Лекції - Теорія систем і системний аналіз

Тема 1.Лекція 1_Вводная.doc (1 стор.)
Тема 2.Лекція 2_Основние понятія.doc (1 стор.)
Тема 3_Реалізація СА, показателі.doc (1 стор.)
Тема 4_Вибор.doc (1 стор.)
Тема 5.Лекція 5_ЛП.doc (1 стор.)
Тема 5.Лекція 6_НП.doc (1 стор.)
Тема 6_Лекція 7_ Багатокритеріальні задачі.doc (1 стор.)
Тема 7_Лекція 8_Вибор в умовах ріска.doc (1 стор.)
Тема 8-9_Лекція 10_Ігра з природою, СА істочніков.doc (1 стор.)
Тема 8_Лекція 9_Теорія ігр.doc (1 стор.)
Оригінал


ТЕМА 1. лекція 1. Введення в дисципліну


Введення 1

1. Системні уявлення в практичній діяльності людини 2

2. Еволюція системних уявлень 6



Введення



У сучасному світі фахівці в різних галузях знань постійно стикаються з необхідністю вирішувати складні проблеми, породжені складністю самого навколишнього світу, як природного (природа), так і штучного (техносфера). Для того, щоб успішно з цим завданням впоратися, недостатньо розгляду якихось окремих елементів, окремих, приватних питань. Необхідно розглядати їх, як ми говоримо, в системі, з урахуванням безлічі взаємозв'язків, безлічі специфічних властивостей. Для вирішення подібних завдань, наприклад, в галузі екології (дослідження стійкості популяцій тварин, поширення забруднень і т.п.), проектування техніки і т.п. було створено безліч підходів, методів, прийомів, які в процесі свого розвитку й узагальнення оформилися в певну технологію подолання кількісних і якісних складнощів.

Оскільки великі і складні системи стали предметом вивчення, управління і проектування, знадобилося узагальнення методів дослідження таких систем і методів впливу на них. Отже, з'явилася потреба в якійсь прикладній науці, яка б об'єднала теорію і технологію (практику) вирішення системних завдань. Такі дисципліни виникали в різних областях практичної діяльності, наприклад:

 в інженерній діяльності: методи проектування, інженерне творчість, системотехніка;

 в економіці: дослідження операцій;

 в адміністративному

 та політичному управлінні: системний підхід, футурологія, політологія;

 в прикладних наукових дослідженнях: «імітаційне моделювання, методологія експерименту».

У кінцевому підсумку розвитку цих дисциплін викликало до життя науку, яка отримала назву «системний аналіз». Ця дисципліна для вирішення своїх завдань (ліквідації проблеми або з'ясування її причин) використовує можливості різних наук і сфер діяльності. Вона має на увазі використання математики, обчислювальної техніки, експериментів (натурних і чисельних), моделювання.


На останньому слові слід зупинитися. Наш курс називається «Теорія систем і системний аналіз». Таким чином, ми будемо знайомитися з системним аналізом не як з абстрактної дисципліною, а в ув'язці з тим колом проблем, які вам, як фахівцям, можливо, доведеться вирішувати у вашій майбутній діяльності тобто з розробкою математичних моделей тих чи інших явищ, що відбуваються в навколишньому середовищі, в техносфери, або з проектуванням систем.

1. Системні уявлення в практичній діяльності людини



Системність - це не якесь вигадане вченими якість. Система оточуючий нас світ. Системно саме людське мислення. Однак є різні рівні системності. Стосовно до людського знання, людської діяльності це особливо помітно. Що таке поява проблеми? Це сигнал про недостатню системність існуючої діяльності. Що таке рішення виниклої проблеми? Це успішний перехід на новий, більш високий рівень системності. Стверджуючи це, в  1 , автори підкреслюють, що системність - це не стільки стан, скільки процес.

Системне наше знання, наші уявлення? Візьмемо те ж слово «система» або «системність». Всі ви, ймовірно, смутно, інтуїтивно розумієте, що це таке, але спроба виразити словами ці поняття покаже, що це не так просто. Тобто ваші уявлення системними є, але рівень системності невисокий, ви будете його підвищувати поступово, в процесі вивчення предмета.


Ієрархія - структура з наявністю підпорядкованості, тобто нерівнозначних зв'язків між елементами, коли впливу в одному з напрямків роблять набагато більший вплив на елемент, ніж в іншому.
Ми легко вживаємо в нашій мові слово «система» («сонячна», «нервова», «екологічна», «система заходів», «система рівнянь», «система поглядів і т.п.). Найбільш очевидні і обов'язкові ознаки систем ми можемо відзначити вже зараз, а саме певний склад, структурованість системи, взаємопов'язаність складових її частин, ієрархічність, підпорядкованість організації всієї системи певний мети.

Це легко ілюструється на «біологічному» матеріалі. Прикладом може служити організм тварини людини. Дійсно, організм - це система. Ця система являє не просту сукупність складових її елементів, підсистем (клітин, органів і т.д.), але сукупність взаємопов'язану, метою ж її служить підтримання гомеостазу - сталості внутрішнього середовища організму для забезпечення його життєдіяльності.

У світі відсталої матерії легко проглядаються всі перераховані ознаки системи, за винятком, мабуть, підпорядкованості певної мети. Наприклад, сонячна система - це не просто дев'ять планет, які обертаються навколо Сонця; їх руху по орбітах взаємопов'язані, взаємозалежні: зникнення однієї з них, або зміна її орбіти під дією якогось гіпотетичного зовнішнього впливу вплинуло б на орбіти інших складових системи, т. тобто система в якійсь мірі змінила б свою внутрішню структуру, залишаючись тим не менш, системою, єдиним цілим. (Можливо, в якомусь сенсі ми можемо говорити тут і про цілі - збереження стійкості, сталості).

Природознавство не перейматиметься питанням про мету існування фізичного світу. Це область телеології 1. Однак, відомий так званий антропний принцип. У своєму «слабкому» варіанті він говорить, що світ влаштований таким чином, і значення фізичних констант такі, щоб у Всесвіті могло існувати життя. У своєму «сильному» варіанті він зводиться до того, що пристрій світу і значення фізичних констант пристосовані до умов спостерігача, мета Всесвіту - виникнення і розвитку людства.

Крім того, сучасні погляди на процес самоорганізації матерії («синергетика» - розглянемо далі) припускає прагнення нестійких нерівноважних станів систем до деяких «точках» - атрактори, які в деякому сенсі ми може розглядати як аналоги мети.


Системність людської діяльності. Якщо ми буде розглядати практичну діяльність людини, то всі перераховані ознаки систем тут справді очевидні. Дійсно:

1) яке наше усвідомлене (неусвідомлені дії поки залишимо осторонь) дія переслідує певну мету.

2) У всякому дії легко побачити його складові частини, тобто більш дрібні дії.

3) При цьому легко переконатися, що ці дії (складові частини) повинні виконуватися не в довільному порядку, а в певній послідовності. Це і є певна, підпорядкована цілі взаємопов'язаність складових частин, яка і є ознакою системності.

Системність людської діяльності може бути також виражена через інше поняття - алгорітмічность. Останнім часом поняття алгоритму з математики було перенесено на інші види людської діяльності. Кажуть про алгоритми прийняття управлінських рішень, алгоритмах навчання, ігри, алгоритмах винахідництва (Г. Альтшуллера), алгоритмах творчості (Ю.Мурашковскій, Kien fluas la rojo Kastalie? », Р. Заріпов« Машинний пошук варіантів при моделюванні творчого процесу »). Тут ми допускаємо, що в алгоритмі даної діяльності можуть бути присутніми і неформалізовані дії, тобто ті, які виконуються неусвідомлено.

Роль системних уявлень в людській практиці постійно збільшується, а з іншого боку росте сама системність людської практики.


Системність пізнання. Навколишній нас світ нескінченний. Людина ж існує кінцевий час і розташовує кінцевими матеріальними, енергетичними, інформаційними ресурсами. Але тим не менше людина отримує мир і, йдучи довгою, звивистій стежкою, здійснюючи численні помилки, все ж пізнає його вірно, свідченням чого є його практична діяльність. А. Ейнштейн говорив, що саме дивне в природі те, що вона пізнавана.

Отже, людське пізнання має якісь особливості, що дозволяють вирішувати протиріччя між необмеженістю бажань людини пізнати світ і обмеженістю його можливостей зробити це, між нескінченністю природи і кінцівкою ресурсів людства.

Такою особливістю є, насамперед, наявність аналітичного і синтетичного образів мислення, тобто здатності до аналізу і синтезу.

Аналіз - це поділ цілого на частини, уявлення складного у вигляді сукупності більш простих компонент.

Щоб зрозуміти ціле, складне, потрібен і зворотний процес - синтез.

Синтез - метод дослідження, який полягає в пізнанні досліджуваного предмета, явища як єдиного метою, в єдності і взаємозв'язку його частин.

Аналітичність людського пізнання знаходить вираз, зокрема, у виділенні з єдиної натурфілософії різних наук. Процес диференціації наук, глибоке вивчення все більш вузьких питань йде й понині.

Разом з тим виникають так звані «прикордонні» науки, що утворюються як би на стику різних дисциплін, як, наприклад, біохімія, біофізика.

Це вже процес «синтезу» знань. Інша, більш висока форма синтетичних знань реалізується у вигляді наук про самих загальних властивостях природи (філософія, математика). Такі науки як кібернетика, теорія систем, теорія організації, теорія управління, інженерна психологія, синтетичні за своєю суттю. У них поєднуються природні, технічні та гуманітарні знання.

Усвідомлення діалектичної єдності аналізу та синтезу настало не відразу, і в різні історичні епохи системність мислення мала різний характер. Так, в історії пізнання людиною природи виділяють 4 стадії:

1-я - синкретична - стадія нерозчленованого, недеталізірованного знання.

«... Природа ще розглядається в загальному, як одне ціле. Загальна зв'язок явищ не доводиться в подробиці: вона є для греків результатом безпосереднього споглядання »(Ф. Енгельс). На цій стадії формувалася так звана натурфілософія - вмістилище ідей і здогадів, стали до XIII - XY століть зачатками природничих наук.

2-я - аналітична (з XY - XVI ст) - уявне розчленовування і виділення частковостей, що призвели до виникнення фізики, хімії та біології та ін природничих наук. Для цієї стадії характерний метафізичний спосіб мислення.

3-я - синтетична - відтворення цілісної картини Природи на основі раніше пізнаних частковостей.

4-я - інтегрально-диференціальна (людство ще тільки вступає в неї) покликана не тільки обгрунтувати принципову цілісність (інтегральність) всього природознавства, але і сформувати дійсно єдину науку про Природу, розглядаючи її (Всесвіт, Життя, Розум) як єдиний багатогранний об'єкт, із загальними закономірностями розвитку.


Системність як властивість матерії. Повернемося до питання про системність навколишнього нас фізичного світу. Ми з'ясували, що практичної діяльності людини і його мислення притаманна системність. Але не специфічне чи це властивість людини, свого роду пристосування, вироблене для власної зручності, спрощення своєї діяльності в навколишньому світі, а світ нічого не має спільного з нашими уявленнями про нього.

До самого останнього часу спроби відповісти на це питання лежали виключно в області філософії. І філософи - матеріалісти і ідеалісти, метафізики і прихильники діалектики, агностики і ті, хто був переконаний в пізнаванності світу мали з цього питання різні думки. Так, матеріаліст - метафізик Ф.Бекон вважав, що розумові побудови повністю довільні і нічому в природі не відповідають. Він писав: «... Людський розум в силу своєї схильності легко припускає в речах більше порядку і одноманітності, ніж їх знаходить. І в той же час, як багато в природі одинично і абсолютно не має собі подоби, він придумує паралелі, відповідності та відносини, яких немає ». Голландський філософ - матеріаліст XVII в Б.Спиноза висловлювався в абсолютно протилежному дусі:« ... порядок і зв'язок ідей та ж, що порядок і зв'язок речей ... »оскільки« ... субстанція мисляча і субстанція протяжна складають одну і ту ж субстанцію ».

І. Кант вважав, що ми повинні «... припускати систематичне єдність природи неодмінно як об'єктивно значуще і необхідне», а системність розуму покликана шукати в природі ця речовина.

К.Маркс підкреслював роль практики як критерію відповідності мислення людини дійсності. Ленін неодноразово вказував, що пізнання є нескінченний процес наближення мислення до об'єкта, що супроводжується виникненням суперечностей і розвитку їх.

Дійсно реальність і її уявне відображення не ідентичні, не ідентичні між собою природні і штучні системи. І тим не менше системність нашого мислення випливає з системності світу Сучасна наука представляє світ як нескінченну ієрархію систем, що знаходяться в безперервному розвитку.


Підбиваючи деякі підсумки, можна зробити наступний висновок.


Системність світу представляється у вигляді об'єктивно існуючої ієрархії різна організованих взаємодіючих систем.




Системність мислення реалізується в тому, що знання представляються у вигляді ієрархічної системи взаємозв'язаних моделей.



2. Еволюція системних уявлень



Треба сказати, що усвідомлення системності світу і мислення завжди відставало від системності (емпіричної) людської практики.

Історія розвитку системних уявлень йшла як би по різних напрямках і з різних вихідних позицій. З одного боку до сучасного розуміння йшла філософія, з іншого - конкретні науки. У своєму русі до істини вони неминуче мали зійтися, що, по суті і відбувається в даний час.

Результати філософії відносяться до безлічі всіх існуючих і мислимих систем, носять загальний характер. Щоб застосувати їх до конкретних ситуацій ми повинні використовувати дедуктивний метод.

Конкретні науки здебільшого дотримуються протилежної, індуктивного методу, тобто від дослідження реальних, конкретних систем до встановлення загальних закономірностей.

Особливий інтерес представляють ті моменти в історії, коли системність сама по собі ставала об'єктом дослідження для природничих і технічних наук.


2.1. Народження поняття "система" (2500-2000 р. до н.е). Слово "система" з'явилося в Древній Греції і означало "поєднання", "організм", "організація", "союз", а також "щось, поставлене разом , наведене в порядок ".


2.2. Перша природничонаукова (механічна) картина світу. Ідеї Галілея (1564-1642) та І. Ньютона (1642-1727). Вироблена певна концепція системи з категоріями: річ і властивості, ціле і частина.

2.3. Німецька класична філософія. Глибока і грунтовна розробка ідеї системної організації наукового знання. Структура наукового знання стала предметом спеціального філософського аналізу.


2.4. Теоретичне природознавство XIX - XX ст. Розрізнення об'єкта і предмета пізнання, підвищення ролі моделей в пізнанні, дослідження системоутворюючих принципів (породження властивостей цілого з властивостей елементів і властивостей елементів з властивостей цілого).


2.5. Кібернетика. У 1834 році знаменитий фізик М.-А. Ампер опублікував книгу, що містить класифікації всіляких наук (в тому числі і поки що не існували). Серед них він виділив спеціальну науку про управління державою і назвав її кібернетикою (від слова k  berv   ik , спочатку означали управління кораблем, а потім отримав у самих греків більш широке значення мистецтва управління взагалі).

У 1843 році з'явилася книга польського філософа Б.Трентовского (за матеріалами курсу лекцій, який він читав раніше). Книга називалася «Відношення філософії до кібернетики як до мистецтва керування народом». Це була спроба побудови наукових основ практичної діяльності керівника, якого він називав «кибернета» (докладніше - в  1 ).

Товариство середини минулого століття було не готове сприйняти ідеї кібернетики. Практика управління тоді ще могла обходитися без науки управління. І кібернетика була забута.

Надалі ідеї системності з'являлися і в інших галузях науки. Так, академік С. Федоров, досліджуючи явище кристалізації речовин, встановив деякі закономірності розвитку систем, зокрема, він вказував, що головним засобом життєздатності і прогресу систем є не їх пристосованість, а їх здатність до пристосування, не стрункість, а здатність до підвищення стрункості .


2.6. Тектология. Наступний великий внесок у теорію систем був внесений А.А.Богданова (Малиновським) - особистістю талановитої, всебічної, що захоплюється. (Це його, автора власної філософії - Емпіріомонізм критикував Ленін у книзі «Матеріалізм і емпіріокритицизм»). Він брав активну участь у політичній діяльності, був у соціально-демократичної партії, потім вийшов з неї, то після революції увійшов до складу Комуністичної академії написав «Короткий курс політичної економії». Він, крім того, є і автором кількох науково-фактичних творів. Основний же його професією була медицина.

До 1925 р. він завершив свою тритомну працю «Загальна організаційна наука (Тектология)». В його основу покладено ідею про те, що всі існуючі об'єкти і процеси мають певний ступінь, рівень організованості. На відміну від конкретних природних наук, які вивчають специфічні особливості організації конкретних явищ, тектология повинна вивчати загальні закономірності організації для всіх рівнів організованості. Все явище розглядаються як безперервні процеси організації та дезорганізації. Відзначається, що рівень організації тим вище, чим сильніше властивості цілого відрізняються від простої суми властивостей його частин.

Основна увага в Тектології Богданова приділяється закономірностям розвитку організації, розгляду співвідношень стійкого і мінливого, значенням зворотних зв'язків, обліку власних цілей організації (які можуть як сприяти цілям вищого рівня організації, так і суперечити їм).

Приклади: людське суспільство - екологічний аспект, соціально-економічний аспект, людський організм - імунітет і т.п.

Крім того, Богданов підкреслював роль моделювання та математики, як потенційних методів вирішення завдань Тектології. Таким чином він передбачив багато положень сучасних кібернетичних і системних теорій.

Ставши директором першого в світі інституту переливання крові (створеного за його ж ідеї і за підтримки В.І.Леніна) він став перевіряти деякі висновки своєї теорії на прикладі кровоносної системи, проводячи на собі ризиковані досліди. Один з них завершився загибеллю вченого. Тектология, також як і кібернетика в своєму першому явищі світу, була на якийсь час забута, і про неї згадали лише тоді, коли і інші стали приходити до тих же результатів.


2.7. Кібернетика Вінера

Можна сказати, що світ «визрів» для масового засвоєння системних понять і свідомості системності світу до кінця 40-х років нашого століття, коли в 1948 р. американський математик Н. Вінер опублікував книгу під назвою «Кібернетика». Спочатку він визначив кібернетику як «науку про управління і зв'язку в тварин і машинах». Проте вже в наступній своїй книзі «Кібернетика і суспільство» він розширює це визначення і аналізує з позицій кібернетики процеси, що відбуваються в суспільстві. У 1956 р. в Парижі відбувся Перший міжнародний конгрес з кібернетики.

Після того, як кібернетика в СРСР перестала називатися лженаукою, в її становленні внесли вклад і наші вчені, при цьому з'явилися нові визначення, зокрема:

«Кібернетика - це наука про оптимальне управління складними динамічними системами» (А.І.Берг).

«Кібернетика - це наука про системи, що сприймають, зберігають, переробляють та використовують інформацію» (А.Н.Колмогоров).

З цих визначень видно, що предметом кібернетики є дослідження систем, причому для кібернетики в принципі несуттєво, яка природа цієї системи, тобто чи є вона фізичної, біологічної, економічної, організаційної або навіть уявної. Таким чином «кібернетика» вторгається в абсолютно різнорідні сфери. в [1] наводиться такий аналог: світ може бути представлений як як «булка», кожна наука, що вивчає світ, - «скиба» поперек, а кібернетика - це «шмат» уздовж.

В рамках кібернетики Вінера відбулося подальший розвиток системних уявлень, а саме:

  1. типізація моделей систем;

  2. виявлення значення зворотних зв'язків у системі;

  3. підкреслення принципу оптимальності в управлінні та синтезі систем;

  4. поняття інформації як загального властивості матерії, усвідомлення можливості її кількісного опису;

  5. розвиток методології моделювання взагалі і особливо машинного експерименту, тобто математична експертиза за допомогою ЕОМ.


2.8. Загальна теорія систем Л. Берталанфі. Загальна теорія систем - це як би паралельний, незалежний по відношенню до кібернетики, підхід до науки про системи. У 1950 р. австрійський біолог Л. Берталанфі опублікував книгу «Основи загальної теорії систем». Берталанфі намагався відшукувати структурний подібність законів, встановлених в різних дисциплінах і, узагальнюючи їх, виводити загальносистемні закономірності.


Берталанфі підкреслював особливе значення обміну системи речовиною, енергією та інформацією (негативною ентропією або негентропії) з навколишнім середовищем. У відкритій системі встановлюється динамічна рівновага, яке може бути направлено в бік ускладнення організації всупереч другому закону термодинаміки (завдяки введенню негентропії ззовні). У цьому випадку функціонування системи - це не просто відгук на зміну зовнішніх умов, а збереження старого або встановлення нового рухомого внутрішньої рівноваги системи (гомеостазису).
Якщо в кібернетиці Вінера вивчалися лише внутрішньосистемні зворотні зв'язки, а функціонування систем розглядалося як відгук на зовнішні впливи, то Берталанфі, розвиваючи ідеї фізика Шредінгера, розробив концепцію організму як відкритої системи і сформулював програму побудови загальної теорії систем.


2.9. Синергетика


Ще один підхід до дослідження систем пов'язаний з так званою бельгійської школою на чолі з І. Пригожиним. Цей вчений займався термодинамікою нерівноважних фізичних систем (Нобелівська премія 1977 р.) і виявив, що виявлені ним закономірності справедливі для систем будь-якої природи. Він як би заново відкрив вже відомі властивості систем, але, крім цього, запропонував нову теорію динаміки систем. Суть його теорії полягає в наступному.



Матерія не є пасивною субстанцією; їй властива спонтанна активність, викликана нестійкістю нерівноважних станів, у які приходить система в результаті взаємодії з навколишнім середовищем. Так реалізується механізм самоорганізації систем, причому в особливі «переломні» моменти (точки біфуркації) принципово неможливо передбачити, чи стане система менш або більш організованою.



Контрольні питання


  1. Чи може будь-яке явище бути несистемним?

  2. Що таке проблемна ситуація?

  3. Яка, по-вашому, діяльність не може бути алгорітмізіровать?

  4. Наведіть приклад діяльності, яка раніше вважалася суто евристичної, а тепер успішно алгорітмізіровать?

  5. Які особливості мислення дозволяють стверджувати, що воно системно?

  6. Наведіть аргументи на користь системності всієї матерії.

  7. Які основні події в розвитку системних уявлень протягом останніх 150 років?

  8. Що означає грецьке слово «система»?

  9. У чому відмінність кібернетики Вінера і теорії систем Берталанфі?

  10. Який погляд на системність світу виражає синергетика?


Література


  1. Ф.І.Перегудов, Ф.П.Тарасов. Введення в системний аналіз. М.: «Вища школа», 1989. 519.8 (07) У П27.

  2. В.А.Губанов та ін Введення в системний аналіз. Л., 1988.

  3. Р.Пентл. Методи системного аналізу навколишнього середовища. М.: Мир, 1979.

  4. Н.В.Чепурних, А.Л.Новоселов. Економіка та екологія. Розвиток, катастрофи. М.: Наука, 1996.

  5. Д.Б.Браун. Системи забезпечення техніки безпеки. М.: 1979.

  6. Спіцнадель В.Н. Основи системного аналізу. - СПб.: Видавничий будинок «Бізнес-преса».




1 Телеологія - (фіналізм) - філософська концепція, згідно з якою все в світі (дії людини, історичні події, природні явища) влаштовано доцільно і всякий розвиток є здійсненням заздалегідь визначених богом чи природою цілей; вчення про цілі і доцільності
Навчальний матеріал
© uadoc.zavantag.com
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації