подцелей отдельных ее элементов (частей);

4.идея саморегулирования S //с помощью бирегулятора, когда 2 п/с помогают друг другу в поддержании равновесия (устойчивости);

5.понятие структурная неустойчивость – кризис форм (структур), смена организационной формы комплекса, ведущая к структурной перестройке;

6.понятие структурный прогресс и регресс, самоорганизация S и их деградация, разрушение.

8

Богданов, несомненно, является одним из создателей теории S, он оставил яркий след в науке, намного опередив своими идеями последующие поколения ученых. Многие общетеоретические проблемы системного подхода разработаны им полнее и более строго, чем в современной теории систем и кибернетике. Жаль, что тектология многие годы оставалась вне поля зрения ученых.

9)Г.Крон в 1939-1963 гг. разработал диакоптику (метод расчленений) как метод исследования сложных S по частям. В основе диакоптики лежит системный подход. Топологическая модель СС разделяется на некоторое число малых п/с, каждая п/с анализируется и рассчитывается отдельно от остальных п/с. Затем частные решения соединяются шаг за шагом, пока не будет получено решение для всей S. Теория демонстрируется на примерах и языке электротехники.

10)Н.Винер (амер.матем) (1894-1964) в 1948 г. опубликовал книгу «Кибернетика или управление и связь в животном и машине», а позже книгу «Кибернетика и общество».

Опираясь на достижения в различных областях человеческих знаний (математики, механики,

физики, электроники, автоматики, биологии, медицины и т.д.), Н.Винер наиболее полно осознал и раскрыл системность мира и происходящих в нем явлений и процессов, системность общества, системность мышления, системность человеческой деятельности, системность результатов этой деятельности (знаний).

Предметом изучения кибернетики являются S (объекты и процессы) РФП (техн., биол., экон.,

соц. и т.п.). Вначале многих ученых это смутило, и потому кибернетику отнесли не к науке, а к разряду искусства – искусства эффективного управления. (I м/н конгресс, Париж 1956). У нас кибернетику отнесли к разряду буржуазной лженауки за посягательство на создание «мыслящих машин».

С годами стало ясно, что кибернетика – это самостоятельная наука, которая имеет свой

предмет и свои методы исследования. Кибернетика – наука об эффективном управлении сложными динамическими S, а также о S приема, хранения, обработки и выдаче инф., необходимой для формирования (принятия) управленческих решений.

Объекты изучения: САУ, ЭВМ, чел. мозг, биопопуляции, чел. общество, эк-ка и т.д.

Теоретическая кибернетика включает разделы: теория инф., теория алгоритмов, теория автоматов, исследование операций, теория адаптации и оптимального управления, теория распознавания образов, теория S искусственного интеллекта и т.д.

Основные методы исследования: аналитические, экспериментальные, моделирование на ЭВМ.

Кибернетика выявила роль информации в управлении, возможность ее количественной

оценки, роль принципа оптимальности в планировании, управлении, синтезе S, роль типизации моделей элементов S РФП, позволила разработать ряд принципиально новых классов моделей (нейронные сети), новый класс S основанных на нечеткой логике, нейронных сетях, генетических алгоритмах и экспертных S. С развитием кибернетики начался невиданный размах компьютеризации во всех областях человеческой деятельности.

Недостатки кибернетики: 1) Слабо разработан учет качественной (смысловой) стороны инф.;

2) При моделировании интеллекта учитываются логический компонент мышления и вероятностный (не учитывается интуиция); 3) Принцип оптимальности реализуется только в полно формализуемых задачах; 4) Слабо формализуемые процессы и объекты с трудом

поддаются учету; 5) Изучаются относительно простые, малоразмерные замкнутые S; 6) Учитывается только влияние ВС на S.

Кибернетика – это важный этап в развитии системных представлений. Со временем она сливается

с ОТС.

11)Людвиг фон Берталанфи (австр. Биолог-теоретик) (1901-1972) выдвинул в 1937 г. (через 12 лет после появления тектологии) обобщенную системную концепцию – ОТС – в лекциях, прочитанных в Чикагском университете. Но работы по ОТС публикует с 1947 г.

Концепция ОТС основывалась на структурном сходстве (идентичности, изоморфизме) законов в разных областях науки и в обобщении их в виде системных закономерностей.

9

Берталанфи несколько заблуждался относительно значимости своих обобщений:

1)работы Богданова были переведены на немецкий язык в 1925-1926 гг.

2)был широко известен принцип аналогий, например одни и те же диф. уравнения описывают различные физические процессы.

Берталанфи считал что создал новую науку ОТС. Он считал ее, во-первых, как логикоматематическую область, содержанием которой является формирование и дедукция (вывод от общего к частному) принципов, действительных для S любой физической природы; во-вторых, как эмпирикоинтуитивную дисциплину, которая формально применима ко всем наукам, изучающим S. Поэтому он предлагал разделить ОТС на 2 части:

1)теорию S в широком смысле как совокупность методов прикладной математики и кибернетики;

2)теорию S в узком смысле как теорию абстрактных S, описывающую исследуемые объекты на различных уровнях абстракции: теоретико-множественном, топологическом, логикоматематическом, символическом, информационном и эвристическом.

Абстрактная теория S позволяет моделировать процессы ПР, исследования операций, адаптации, обучения и т.д.

Однако в указанных направлениях ОТС слабо развивалась. В большей степени она развивалась в разработке общесистемных концепций, моделей, законов, принципов и методов исследования.

Берталанфи заблуждается также в том, что он впервые пытается создать «общую теорию организации»,забыв о работах А.Богданова. Многие идеи ОТС повторяют результаты тектологии.

В кибернетике Винера больше уделяется внимания внутреннему строению S, а ее функционирование рассматривается как реакция на внешние воздействия ОС.

В ОТС большее внимание уделяется взаимодействию S с ОС, обмену веществом, инф. и

энергией м/у ними. Такая S названа открытой. Открытая S при взаимодействии с ОС стремится к динамическому равновесию путем перестройки своей организации (структуры) с целью сохранения или приобретения новых свойств (например внутренней устойчивости). Эта идея близка к идее гомеостазиса (сохранения характеристик, функций, состояния равновесия и т.д.) в кибернетики.

«ОТС – это скелет науки в том смысле, что ее целью является разработка основ и структур S,

на которые наращивается плоть и кровь отдельных дисциплин» (К.Боулдинг, экономист 1969 г.)

12)Илья Пригожин (бельг. физик) (1917-2002), лауреат Нобелевской премии 1977 за термодинамику неравновесных физических S. Предложил новые взгляды на теорию системодинамики (синергетика):

материя не является пассивной субстанцией, ей присуща спонтанная активность, вызванная

неустойчивостью неравновесных состояний, в которые рано или поздно приходит любая S в результате взаимодействия с ОС. В такие переломные моменты (особые точки, точки бифуркации) принципиально невозможно сказать, станет ли S менее или более организованной.

Синергетика – теория эволюции (развития) больших, сверхсложных динамически

неравновесных нелинейных S.

Герман Хакен в 1969 ввел понятие «синергетики» для обозначения диссипативных структур И.Пригожина. Показал, что теория Пригожина является междисциплинарной (и не только в физике)

Главная проблема – проблема самоорганизации и саморазвития в условиях неопределенности.

Диссипативные структуры (организации) – структуры, переходящие из упорядоченного состояния в хаотическое.

Вывод. Процесс поиска истины, движения к истине в науке всегда очень труден, порой долог, непрерывно сопровождается заблуждениями, потерями, ошибками, возвратом назад, блужданием,

10

но важно при этом само движение, сам поиск истины. Такой же трудный путь проходит человечество и в формировании системных знаний. Осознание системности:

1) Своей деятельности, 2) Самого процесса познания, 3) Окружающего материального мира, 4) Общества. Вот одна из основных целей научно-практической деятельности человека.