Научная школа теории систем и системного анализа заро­дилась в СПбГТУ в 70-е гг. Родоначальники этой школы внесли вклад как в развитие теории систем, так и в разработку прикладных методов и моделей системного анализа - от методик структуриза­ции и анализа целей до разработки автоматизированных информа­ционно-управляющих систем.

Учебник посвящен столетию со дня основания Санкт-Петербургского политехнического института (ныне - Технического университета), и авторы отразили в нем роль ученых вуза в развитии теории систем и системного анализа.

Важной отличительной чертой представляемого учебника яв­ляется тот факт, что авторы включили в него ряд примеров применения методов и моделей системного анализа, подготовленных студентами и аспирантами Технического университета в процессе выполнения ими курсовых и дипломных проектов, студенческих научно-исследовательских работ.

Авторы учебника - ведущие специалисты в этой области.

Анатолий Алексеевич Денисов окончил Ленинградский политехнический институт в 1958 году, и с тех пор работает в институ­те, пройдя путь от ассистента до профессора. В настоящее время А.А.Денисов - доктор технических наук, профессор Факультета технической кибернетики СПбГТУ, академик Международной ака­демии наук высшей школы и Международной академии информа­тизации, президент Академии национальной безопасности. В 1975 г. А.А.Денисов впервые опубликовал развиваемую им теорию инфор­мационного поля, которая явилась продолжением исследований проблемы общности процессов в системах различной физической природы - электрических, гидравлических, пневматических. Реше­ние этой проблемы позволило автору получить ряд важных при­кладных результатов в области электрогидравлических и электро­пневматических устройств автоматики, и в дальнейшем явилось хорошей основой для теории развивающихся систем и ее приложе­ний, излагаемых в читаемом им курсе "Системология" и приводимых в учебнике.

3

Виолетта Николаевна Волкова окончила Таганрогский радиотехнический институт и первоначально занималась исследованием систем радиоуправления. С 1973 г. - руководит постоянно дей­ствующим семинаром "Системный анализ и его применение". Вначале - при Всесоюзном научно-техническом обществе радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова (г. Москва), а с 1980 г. -при Ленинградском Доме ученых им. М.Горького. Результатом деятельности этого семинара явилось объединение ученых разных городов, работающих в области прикладной теории систем и системного анализа, и подготовка двух первых в стране монографий в этой области - "Теория систем и методы системного анализа в управлении и связи" (М.: Радио и связь, 1983 г.) и "Системное проектирование радиоэлектронных предприятий с гибкой автоматизированной технологией" (М.: Радио и связь, 1990 г.). С 1980 г. В.Н. Волкова работает в Ленинградском политехническом институте на Факультете экономики и менеджмента, читает курсы "Теория систем и управление", "Основы теории систем и системного анализа" и т. п. Основная область ее научных интересов - разработка и применение закономерностей теории систем, методов и методик системного анализа в управлении сложными социально-экономическими объектами. В.Н.Волкова - доктор экономических наук, профессор, академик Международной академии наук высшей школы и Международной академии информатизации, президент Санкт-Петербургского регионального отделения Международной академии общественного развития.

В 1991 году объединенным коллективом ученых Ленинграда, Москвы и других городов страны (в составе которых несколько политехников) был подготовлен первый в стране учебник по системному анализу "Системный анализ в экономике и организации производства" (Л.: Политехника, 1991), значительная часть которого была подготовлена авторами данного учебника.

Оба автора являются признанными авторитетами в научных кругах, а их педагогической деятельности сопутствует внимание и уважение со стороны студентов, аспирантов и преподавателей.

В представляемый учебник (за исключением обзоров и некото­рых прикладных примеров) включены в основном оригинальные работы авторов, результаты которых излагаются ими в читаемых курсах и используются в учебном процессе других вузов.

Ю.С.Васильев, Президент Санкт-Петербургского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Традиционно учебники и учебные пособия для инженерных специальностей принято начинать с характеристики объектов или проблемных ситуаций, при моделировании и исследовании которых необходимы дисциплина и учебник. Однако потребность в использовании понятия "система" возникала для объектов различной физической природы с древних времен: еще Аристотель обратил внимание на то, что целое (т. е. система - авт.) несводимо к сумме частей, его образующих.

В частности, термин "система" и связанные с ним понятия комплексного, системного подхода исследуются и подвергаются осмыслению философами, биологами, психологами, кибернетиками, физиками, математиками, экономистами, инженерами различных специальностей. Потребность в использовании этого термина возникает в тех случаях, когда невозможно что-то продемонстрировать, изобразить, представить математическим выражением и нужно подчеркнуть, что это будет большим, сложным, не полностью сразу понятным (с неопределенностью) и целым, единым.

Например - "солнечная система", "система управления станком", система организационного управления предприятием (городом, регионом и т. п.)", "экономическая система", "система кровообращения" и т.д.

В математике термин система используется для отображения совокупности математических выражений или правил - "система уравнений", "система счисления", "система мер" и т. п. Казалось бы, в этих случаях можно было бы воспользоваться терминами "множество" или "совокупность". Однако понятие системы подчеркивает упорядоченность, целостность, наличие определенных закономерностей.

Интерес к системным представлениям проявлялся не только как к удобному обобщающему понятию, но и как к средству постанов­ки задач с большой неопределенностью.

По мере усложнения производственных процессов, развития науки, проникновения в тайны функционирования и развития жи­вых организмов появились задачи, которые не решались с помощью традиционных математических методов и в которых все большее место стал занимать собственно процесс постановки задачи, возросла роль эвристических методов, усложнился эксперимент, доказывающий адекватность формальной математической модели. 5

Для решения таких задач стали разрабатываться новые разделы математики; оформилась в качестве самостоятельной прикладная математика, приближающая математические методы к практическим задачам; возникло понятие, а затем и направление принятие решении, которое постановку задачи признает равноценным этапом ее решения.

Однако средств постановки задачи новые направления не содержат, поскольку на протяжении многовековой истории развития по образному выражению С. Лема "математики изгоняли беса, значение, из своих пределов"', т. е. не считали функцией математики разработку средств постановки задачи.

Исследование процессов постановки задач, процесса разработки сложных проектов позволили обратить внимание на особую роль человека: человек является носителем целостного восприятия, сохранения целостности при расчленении проблемы, при распределении работ, носителем системы ценностей, критериев принятия решения (появился термин "лицо, принимающее решение" - ЛПР). Однако человек не всегда справляется с этой ролью. Для того, чтобы организовать процесс проектирования начали создаваться системы организации проектирования, система управления разработками и т. п.

Иными словами, понятие "система" широко использовалось в различных областях знаний, заинтересовало инженеров, и на определенной стадии развития научного знания теория систем оформилась в самостоятельную науку, как когда-то из прикладных арифметики, геометрии и др. сформировалась обобщенная теория - математика.

Системные представления стали включаться в той или иной форме в учебный процесс вузов, и в настоящее время междисциплинарные курсы "Теория систем", "Системный анализ", "Системология" и т. п. входят в учебные планы различных специальностей - технических, экономических, гуманитарных.

Для того, чтобы обосновать предлагаемое название дисциплины и учебника, которое нам представляется наиболее соответствующим нынешнему состоянию системного знания, приведем краткую историю становления терминологии в этой области.

Развитие научного знания и его приложений к практической деятельности в XYIII - XIX в.в. привело к все возрастающей дифференциации научных и прикладных направлений. Возникло много специальных дисциплин, которые часто используют сходные формальные методы, но настолько преломляют их с учетом потребностей конкретных приложений, что специалисты, работающие в разных прикладных областях (так называемые "узкие специалисты"), перестают понимать друг друга.

' С-Лем. Сумма технологий. - М.: Мир, 1968. - С. 208.

В то же время в конце XIX века стало резко увеличиваться число комплексных проектов и проблем, требующих участия специалистов различных областей знаний.

Усложнилось управление экономикой стран, особенно тех, в которых преобладал принцип централизованного управления. По­явилась потребность в специалистах "широкого профиля", обладающих знаниями не только в своей области, но и в смежных областях и умеющих эти знания обобщать, использовать аналогии, формировать комплексные модели. Понятие системы, ранее употреблявшееся в обыденном смысле, превратилось в специальную общенаучную категорию, начали появляться обобщающие научные направления, которые исторически иногда возникали параллельно на разной прикладной или теоретической основе и носили различные наименования.

Роль интеграции наук, организации взаимосвязей и взаимодействия между различными научными направлениями во все времена выполняла философия - наука наук, которая одновременно являлась и источником возникновения ряда научных направлений.

В частности, И.Ньютон сделал открытия своих основных законов в рамках натурфилософии, как тогда называлась физика, являвшаяся частью философского знания.

Так, и в 30-е годы нашего столетия философия явилась источником возникновения обобщающего направления, названного теорией систем. Л. фон Берталанфи [1.62, 1.6, 1.7], считающийся основоположником этого направления, хотя и является биологом по основной профессии, но первый доклад о своей новой концепции сделал на философском семинаре, пользуясь в качестве исходных понятий терминологией философии.

Отметим, что важный вклад в становление системных представлений внес в начале XIX века (еще до Л. фон Берталанфи) наш соотечественник А.А.Богданов [1-9]. Однако в силу исторических при­чин предложенная им всеобщая организационная наука тектология не нашла распространения и практического применения.

Проведенные после публикации концепции Л. фон Берталанфи международные симпозиумы, часть трудов которых переведена и издана [1.23, 1.38], закрепили это направление как самостоятельное; расширили круг специалистов, принимавших участие в его развитии, хотя и не всегда пользовавшихся терминологией Л. фон Берталанфи. Здесь нужно отметить особую роль в становлении этого направления B.H. Садовского, Э.Г. Юдина, И.В. Блаубсрга [1.23, 1.42, 1.8], С.П.Никанорова, инициировавшего перевод ряда первых работ по системным исследованиям [1.39, I.60].

В нашей стране вначале теорию систем активно развивали философы [11, 1.4, 1.42 - 1.45, 1.49 - 1.51 и др.]. Ими были разработаны концептуальные основы, терминологический аппарат, исследованы закономерности функционирования и развития сложных систем, поставлены другие проблемы, связанные с философскими и общенаучными основами системных исследований.

7

Однако философская терминология не всегда легко преломляется к практической деятельности. Поэтому потребности практики почти одновременно со становлением теории систем привели к возникновению направления, названного исследованием операций [1.3, 1.11,2.9, 2.59 и др.].

Это направление возникло в связи с задачами военного характера, поэтому, несмотря на довольно широкое распространение в других прикладных областях (благодаря развитому математическому аппарату, базирующемуся на методах оптимизации, математического программирования [2.59] и математической статистики [2.9]), все же исходная терминология этого направления (в частности, само понятие "операция") часто трудно интерпретируется в практических условиях проектирования сложных технических комплексов, в экономических задачах, при решении проблем организации производства и управления предприятиями, объединениями, научно-исследовательскими организациями, объектами непромышленной сферы и т. п.

В 60-е годы при постановке и исследовании сложных проблем проектирования и управления довольно широкое распространение получил термин системотехника, предложенный в 1962 г. докт. техн. наук, профессором Ф.Е. Темниковым (основателем первой в стране кафедры Системотехники в Московском энергетическом институте) при переводе книги Г. Гуда и Р.Макола [1-19] как эквивалент английского "System Ingeneering" (редакции не нравился буквальный перевод "системная инженерия" или "инженерия систем", что в принципе более соответствовало содержанию книги и становлению теории систем в стране).

В связи с неточным переводом термин довольно быстро стал использоваться в основном в приложениях системных методов только к техническим направлениям [1.20, 1.35, 1.57 и др.], а для других направлений был предложен термин системология (термин предложен в 1965 г. И.Б. Новиком и широко использовался В.Т. Куликом [1.30] и Б.С. Флейшманом [12]).

Применительно к задачам управления в определенный период более широкое распространение получил термин кибернетика, введенный M.A. Ампером (от "kiber" - кормчий, рулевой, управляющий чем-то), принятый для названия новой "науки об управлении в живых организмах и машинах" Н.Винером [1.12].

В нашей стране вначале кибернетика не признавалась наукой, а затем этот термин использовался в период становления работ по автоматизации управления как обобщающий для названия всех системных направлений. Наиболее известными отечественными работами в этой области являются двухтомный учебник "Основы кибернетики" под ред. заведующего кафедрой с аналогичным названием в Московском инженерно-физическом институте, докт. техн. наук, профессора Л.Т. Кузина [1.29], работы докт. техн. наук, профессора Л.А. Растригина (2.40, 4.8,4.21 и др.], а для экономических приложений - работы докторов экономических наук, профессоров Н.Е. Кобрннского, Е.З. Майминаса и др. [1.26].

В связи с неоднозначной трактовкой термина и употреблением его во многих работах (особенно зарубежных), связанных с разработкой технических аналогов живых организмов, этот термин в настоящее время используется в более узком смысле как одно из направлений теории систем, занимающееся процессами управления техническими объектами. А для обобщения дисциплин, связанных с исследованием

8

—/жирование сложных систем, используется термин системные и с с л с-' ^р и я [1.44], а иногда сохраняется термин системный подход, кото--, „„„^^;>ок0 использовался в первые годы становления теории систем в двух смыс-" _ умысле методологического направления философии, и в прикладном аспекте, ”ак син^™** ^{поняти)1} ''"^"мсксный подход. В последнем случае многие работы „ /-юстулировали необходимость комплексности, многоаспектного рассмотре­ла ппо^"¹®*"'¹' ^{1ГТО в} ^""ияпс ухе было полезно, однако в этих работах не предла-j^^ •"уонкрстные методы и методики, помогающие реализовать такой подход.

цд^более конструктивным из направлений системных исследо­ваний ^^{в нaстoя}Щ^ee время считается системный анализ, котоо!/*^{111 me!}P^1выe появился в работах корпорации RAND в связи с задача/*"^{1 воеиног0} управления в 1948 г., а в отечественной литера-туое п¹⁰^⁴¹¹¹¹ P^acпp^ocтpaнeниe после перевода книги С.Оптнера "Систе/*¹""^{11 шалн3} деловых и промышленных проблем" (1.39].

г^^^ термин используется в публикациях неоднозначно. В одних работах сис-.™„^ анализ определяется как "приложение системных концепций к функциям упоавле^""' ^{свяэаяным с} ^тонированием" [1.25, с. 38] или даже со стратегическим планиоо''"³™⁶¹* " ^{целевой} 'талией планирования [1.25, 13]. В других - термин "систем”^"" ^анали3" употребляется как синоним термина "анализ систем" [1.24] или "систем!^⁰® Убавление организацией" [1.60].

Олн^⁰' ^{независим0 от} '""'о, применяется термин "системный анализ" только х x ^званию целей и функций системы, к планированию развития предприятия, " „"• ^{wm K} исследованию системы в целом, включая и цели, и организационную crnvKTVi^' Р⁸⁰⁰™ этого направления отличаются от других направлений систем­ных "/•^{лвдований тем}. ^{тго в} них предлагается методика проведения системного исслепо^³™'¹' "P¹'³™³³"™ процесса принятия решения, делается попытка прсдло-„„, „(/^{wlow к выполнснию} этапов методики в конкретных условиях. И второе важное /^{этаитае -} Рзо^га с целями (их исследование, формулирование, структуриза­ция или /^{декомпозишм})- Некоторые авторы даже в определении системного анализа

„^"яют, что это методология исследования целенаправленных систем [13]. Пои этху ^ы Р³³?³⁶⁰™ методики и выбор методов и приемов выполнения ее этапов базиоте/^^{1 на использовании} понятий и закономерностей теории систем.

^ утому времени возникла еще одна потребность в приложении систем ^{ж)го анализа}- По мере развития научно-технического прог-pg(^g осложняются выпускаемые изделия и технология производ-(ддд д^ромышленной продукции, расширяется ее номенклатура и ассоот^¹**⁰¹"' yse™⁴¹*^⁶'!^ частота сменяемости выпускаемых из­делий ^я ^^ч'"¹⁰™¹^ возрастает наукоемкость продукции; по мере повьш^®¹""^{1 жизненного} уровня населения растут потребности. Все это ^^{ИВОД:НГ K} У^ожнению взаимоотношений человека с приро­дой к i¹¹"'⁰¹"®"¹¹¹⁰ ресурсов Земли, к экологическим проблемам.

В рбэультате усложняются процессы управления экономикой, возни^⁴" ч®⁰^⁰^¹"⁰⁰"” управления самим научно-техническим прогреб⁰"' ^{на эту} "Р^^му впервые в нашей стране в 60-е годы обрат”^^{1 ттАйнт} академик В.М.Глушков [1.1 S].

развитых капиталистических странах важность управления научно-техническим '^^OГS^{lecюм и} трудности, стоящие на пути решения этой проблемы, были осознан^ "Р¹”¹^¹¹⁰ в те же годы. и с тех пор, более 30 лет в США, в частности, велутся ^^{1нтснсивные} научные исследования по этой проблеме в специальных, так называемых "думающих", бесприбыльных корпорациях (типа известной корпорации RAND). Результатом этих исследований явилось создание первой методики систем­ного анализа - ПАТТЕРН (характеризуемой в гл. 4). основой которой является формирование и анализ "дерева целей", и других методов, широко .используемых в США правительственными органами и крупными промышленными корпорациями для прогнозирования и управления в условиях ускоряющихся темпов НТП.

В нашей стране для решения проблемы управления экономикой вначале Институтом Кибернетики Академии наук Украинской ССР под руководством В.М.Глушкова были проведены исследования, показавшие возрастание роли информации в процессах управления.

В частности, В.М.Глушков ввел понятие "информационных барьеров". Первый информационный барьер был достигнут в тот период, когда экономические связи полностью замыкались в рамках ограниченных коллективов (род, семья, племя) и сложность управления этим коллективом стала превосходить способности одного человека. Это произошло многие тысячелетия тому назад, и вызвало соответствующие изменения в технологии управления, которые состояли в изобретении двух механизмов управления экономикой: первый механизм - создание иерархических систем управления (при котором руководитель заводит себе помощников, а те, в свою очередь, распределяют функции между своими подчиненными); второй механизм - введение правил взаимоотношения между людьми и социальными коллективами: предприятиями, регионами, государствами и т. д. (эти функции первоначально выполняла религия, а в последующем - законодательная система). Одним из наиболее действенных способов реализации этого механизма являются экономические регуляторы, основанные на введении рыночных товарно-денежных отношений, которые организуют распределение товара, влияют на потребности в продукции, уровень цен и в конечном итоге - на производственные процессы.

Второй информационный барьер связан с ограниченной способностью к переработке информации у всего населения страны. Исследования Института Кибернетики АН УССР [1.15] показали, что сложность задач управления экономикой растет быстрее числа занятых в ней людей и что, если продолжить управлять страной прежними методами, на основе приоритета принципа контроля и переработки учетно-плановой информации, то в конце 70-х гг. в сфере управления только материальным производством нужно было бы занять чуть ли не все трудоспособное население страны.

Теоретические исследования о тенденциях роста численности управленческого персонала подтверждались и статистикой.

Например, в США в начале нынешнего столетия на одного конторского работника приходилось 40 рабочих: в 1940 г. - 10; в 1958 г. - 6; а в 1965 - всего лишь 1 рабочий [1.21]. Отечественная статистика аналогично констатировала рост численности управленческого персонала до 40 и более процентов от общей численности работников предприятия.

Иными словами, возникла ситуация, когда как бы каждым рабочим командует управленческий работник. На самом деле ситуация гораздо сложнее: система организационного управления занимается не только непосредственно организацией производства, но и его технической подготовкой, материальным, финансовым, кадровым и т. п. обеспечением, развитием предприятия и т. д. По мере укрупнения предприятий, более частого обновления номенклатуры выпускаемой ими продукции и технологий растет потребность в обслуживающих видах деятельности, а соответственно и численность управленческого персонала, что и приводит к такому парадоксальному результату.

Аналогичная ситуация наблюдалась и с ростом численности управленческого персонала регионов, страны. При этом возник как бы особый класс управленческих работников - номенклатура, а эффективность управления повысить не удавалось. 10

Для решения проблемы первоначально В.М.Глушковым было предложено использовать автоматизацию управления (и в середине 60-х годов началась разработка автоматизированных систем управления - АСУ), но в дальнейшем стало ясно, что необходимы более радикальные изменения в управлении страной, учет закономерностей функционирования и развития сложных систем с активными элементами.

В 70-е гг. для повышения эффективности управления в нашей стране было решено пойти по пути совершенствования програм­мно-целевого механизма управления.

Был подготовлен и принят ряд постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР и развивающих их документов, в которых определялся порядок разработки прогнозов, основных направлений развития, комплексных программ, перспек­тивных планов на всех уровнях государственной структуры - от страны в целом до регионов, объединений и предприятий. Для управления НТП при Академии Наук СССР, Совете Министров СССР и Госплане СССР были созданы специальные комиссии, которые готовили прогнозы и основные направления экономического и социального развития страны (подробнее об этих реформах, именуемых косыгин-скими, т. к. инициатором их был Председатель Совета Министров СССР того периода А.Н.Косыгин, см. в гл. 4).

При реализации этих документов и в работе названных комиссий использовались методы системного анализа, и в частности - закономерности целеобразования и методики структуризации целей, что поставило системный анализ в особое положение среди других научных направлений и способствовало его развитию и вве­дению в учебный процесс.

В настоящее время, в условиях внедрения в экономику рыночных принципов, предоставления большой самостоятельности пред­приятиям и регионам роль методов и моделей системного анализа как наиболее конструктивного направления системных исследова­ний возрастает, соответственно возрастает необходимость развития этих методов и приближения их к практическим потребностям.

Междисциплинарные научные направления, возникшие между философией и узко специальными дисциплинами, можно расположить примерно так, как показано в табл. 1.

Для того, чтобы студенты могли самостоятельно расширить свои представления о названных системных направлениях, в таблице приведены также наиболее известные ученые, предложившие или развивающие эти направления.

В середине расположен системный анализ, так как он использует примерно в одинаковых пропорциях концептуально-методологические представления (что ха­рактерно для философии и теории систем) и формализованные методы и модели (что характерно для специальных дисциплин). Теория систем и системология в большей мере используют философские понятия и качественные представления. Исследование операций, кибернетика, системотехника, напротив, имеют более развитый формальный аппарат, но менее развитые средства качественного анализа и постановки сложных задач с большой неопределенностью и активными элементами

'Таблица 1

Направления

Наиболее известные ученые

Философия Теория систем Системный подход Системология Системный анализ Системотехника Кибернетика Исследование операций Специальные дисциплины

Л. фон Берталанфи. Дх. ван Гит, М.Месарович, В.Г.Афанасьев, А.И.Уёмов, Ю.А.Урманцев и др. И.В.Блауберг, Э.Г.Юдин, В.С.Тюхтин, С.П.Никаноров, Э.Квсйд, С.Янг и др. И.Б.Новик, В.Т.Кулик, Б.С.Флейшман и др. С.Оптнер, Д.Клиланд, В.Кинг, Н.Н.Моисеев, Ю.И. Черняк, Е.П. Голубков, Ф.И. Перегудов, В.Н. Сагатовский, В.З. Ямпольский и др. Г.Гуд, Р. Макол, Ф.Е. Темников, В.В. Дружинив, Д.С.Конторов, В.И.Николасв, А.Холл, Г.Честнат Н.Винер, У.Р.Эшби, А.И.Берг, Л.П.Крайзмер, Л.Т.Кузин, Л.А.Растригин, Н.Е-Кобринский, Е.З.Майминас идр. У.Черчмен, Р.Акофф, М.Сасиени, Т.Саати, Е.С.Вентцель и др.

На технические специальности в большей мере ориентированы системотехника и кибернетика. Однако инженеры в перспективе становятся руководителями производства, предприятия, и важно, чтобы они получили необходимые сведения об организационном управления предприятием, о разработке автоматизированных систем управления объектами разного рода.

Для экономических специальностей необходимы знания не только о создании систем организационного управлении предприятиями, но и об управлении городом, регионом, экономикой страны в целом, о моделировании процессов планирования и управления функционированием предприятия.

Для понимания процессов организационного управления полезны общеметодологические представления и закономерности тео­рии систем. Разработка методик анализа целей, методов и моделей совершенствования организационной структуры, управления функционированием социально-экономических объектов стали в последнее время основным приложением системного анализа. Поэтому авторы считают эти направления наиболее необходимыми при под­готовке инженеров по любым специальностям. Однако, поскольку методики и модели системного анализа базируются на основных положениях теории систем, а при иллюстрации возможностей зако­номерностей и понятий теории систем необходимы примеры, кото­рые наиболее конструктивно представлены в работах по системно­му анализу, целесообразно читать студентам единую дисциплину "Основы теории систем и системного анализа".

Структура целей и задач этой дисциплины приведены на рис. 1.

В нижней части рис. 1 приведена структура учебника, определяющая возможную последовательность изложения материала, содержащегося в его главах, и показана взаимосвязь глав с целями и задачами дисциплины.

В первых двух главах учебника излагаются основы теории систем и системного анализа, включая терминологию, классификации систем, закономерности их функционирования и развития, методы моделирования. В отдельную главу (гл. 3) вынесен специальный метод системного анализа - информационный подход (развиваемый одним из авторов учебника). В самостоятельной главе (гл. 4) рассматривается проблема целеобразования и структуризации целей как наиболее актуальная для подготовки специалистов по управлению предприятиями и регионами.

В прикладных главах, иллюстрирующих возможности и полезность практическо­го применения теории систем и системного анализа, рассматриваются: проблемы проектирования (адаптации, развития) систем управления предприятиями, органи­зациями, регионами - от анализа факторов, влияющих на создание и функциониро­вание предприятия, и моделирования рыночных ситуаций, помогающих в определе­ния потребности в продукции предприятия, до формирования его организационной структуры и системы нормативно-методического обеспечения управления деятель­ностью предприятия (гл. 5); методы и методики организации сложных экспертиз и их применение при оценке нововведений и инвестиционных проектов, при проведения маркетинговых исследований для предприятий разного рода - от посреднических до производящих изделия сложной техники и оборудования (гл. 6); проблемы проекти­рования и организации технологических процессов производства и управления, в т. ч. применение информационного подхода для выбора конфигурации и управления проектами сложных технических комплексов, применение морфологического моде­лирования при календарном планировании в условиях позаказной системы произ­водства и т. п. (гл. 7); проблемы разработки и организации функционирования информационных систем (гл. 8).

Авторы выражают большую благодарность руководству Санкт-Петербургского государственному технического университета и Издательству СПбГТУ за предоставленную возможность издания учебника; президенту СПбГТУ, докт. техн. наук, профессору, чл.-корреспонденту РАН, академику Международной академии наук высшей школы Юрию Сергеевичу Васильеву за идею посвящения учебника 100-летию основания Санкт-Петербургского политехниче­ского института (Технического университета) и отражения в нем роли политехников в развитии теории систем и системного анализа;

рецензентам - докт. техн. наук, профессору, академику МАН ВШ Александру Яковлевичу Савельеву и докт. физ.-мат. наук, профессору, академику Экологической академии Бенциону Семеновичу Флейшману; докт. экон. наук, профессору, академику МАН ВШ Василию Романовичу Окорокову и докт. техн. наук, профессору, чл.-корреспонденту Инженерной академии Вадиму Николаевичу Бусурину, которые, будучи проректорами ЛПИ (ЛГТУ) в 80-е - 90-е гг., содействовали изданию первых учебных пособий авторов, составивших основу учебника; студентам и аспирантам СПбГТУ, подготовившим ряд прикладных разделов: О.И.Старостиной (§ 6.3), А.В.Кукушкину (§ 6.4), С.В.Широковой (§ 7.5), Г.Л.Молчадскому (раздел в § 8.4), А.А. Ионову и И.В. Релиной (§ 8.5), Д.А. Смолко (приложение 2), а также студентам, соискателям, сотрудникам, подготовившим подразделы, примеры и программные процедуры, иллюстрирующие возможности методов и методик системного анализа, о чем в тексте сделаны соответствующие ссылки. 14

Системы и закономерности их функционирования и развития

На протяжении относительно короткой истории становления теории систем и системного анализа представления о системах и закономерностях их построения, функционирования и разви-1-ия неоднократно уточнялись и переосмысливались. Для того, чтобы правильно трактовать и использовать основные понятия теории систем, необходимо ознакомиться с эволюцией понятия системы (параграф 1,1), а также с разными представлениями о понятиях, с помощью которых характеризуют их строение и функционирование (1.2).

Учитывая особую значимость понятия структуры в исследовании систем, виды

структур и их особенности рассматриваются в отдельном параграфе 1.3.

В параграфе 1.4 характеризуются варианты классификаций систем и предлагается классификация, используемая авторами.

О закономерностях систем можно говорить в разных смыслах. Можно исследо­вать статистические, логические, экономические закономерности; изучать законо­мерности конкретных процессов в системах различной физической природы. Эти закономерности существенно зависят от особенностей объектов, представляемых в виде систем. Но есть и закономерности иного характера - общесистемные, характе­ризующие систему как целое и практически не зависящие от субстрата, качественно­го наполнения системы. О таких закономерностях иногда говорят как о макроскопи­ческих свойствах системы [1.53]. Обзор именно этих закономерностей приводится в данной главе (1.5). В 1.6 излагаются основные закономерности целеобразования.

1.1. Определение системы

Развитие определении системы. Термин система исполь­зуют в тех случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объект как нечто целое (единое), сложное, о кото­ром невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав математическим выражением (формулой,

уравнением и т. п.).

Существует несколько десятков определения этого понятия (см.,

например, обзоры в [11, 1.42, 1.49]). Их анализ показывает, что определение понятия система изменялось не только по форме, но и по содержанию. Рассмотрим основные и принципиальные измене­ния, которые происходили с определением системы по мере разви­тия теории систем и использования этого понятия на практике.

В первых определениях в той или иной форме говорилось о том, что система - это элементы (части, компоненты) а; и с в я-з и (отношения) Гу между ними:

В приведенных формализованных записях определения исполь­зованы различные способы теоретико-множественных представле­ний: в первых двух - используются различные способы задания множеств и не учитываются взаимоотношения между множествами элементов и связей; в третьем - отражен тот факт, что система это не простая совокупность элементов и связей того или иного вида, а включает только те элементы и связи, которые находятся в облас­ти пересечения ( & ) друг с другом (рис. 1.1).

Так, Л. фон Берталанфи определял систему как "комплекс взаимодействующих компонентов" [1.6] или как "совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой" [1.7, 1.62].

В Большой Советской Энциклопедии система определяется прямым переводом с греческого "оиотпца", что означает "со-став", т. е. составленное, соединенное из частей^

Отметим, что термины "элементы" - "компоненты", "связи" - "отношения" обычно используются (особенно в переводах определений) как синонимы. Однако, строго говоря, "компоненты" - понятие более общее, чем "элементы", может означать совокупность элементов; относительно понятий "связь" н "отношение" существуют разные точки зрения, что будет подробнее рассмотрено в следующем параграфе.

Если известно, что элементы принципиально неоднородны, то это можно сразу учесть в определении, выделив разные множества элементов А = {а,} я В = {^}:

S s <A.B,R>. (la) def

В определении М. Месаровича [4, 1.23], например, выделены множество Х входных объектов (воздействующих на систему) и

множество Y выходных результатов, а между ними установлено обобщающее отношение пересечения, что можно отобразить либо как у автора определения:

Если какой-то вид отношений г; применяется только к эле­ментам разных множеств и не используются внутри каждого из них, то это можно отразить следующим образом:

где {о, г, b^} - элементы новой системы, образованные из элемен­тов исходных множеств А и В¹.

Для уточнения элементов и связей в определения включают свойства. Так, в определении А.Холла [1.53] свойства (атри­буты) 0,^ дополняют понятие элемента (предмета):

А.И.Уёмов, определяя систему через понятия "вещи", "свойства", "отношения", предложил двойственные определения [11], в одном из которых свойства qi характеризуют элементы (вещи) а„ а в другом - свойства <fy характеризуют связи (отношения) г/.

В работах А.И. Уемова [11 и др.] принята другая символика. В целях единообразия здесь использована обычная теоретико-множественная форма представления определений, которая несколько сужает трактовку этих определений в философской концепции А.И. Уемова, но облегчает интерпретацию их в практических приложениях. Двойственные определения (1.11с) будут использованы при разработке одной из методик структуризации целей (см. гл. 4).

Затем в определениях системы появляется понятие цель. Вначале - в неявном виде: в определении Ф.Е. Темникова [1.47] "система - организованное множество" (в котором цель появляется при раскрытии понятия организованное); в философском словаре систе­ма - "совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих некоторое целостное единство".¹ Потом

- в виде конечного результата, системообразующего критерия, функции (см. определения В.И.Вернадского, У.Р. Гибсона, П.К. Анохина в [1.42], М.Г. Гаазе-Рапопорта в [1.34]), а позднее - и с яв­ным упоминанием о цели.

Символически эту группу определений представим следующим образом:

S = <A,R.Z>. (1.2) def где Z - цель, совокупность или структура целей.

В некоторых определениях уточняются условия целеобразования

- среда SR, интервал времени AT, т. е. период, в рамках которого будет существовать система и ее цели, что сделано, например, в определении В.Н. Сагатовского ([4.14], с. 13+14), которое также будет положено в основу одной из методик структуризации целей (рассматриваемых в гл. 4): система "конечное множество функцио­нальных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с определенной целью в рамках определенного времен­ного интервала":

S = <A.R.Z.SR.AT>. (1.2 а)

def

Далее, в определение системы начинают включать, наряду с эле­ментами, связями и целями, наблюдателя N, т.е. лицо, представляющее объект или процесс в виде системы при их иссле­довании или принятии решения:

S a <A.R,Z.N>. (1.3) def

На необходимость учета взаимодействия между изучаемой системой и исследователем указывал еще У.Р.Эшби [1.59]. Но первое определение, в которое в явном виде включен наблюдатель, дал Ю.И. Черняк: "Система есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания" ([13], с. 22).

S = <A.Q^R.Z.N>. (1.3 а) def

В последующих вариантах этого определения Ю.И. Черняк стал учитывать и язык наблюдателя L^ начиная с этого определение: "Система есть отображение на языке наблюдателя (исследователя, конструктора объектов, отношений и их свойств в решении задачи исследования, познания" :

S = < А. Ол, R, Z. N. lh >. (1.3 а) def

В определениях системы бывает и большее число составляющих, что связано с необходимостью дифференциации а конкретных условиях видов элементов, сизей и т. д. (см. обзор таких определений в [1.49D.

Сопоставляя эволюцию определения системы (элементы и связи, затем - цель, затем - наблюдатель) и эволюцию использования кате­горий теории познания в исследовательской деятельности, можно обнаружить сходство: вначале модели (особенно формальные) ба­зировались на учете только элементов и связей, взаимодействий между ними, затем - стало уделяться внимание цели, поиску мето­дов ее формализованного представления (целевая функция, крите­рий функционирования и т. п.), а, начиная с 60-х гг. все большее внимание обращают на наблюдателя, лицо, осуществляющее моде­лирование или проводящее эксперимент (даже в физике), т. е. лицо,

принимающее решение.

С учетом этого и опираясь на более глубокий анализ сущности понятия системы, приводимый ниже, следует, по-видимому, отно­ситься к этому понятию как к категории теории познания, теории отражения.

В связи с этим интересно обратить внимание на вопрос о материальности или нематериальности системы.

Материальна или нематериальна система? До недавнего вре­мени довольно часто возникали дискуссии о том, материальны или нематериальны системы.

С одной стороны, стремясь подчеркнуть материальность систем, некоторые исследователи в своих определениях заменяли термин элемент терминами вещь, объект, предмет; и хотя последние можно трактовать и как абстрактные объекты или предметы исследования, все же авторы этих определений явно хотели обратить внимание на овешествленность, материальность системы.

С другой стороны, в приведенном определении Ю.И. Черняка, и особенно, в определении С. Оптнера (1.39]), систему можно тракто­вать только как отображение, т. е. как нечто, существующее лишь в сознании исследователя, конструктора. Любой специалист, понимающий закономерности теории отражения, должен, казалось бы, возразить: но ведь очевидно, что замысел (идеальное представле­ние системы) потом будет существовать в материальном воплоще­нии, а для задач принятия решений важно акцентировать внимание на том, что понятие системы может быть средством исследования проблемы, решения задачи. Тем не менее упомянутые определения подвергались в тот период критике со стороны приверженцев материальности систем, особенно философов.

Бессмысленность спора о материальности и нематериальности системы показал В.Г.Афанасьев: "...объективно существующие системы и понятие системы; понятие системы, используемое как инструмент познания системы, - и снова реальная система, знания о которой обогатились нашими системными представлениями;

- такова диалектика объективного и субъективного в системе..."^

Это высказывание можно наглядно представить как показано на рисунке 1.2.

В связи с обсуждаемым вопросом обратим внимание на то, что в Большой Советской Энциклопедии, наряду с вышеприведенным определением дается следующее: система - "объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе"², т. е. подчеркивается, что понятие элемента (а следовательно, и системы) можно применять как к существующим, материально реализованным предметам, так и к знаниям об этих предметах или о будущих их реализациях.

Таким образом, в понятии система (как и любой другой категории познания) 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 или создания.

Например, Ю. И. Черняк [13] показывает, что один и тот же объ­ект на разных этапах его рассмотрения может быть представлен в различных аспектах, и соответственно предлагает одну и ту же систему представлять на разных уровнях существования: философском (теоретико-познавательном), научно-исследовательском, проект­ном, инженерном и т. д. - вплоть до материального воплощения.

Иными словами, в термин система на разных стадиях ее рассмо­трения можно вкладывать разные понятия, говорить как бы о суще­ствовании системы в разных формах. М. Месарович [1.33], напри­мер, предлагает выделять страты рассмотрения системы (см. более подробно в параграфе 1.2).

Аналогичные страты могут существовать не только при созда­нии, но и при познании объекта, т. е. при отображении реально су­ществующих объектов в виде абстрактно представляемых в нашем сознании (в моделях) систем, что затем поможет создать новые объ­екты или разработать рекомендации по преобразованию (пере­стройке, реконструкции) существующих.

Методика системного анализа (или модель системного исследования) может разрабатываться не обязательно с охватом всего процесса познания или проектирования системы, а для одной из ее страт (что, как правило, и бывает на практике), и для того, чтобы не возникало терминологических и иных разногласий между исследова­телями или разработчиками системы, нужно прежде всего четко оговорить, о какой именно страте рассмотрения системы вдет речь.

Система • среда. На первых этапах системного анализа важно уметь отделить (отграничить, как предлагают называть этот пер­вый этап исследователи систем, чтобы точнее его определить) си­стему от среды, с которой взаимодействует система. Иногда даже определения системы, применяющиеся на начальных этапах исследования, базируются на отделении системы от среды (см., на­пример, определения Дж.Миллера, А. Раппопорта, Л.А. Блюмфельда в [1.42]).

Частным случаем выделения системы из среды является определение ее через входы и выходы, посредством которых система общается со средой. В кибернетике и теории систем такое представление системы называют "черным ящиком'. На этой модели базировались начальное определение системы У.Р. Эшби [1.59], определения Д.Эллиса и Ф.Людвига, Р. Кершнера, Дж.Клира и М. Валяха (см. ссылки на их работы в [1.42D.

Сложное взаимодействие системы с ее окружением отражено в определении В.Н. Садовского и Э.Г. Юдина, данном ими во вступительной статье к ([1.23], с. 12): "...2) она образует особое единство со средой; 3) как правило, любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка; 4) элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, обычно выступают как системы более низкого порядка".

Это определение является основой рассматриваемой ниже в 1.5 закономерности коммуникативности. Согласуется с этим определением и развивает его предлагаемое в одной из методик системного анализа целей (гл. 4) разделение сложной среды на подсистему или вышестоящие системы; нижележащие или подведомственные си­стемы; системы актуальной или существенной среды.

Такому представлению о среде соответствует определение, пред­ложенное в [1.32]: "...среда есть совокупность всех объектов, изме­нение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы".

Выделяет систему из среды наблюдатель, который отделяет (от­граничивает) элементы, включаемые в систему, от остальных, т. е. от среды, в соответствии с целями исследования (проектирования) или предварительного представления о проблемной ситуации.

При этом возможно три варианта положения наблюдателя, который: 1) может отнести себя к среде и, представив систему как полностью изолированную от среды. строить замкнутые модели (в этом случае среда не будет играть роли при исследо­вании модели, хотя может влиять на ее формирование); 2) включить себя в систему и моделировать ее с учетом своего влияния и влияния системы на свои представления о ней (ситуация, характерная для экономических систем); 3) выделить себя и из си­стемы, я из среды, и рассматривать систему как открытую, постоянно взаимодей­ствующую со средой, учитывая этот факт при моделировании (такие модели необхо­димы для развивающихся систем). В последнем случае практически невозможно учесть все объекты, не включенные в систему и отнесенные к среде; их множество необходимо сузить с учетом цели исследования, точки зрения наблюдателя (ЛПР) путем анализа взаимодействия системы со средой, включив этот "механизм" анали­за в методику моделирования (что и делается в методиках, рассматриваемых в гл. 4).

Уточнение или конкретизация определения системы в процессе исследования влечет соответствующее уточнение ее взаимодействия со средой и определения среды. В этой связи важно прогнозировать не только состояние системы, но и состояние среды. В последнем случае следует учитывать неоднородность среды, наряду с есте­ственно-природной средой существуют искусственные - техниче­ская среда созданных человеком машин и механизмов, экономиче­ская среда, информационная, социальная среда.

В процессе исследования граница между системой и средой может деформиро­ваться. Уточняя модель системы, наблюдатель может выделять в среду некоторые составляющие, которые он первоначально включал в систему. И, наоборот, исследуя корреляцию между компонентами системы и среды, он может посчитать целесооб­разным составляющие среды, имеющие сильные связи с элементами системы, вклю­чить в систему.

Выбор определения системы. Рассматривая различные определе­ния системы и их эволюцию и не выделяя ни одно из них в качестве основного, авторы стремились не только показать сложность крат­кого определения таких (обычно интуитивно постигаемых) поня­тий, как система, но и помочь студенту, будущему специалисту, осознать тот факт, что на разных этапах представления объекта в виде системы, в различных конкретных ситуациях можно пользо-22

ваться разными определениями. Причем по мере уточнения пред­ставлений о системе или при переходе на другую страту ее исследо­вания определение системы не только может, но и должно уточ­няться.

Более полное определение, включающее и элементы, и связи, и цель, и наблюдателя, а иногда и его "язык" отображения системы, помогает поставить задачу, наметить основные этапы методики системного анализа. Например, в организационных системах, если не определить лицо, компетентное принимать решения, то можно и не достичь цели, ради которой создается система. Но есть системы, для которых наблюдатель очевиден. Иногда не нужно даже в явном виде использовать понятие цели (например, вариант теории систем Ю-А.Урманцева [1.51]), созданный им для исследования относи­тельно невысоко развитых биологических объектов типа растений, не включает понятие цели как несвойственное для этого класса объектов, а понятие целесообразности, развития отражает в форме особого вида отношений - законов композиции).

Таким образом, при проведении системного анализа нужно пре­жде всего отобразить ситуацию с помощью как можно более полно­го определения системы, а затем, выделив наиболее существенные компоненты, влияющие на принятие решения, сформулировать "ра­бочее" определение, которое может уточняться, расширяться или сужаться в зависимости от хода анализа.

"Рабочее" определение системы помогает исследователю (разработчику) начать ее описание. Далее для того, чтобы правильно выбирать необходимые элементы, связи, их свойства и другие составляющие, входящие в принятое "рабочее" определе­ние системы, нужно, чтобы лица, формирующие это первоначальное, вербальное представление системы, в одинаковом смысле использовали эти понятия.

Выбор определения системы отражает принимаемую концеп­цию и является фактически началом моделирования. Поэтому с самого начала целесообразно представлять определения в символи­ческой форме, способствующей более однозначному пониманию ее всеми участниками разработки или исследования системы.