Лекция 1 - кафедры АСУ

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уфимский государственный авиационный технический университет»
Г.Г. Куликов, К.А. Конев, В.А. Суворова
ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
Допущено Редакционно-издательским советом УГАТУ
в качестве учебного пособия для все форм обучения,
обучающихся по направлениям 080800(230700) «Прикладная
информатика», 230100 «Информатика и вычислительная техника»
Уфа 2012
УДК 681.5 (07)
ББК 32.365я7
К90
Рецензенты:
директор по развитию консалтинга в сфере IT-технологий
ООО «Джи-Эм-Си-Эс Вертекс», д-р техн. наук, проф. А. В.Речкалов,
зав. каф. информатики и информационных технологий в образовании
ГОУ ВПО «Башкирский государственный педагогический университет
им. Акмуллы», канд. пед. наук, доц. Горбунов В. М.
Куликов Г.Г., Конев К.А., Суворова В.А.
К90 Теория систем и системный анализ. Учебное пособие / Уфимск. гос.
авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2012. – 191 с.
ISBN 978-5-4221-0266-2
В части содержания пособие соответствует требованиям
федерального государственного образовательного стандарта к дисциплине
"Теория систем и системный анализ" направления подготовки бакалавров
(080800) 230700 "Прикладная информатика".
Рассмотрены основные понятия и методы системного анализа и
теории систем. Главное внимание уделено формированию системного
мышления и развитию у студентов умений использования основных
системных закономерностей и принципов при исследовании сложных
систем.
Предназначено для студентов 2 и более старших курсов, изучающих
дисциплину «Теория систем и системный анализ»
Табл. 6. Ил. 98. Библиогр.: 37 назв.
УДК 681.5 (07)
ББК 32.365я7
ISBN 978-5-4221-0266-2
© Уфимский государственный
авиационный технический университет, 2012
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................ 5
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ ..................................................... 6
1.1. Подходы к исследованию окружающего мира .............................. 6
1.2. Система и её основные признаки ................................................... 10
1.3. Свойства, функции и цели системы............................................... 22
1.4. Условия применения системного подхода ................................... 27
1.5. Контрольные вопросы ..................................................................... 32
2. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ .................. 34
2.1. Целостность систем ......................................................................... 34
2.2. Жизненный цикл сложных систем ................................................ 36
2.3. Возрастание и убывание энтропии и негэнтропии ...................... 38
2.4. Синергетический подход и самоорганизация сложных систем . 42
2.5. Функционирование сложных систем ............................................ 47
2.6. Контрольные вопросы ..................................................................... 58
3. УПРАВЛЕНИЕ В СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ .......................... 60
3.1. Основы теории управления ............................................................ 60
3.2. Принципы управления .................................................................... 61
3.3. Современные методы управления ................................................. 63
3.4. Системы управления ....................................................................... 66
3.5. Управление в организационных системах .................................... 69
3.6. Контрольные вопросы ..................................................................... 72
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ................................................................... 73
4.1. Основные понятия моделирования ................................................ 73
4.2. Принципы моделирования.............................................................. 76
4.3. Виды моделирования ...................................................................... 79
4.4. Характеристика известных способов моделирования ................. 83
4.5. Теория игр и принятие решений .................................................... 86
4.6. Моделирование бизнес-процессов................................................. 89
4.7. Контрольные вопросы ................................................................... 101
3
5. ИЗМЕРЕНИЕ В СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ .......................... 102
5.1. Понятие шкалы .............................................................................. 102
5.2. Виды измерительных шкал........................................................... 105
5.3. Квалиметрия в системном анализе .............................................. 111
5.4. Представление справочников на шкалах .................................... 114
5.5. Контрольные вопросы ................................................................... 117
6. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ.......................................................... 118
6.1. Системный анализ как метод исследования ............................... 118
6.2. Онтологический аспект системного анализа .............................. 129
6.3. Гносеологический и структурный аспекты системного анализа
.......................................................................................................................... 137
6.4. Этапы системного анализа............................................................ 142
6.5. Системный анализ в экономике ................................................... 162
6.6. Системная инженерия ................................................................... 164
6.7. Контрольные вопросы ................................................................... 166
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ ТЕСТА ПО
ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ» . 168
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ ....................................... 174
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................. 187
4
ВВЕДЕНИЕ
Подготовка
студентов
по
направлению
«Прикладная
информатика» предусматривает изучение в сфере информационных
технологий, ориентированных на определённую предметную область.
Данное
направление
предполагает
углублённое
изучение
информатики и тех областей научного знания, на которые она
опирается. В числе таких областей: теория систем, системология,
методология системного подхода к явлениям окружающего нас мира
– множество областей научного знания, объединённого в рамках
дисциплины «Теория систем и системный анализ».
Целью изучения данной дисциплины является рассмотрение
принципов и закономерностей разработки и функционирования
систем, методов принципов их анализа и синтеза, формирование
навыков применения этих методов при системном анализе.
Основной задачей дисциплины являются приобретение
студентами общих теоретических знаний по системному подходу к
исследованию систем и практических навыков по их моделированию.
Для освоения данного курса требуются базовые знания, полученные
при изучении дисциплины «Математика», «Информатика».
Пособие создано как на основе опыта преподавания, так и с
учётом практического опыта применения методик системного
анализа при управлении учебными ресурсами, что нашло отражение в
сквозном примере, иллюстрирующем содержание пособия.
Пособие рекомендовано в качестве основной литературы для
студентов, обучающихся на направлении 230700 «Прикладная
информатика».
Для повышения удобства изучения дисциплины термины в
тексте пособия выделены полужирным курсивным шрифтом,
примеры обозначены курсивным шрифтом, для иллюстрации
излагаемого материала использованы таблицы и рисунки.
Пособие включает 5 глав, терминологический указатель и
список использованной литературы.
5
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ
В данном разделе мы рассмотрим основы теории систем и
системный подход к изучению окружающего нас мира.
1.1. Подходы к исследованию окружающего мира
Известный нам мир безграничен и необъятен. Понять и описать
его – задача современной науки.
По способу создания все объекты в мире делятся на 2 класса:
 естественные, созданные природой;
 искусственные, созданные человеком.
Искусственные объекты имеют важнейшее ограничение,
состоящее в том, что они должны быть полезны для человека, а для
этого и сохранять свою жизнеспособность в течение длительного
времени. Если естественные объекты создавала природа и их форма и
структура оттачивалась тысячелетиями, то у человека нет такого
времени. Поэтому при создании искусственного объекта необходимо
учесть объективные системные законы и закономерности,
относящиеся к его созданию, функционированию и развитию, понять
которые можно благодаря исследованию естественных объектов.
Диалектика, общие законы и
категории философии (знания,
связанные с миропониманием)
Мировоззренческий
уровень
Системотехника, системный анализ,
теория систем (знания, позволяющие
распространить частные выводы на
многие объекты)
Кибернетика, биология, экономика
(знания, основывающиеся на
измерениях)
Общенаучный
уровень
Естественнонаучный
уровень
Рис.1 Иерархия уровней научного познания
6
Следовательно, для создания жизнеспособных, полезных для
человека искусственных объектов необходимо познать законы
функционирования естественных.
В современной науке можно выделить три основных уровня
исследования сложных объектов, процессов и явлений (рис.1).
Каждый уровень научного познания относится к нижестоящему
как «один ко многим». Например, закон диалектики, известный как
«закон отрицания отрицания» в теории систем отражается как
закономерность эволюции, закон жизненной кривой системы и т.д.
Анализ рис.1 показывает, что «теория систем – наука о правилах
перехода с уровня на уровень, а естественные науки поставляют
информацию о характере систем своего уровня» [15]. При этом
теория систем не имеет смысла в отрыве от естественных наук, а они,
в свою очередь, неспособны к серьёзным обобщениям без
инструментария теории систем.
Цель и задачи дисциплины «Теория систем и системный анализ»
в формировании системного мышления и выработке навыков
исследования сложных систем с позиций системного подхода.
Исследованию предметной области теории систем и системного
анализа посвящено множество работ, включая учебники (см.,
например [1, 4, 5, 7, 10, 15, 26, 27, 33, 37]).
Системный подход к научному познанию природы, общества и
человека дал мощный импульс для развития в науке направления,
известного под названием «теория систем». Главное научнометодическое значение системного подхода заключается в том, что он
позволяет исследователям выявить и осознать принцип системности,
проявляющейся практически во всех явлениях и процессах в природе
и обществе и отдельно взятом человеке. Принцип системности
состоит в том, что всякое целое, имеет свойства, отличные от свойств
частей и должно рассматриваться и как отдельная сущность,
связанная с более общими системами и как совокупность
взаимосвязанных частей.
7
Помимо системного подхода, значительное влияние на развитие
современной науки оказывают синергетический и информационный
подходы, которые можно рассматривать как его дальнейшее
развитие, дающее новые возможности для исследования сложных
объектов, процессов и явлений (табл.1).
Таблица 1
Соотношение системных исследований и синергетики [14]
Системный подход
1. Акцент на статике систем, их
морфологическом и
функциональном описании
2. Большое значение придаётся
упорядоченности и равновесию
3. Изучаются процессы
организации систем
4. Останавливается на стадии
анализа структуры системы,
абстрагируются от кооперативных
процессов
5. Проблема взаимосвязи
рассматривается, в основном, как
взаимосвязь компонентов внутри
системы
6. Источник движения в самой
системе
Синергетический подход
1. Внимание на процессах роста,
развития и разрушения систем
2. Хаосу отводится важная роль в
процессах движения систем
3. Исследуется процессы
самоорганизации систем
4. Подчеркивается кооперативность
процессов, лежащих в основе
самоорганизации и развития систем
5. Учитывается совокупность внутренних
и внешних взаимосвязей системы
6. Подчёркивается большая роль среды в
процессе изменения
Синергетический подход позволил науке выявить новые грани
факта самоорганизации и внутреннего развития системы. Дал
возможность по-новому взглянуть на роль хаоса в природе и
обществе. С позиции синергетики хаос – это не только стадия полной
дезорганизации и разрушения структуры системы, но также и
необходимое условие для зарождения нового процесса, это
потенциальный источник нового развития более сложной и более
высокоорганизованной системы.
Информационный подход открывает исследователю новую,
информационную картину мироздания, качественно отличающуюся
8
от классической вещественно-энергетической картины, которая
сегодня не достаточна для современного представления об устройстве
мироздания. Информационные процессы лежат в основе практически
всех явлений в природе и обществе. Информационный подход
позволяет увидеть многие процессы и явления в совершенно новом
свете и выявить ранее не замеченные качества, которые оказываются
важными для понимания сущности рассматриваемых явлений и их
дальнейшего развития.
Толчок к развитию системных идей и системного подхода дали
следующие три фактора (рис.2):
 современные научные фундаментальные и прикладные
исследования с подходом целостности и организованности объектов
исследования (пример кибернетика, биология, психология и т.д.);
 современная сложная техника и программное обеспечение,
использующих системный подход как ведущий принцип разработки и
проектирования;
 организация производства и управления, социальноэкономическая сфера общества, в которых при анализе процессов
необходимо
учитывать
комплекс
разнообразных
факторов
(экономические, экологические, социологические, организационные,
психологические, правовые и этические аспекты).
Факторы, послужившие
источником развития
Современная наука
Высокие технологии
Системный
подход
Управление организациями
Рис.2. Базис развития системного подхода
Следует отметить, что понятие «система», использованное в
данном изложении не всегда правильно и однозначно
9
интерпретируется, поэтому необходимо его отдельно рассмотреть и
прокомментировать.
1.2. Система и её основные признаки
1.2.1. Определение системы. Понятие «Система» является
абстракцией, созданной человеком для облегчения задачи понимания
мира. Наиболее простым и ёмким определением понятия является:
Система – совокупность объектов (рис.3), обладающая
интегративным свойством [34].
Система
Элемент 1
Структурные связи
(структура)
Элемент 3
Элемент 2
Рис.3. Простейшая схема системы
Интегративным свойством называется новое особое качество
целостности, порождаемое отношениями взаимосвязанных и
взаимодействующих структурных элементов.
Факторы внешней среды
Климатические
Социальные
Правовые
Система
Экономические
Прочие
Элемент
Рис.4. Связи системы со средой
10
Свойствами
системы,
конкретизирующие
понятие
интегративного свойства, являются:
1) Связь системы как целого с внешней средой (рис.4). В
системе есть связи со средой, которые при моделировании можно
интерпретировать как входы и выходы.
2) Выделение системы из внешней среды. Система отличима
от внешней среды и имеет выраженную границу, по которой можно
достаточно точно определить какие объекты являются элементами
системы, а какие – внешней среды.
3) Множественность элементов системы. Система включает
более одного элемента, поскольку в противном случае невозможно
представить её структуру.
4) Взаимосвязанность элементов системы. Элементы системы
находятся в отношениях между собой, определяющих свойства и
законы функционирования системы как целого. Система образуется
в результате взаимодействия составляющих её элементов, которое
придает ей новые свойства, отсутствующие у отдельно взятых
элементов.
1.2.2. Признаки и свойства системы
Базовыми признаками системы являются:
 множество элементов;
 единство главной цели для всех элементов;
 наличие связей между ними;
 целостность;
 единство элементов;
 структура;
 иерархичность;
 относительная самостоятельность;
 четко выраженное управление.
Основные свойства системы:
11
 стремление сохранить свою структуру (основано на
объективном законе организации – законе самосохранения);
 потребность в управлении (существует набор потребностей у
человека, у животного, у общества, у стада животных, у большого
социума);
 наличие сложной зависимости от свойств входящих в нее
элементов и подсистем (система может обладать свойствами, не
присущими ее элементам, и может не иметь свойств этих элементов).
1.2.3. Системообразующие факторы
Для решения исследовательских задач важно выясненить
сущность сил, объединяющих множество несвязанных компонент в
одну систему. Для объяснения этого применяется специальный
термин — «системообразующий фактор». Под ним понимается
фактор, который формирует систему [32].
Системообразующий фактор представляется и как объективное
явление, характеризуя способность материи обретать и проявлять
системность, и как средство для выделения исследователем системы
из среды. Иными словами, системообразующий фактор – одно из
проявлений активности материи в аспекте реализации ее способности
формировать системы.
Проблема поиска системообразующих факторов является одной
из главных проблем науки, поскольку, найдя фактор, мы находим
систему.
В науке просматриваются два направления поисков
системообразующих факторов:
 естественнонаучное,
заключается
в
исследовании
особенности, специфика, характер системообразующих факторов в
природе с помощью естественных наук;
 теоретическое, характеризуется попытками выявить за
спецификой,
уникальностью,
единичностью
конкретных
системообразующих факторов закономерность, присущую всем
12
системам без исключения,
разноуровневых системах.
но
проявляющаяся
по-разному
в
Таблица 2
Классификация системообразующих факторов [32]
Основание
классификации
Активность
Способ
проявления
Положение по
отношению к
системе
Фактор
Разновидность
Активный
Активное
проявление
Пассивный
Пассивность, слабость воздействия
Открытый
Проявляет себя открыто
Латентный
Не проявляется внешне, отличается
скрытостью
Внешний
Находится
во
внешней
отношению к системе среде
Внутренний
Находится внутри системы
Целевой
Выступает
проявлений
Временной
Представляется
в
качестве
формирующего системы времени
Аспекты системы Структурный
Соответствие
реальности
Характеристика
формирующее
в
виде
по
целевых
Структурообразующее явление
Организационный
Выступает в виде
организованности
Функциональный
Представляется в виде функций
Искусственный
Носит искусственный,
характер
пробный
Естественный
Свойственен
объектов
реальных
природе
проявлений
Воздействует
стабилизирующе,
Стабилизирующий или
чем обеспечивает формирование
Характер действия
благоприятствования
системы
13
Основание
классификации
Фактор
Разновидность
Дестабилизирующий
или угрозы
Характеристика
Благодаря угрозе дестабилизации,
гибели элементов обеспечивает их
интеграцию в систему
Системообразующие факторы выполняют вполне определенные
функции по отношению к системам:
 выступают источником возникновения систем, ибо
возникновение системообразующего фактора означает прекращение
существования неупорядоченности, появление обостренной нужды в
системе;
 играют важную роль в поддержании равновесия системы.
Система, вышедшая из равновесия, побуждает, «включает»
системообразующий фактор, который обеспечивает достижения ею
состояния гомеостата;
 обеспечивают процесс наследования в системах, память о ее
коде. Обратим внимание и на то, что системообразующие факторы
далеко не всегда проявляют себя открыто. Это скрытые факторы, что
требует специальных и длительных исследований.
Внутренние
системообразующие
факторы
порождаются
объединяющимися в систему отдельными элементами, группами
элементов или всем множеством.
Перечень внутренних системооборазующих факторов:
 общность природного качества элементов, позволяющая
существовать многим естественным системам потому, что элементы
какого-либо природного качества имеют только им присущие, особые
связи;
 взаимодополнение, обеспечивающее связь как однородных,
так и разнородных элементов в системе;
 факторы индукции, отражающие присущее всем системам
живой и неживой природы свойство стремления к завершенности;
14
 постоянные стабилизирующие факторы системообразования,
включающие постоянные жесткие связи, обеспечивающие единство
системы, кроме того, они не только системообразующие, но и
системо-сохраняющие;
 связи обмена, представляющие собой сущность любого
взаимодействия элементов, но характер обмена и его субстрат зависят
от уровня развития взаимодействующих элементов или подсистем в
системе.;
 функциональные
связи,
возникающие
в
процессе
специфического взаимодействия элементов систем.
Данные факторы носят как внутренний, так и внешний характер.
Внешние – элементы образуемой системы индифферентны по
отношению друг к другу (куча камней, мешок зерна); внутренние –
образуемая ими система выступает как единство подобных
элементов.
1.2.4. Основная классификация систем
Основная классификация систем – разделение каждой из них на
три подсистемы: техническую, биологическую и социальную.
Техническая подсистема включает оборудование и другие
работоспособные изделия, имеющие инструкции для пользователя.
Набор решений в технической подсистеме ограничен и последствия
всех решений, как правило, предопределены. Решения носят строго
формализованный характер и выполняются в строго определенном
порядке.
Биологическая подсистема включает флору и фауну планеты, в
т.ч. человеческий организм. Набор решений также ограничен
вследствие медленного эволюционного развития живых организмов.
Последствия решений могут быть непредсказуемыми вследствие
наличия субъективных факторов и огромного многообразия
вариантов.
15
Социальная подсистема характеризуется наличием человека как
субъекта и объекта управления в совокупности взаимосвязанных
элементов. Социальная подсистема может включать биологическую и
техническую подсистемы, а биологическая подсистема – техническую
подсистему.
Системы также подразделяются на искусственные и
естественные, открытые и закрытые, детерминированные и
стохастические, жесткие и мягкие.
Искусственные системы создаются человеком для реализации к.л. заданных программ или целей на основании субъективной воли
(техника, учреждения культуры).
Естественные системы возникают в природе или создаются
человеком
вследствие
объективных
природных
процессов
(экологические системы, моногамия).
Открытые системы характеризуются открытым характером
связей с внешней средой и сильной зависимостью от нее (СМИ,
коммерческие структуры).
Закрытые
системы
характеризуются
преимущественно
внутренними связями и создаются для удовлетворения внутренних
потребностей персонала и учредителей (профсоюзы, политические
партии, мафиозные структуры).
Детерминированные системы функционируют по заранее
заданным правилам, с заранее определенным результатом (типовое
производство, начальное образование).
Стохастические
системы
характеризуются
трудно
предсказуемыми входными воздействиями внешней и (или)
внутренней среды и выходными результатами (научные
исследования, предпринимательство, игорный бизнес).
Мягкие системы характеризуются высокой чувствительностью к
внешним воздействиям и слабой устойчивостью (финансовые
котировки, слабообученный персонал).
16
Жесткие системы – как правило, авторитарные, основанные на
высоком профессионализме небольшой группы руководителей,
организации (религиозные организации, диктатуры).
Кроме того, любая система обладает некоторой структурой.
1.2.5. Структура системы. Понятие «структура» также
относится к числу интуитивных, абстрактных понятий. Структура
объединяет совокупность тех свойств системы, которые являются
существенными с точки зрения проводимого исследования и
сохраняют значимость в течение всего жизненного цикла системы.
Структура системы является консервативной характеристикой
системы: она может сохраняться неизменной длительное время, а
состояние системы за это же время может многократно и
существенно измениться.
Структура системы – это пространственное расположение её
элементов, закон взаимодействия между ними, совокупность
устойчивых межэлементных связей и внутреннее устройство (рис.5).
Надсистема
Система
Подсистема 1
Подсистема 2
Элемент 1.1
Элемент 2.1
Элемент 1.2
Элемент 2.2
Рис.5. Соотношение надсистемы, системы, подсистемы и элемента
Элемент – наиболее простая часть, логическая сущность,
декомпозиция которой в рамках данной системы нецелесообразна.
Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от
свойств других элементов. Элементы считаются взаимосвязанными,
17
если по изменениям происходящим в одном элементе, можно судить
об изменениях в других элементах.
Подсистема отличается от элемента системы тем, что обладает
всеми свойствами системы, в частности, свойством целостности (по
подцели) и эмерджентности, т.е. не сводимости свойств системы к
сумме свойств её элементов.
Различные виды систем различаются именно структурой.
Структура определяет свойства системы любой природы. Структура
играет ведущую роль в формировании новых свойств системы, в
поддержании её целостности и устойчивости при изменении
элементов системы.
Важными структурными компонентами являются отношения
координации и субординации.
Координация – упорядоченность элементов системы одного
уровня иерархии.
Субординация – упорядоченность элементов системы
различных уровней иерархии по их месту в ней.
Архитектоникой
называют
изучение
структуры
в
пространственном срезе.
Отношение в пространстве структуры характеризуется
показателями:
 выше – ниже;
 больше – меньше;
 внешний – внутренний;
 несущее – несомое;
 объединяющее – объединяемое.
1.2.6. Дескриптивное и конструктивное определения системы
При описании системы выделяют два аспекта (рис.6).
Дескриптивное (описательное) определение позволяет отличать
системный и несистемный объекты друг от друга, а конструктивное –
выделить систему из внешней среды [14].
18
Несистемный объект
Несистемный объект
Система
Несистемный объект
Дескриптивный подход
Признак 1
Признак 2
Входы
Система,
функционирующая
на основе
внутренних
законов
Выходы
Признак 3
Конструктивный подход
Рис.6. Схема дескриптивного и конструктивного подходов к определению
системы
Дескриптивное определение понятия:
Система
–
совокупность
объектов
и
процессов,
взаимодействующих между собой, которые образуют единое целое,
обладающее интегративным свойством.
Дескриптивный подход к определению системы требует также
описания основных свойств, присущих системным объектам,
независимо от их типа. В качестве общесистемных свойств могут
выступать целостность, иерархичность и интегративность.
Конструктивный подход предполагает выделение системы из
внешней среды и основан на рассмотрении структуры системы,
определяемой законами её функционирования. С этой точки зрения,
систему принято схематически представлять в виде «черного ящика».
Входы (ресурсы) системы представляют собой элементы,
передаваемые в неё из внешней среды. По входам осуществляется
влияние на систему.
Выходы (продукты) системы – это элементы, передаваемые
системой внешней среде. Посредством выходов система может сама
оказывать влияние.
Описание системы через входы и выходы иногда называют
внешним, поскольку оно дает понимание только связей системы с
внешней средой. Механизм преобразования входов в выходы
позволяет раскрыть т.н. «процессор» – локальное описание системы.
19
Процессор включает в себя правила преобразования входов в выходы,
механизмы и средства преобразования, исполнителей, систему
стимулирования преобразования (катализатор) и время.
На конструктивном подходе основан принцип системного
моделирования, описанный в разделе 4.
Конструктивное понятие «система» определяется как некоторая
сущность, в процессе функционирования по определённым законам,
преобразующая входы в выходы.
1.2.7. Способы выделения систем
Используется три основных способа выделения систем:
1) Структурное разделение (рис.7). Явление или процесс
расчленяется на множество составных элементов, между которыми
выявляются системообразующие межэлементные связи и отношения,
придающие этому множеству целостность.
Система
Элемент
Элемент
Элемент
Элемент
Рис.7. Пример структурного разделения системы
Пример:
Факультет – это объект, состоящий из кафедр,
специальностей и групп.
2) Аспектное разбиение (рис.8). Представление не всего
исследуемого объекта, явления, или процесса как системы, а только
лишь его отдельных сторон, граней, аспектов, разрезов, которые
считаются существенными для исследуемой проблемы. В этом случае
каждая система в одном и том же объекте отражает лишь
определенную грань своей сущности. Такое применение понятия
20
системы позволяет цельно изучать разные аспекты или грани единого
объекта.
двигатель
автомобиля
салон
автомобиля
\
ходовая часть
автомобиля
Рис.8. Пример аспектного разделения системы
Пример:
Рассмотрение производства силовой установки самолёта в
технологическом аспекте, рассмотрение работы двигателя
внутреннего сгорания с позиций его экономичности – в
экономическом аспекте.
3) Процессный подход. Способ выделения систем в сложном
объекте без разбиения его на части. Гранями служат существенные
процессы, протекающие в сложном объекте, а системы принимают
участие в этих процессах. Данный способ в наибольшей степени
соответствует конструктивному подходу к определению систем.
Пример:
Представление обучения как процесса преобразования
школьника-старшеклассника
в
молодого
специалиста
или
производства минеральной воды как процесса преобразования
неочищенной воды из горного источника и бутылок в продукцию
товарного вида.
На примере телевизора:
Телевизор состоит из: кинескопа, усилителя, антенны, корпуса
и т.д.
В техническом аспекте телевизор – это электрическая схема.
21
При процессном подходе телевизор – объект, в котором
аналоговый сигнал с входа антенны преобразуется в изображение на
выходе электронно-лучевой трубки кинескопа.
1.3. Свойства, функции и цели системы
Любая система проявляет свои свойства. При этом интересны
именно те свойства, которые отличают её как целостность и которые
не сводятся только к сумме свойств ее элементов.
Свойство системы – величина, характеризующая её состояние
в любой момент времени. Две системы различны, если они различны,
хотя бы по одному свойству. Взаимодействие систем осуществляется
в пространстве и во времени. Свойство взаимодействия характеризует
совместное поведение систем, но не присущее, ни одной из них в
отдельности (рис.9).
Свойство –
длина трубы
Свойство –
материал трубы
Объект – труба
Свойство –
диаметр трубы
Рис.9. Пример свойств объекта
Свойства объекта для человека несут мало информации. Гораздо
важнее то, как объект проявляет себя в различных ситуациях, т.е. его
характеристика [15]. Характеристику объекта определим как
наиболее вероятные формы поведения объекта в различных условиях.
Важным свойством искусственной системы является наличие
некоторой цели, которая закладывалась человеком при её создании.
Функция системы определяет её смысл существования,
назначение и необходимость. Функция определяется для системы
извне и показывает, связь системы с надсистемой, в которую она
22
включена составной частью наряду с другими системами,
выступающими для неё внешней средой. Функция определяет
структуру и возможность развития, поэтому её можно считать
системообразующим фактором системы (рис.10).
Функция
системы
–
это
определённое
логикой
функционирования надсистемы назначение системы, которое
определяет её структуру и основные свойства.
Цель системы – это желаемое состояние выходов системы
(конечное состояние) в результате управляемого процесса её
функционирования, а также вариант удовлетворения потребности
[25].
Цель может быть заданной извне, либо поставлена системой
самой себе на основе её внутренних потребностей.
Внешнее
объективное
влияние,
обусловленное ролью
в надсистеме
Внутренняя
субъективная
потребность
Система
Функции
Цели
Рис.10. Источники возникновения функций и целей системы
Если функция отражает роль системы в надсистеме и
объективно обусловливается ею, то цель выражает внутренние
потребности системы. Поэтому отождествлять цель и функцию
нельзя. Но можно утверждать, что они могут, как способствовать, так
и препятствовать осуществлению друг друга (противоречить).
При этом главенствующая роль принадлежит функции, поскольку
именно от неё зависит возможность самого существования системы.
Например, если какая-либо фирма не удовлетворяет
потребностей потребителей (функция), то рано или поздно она
разорится. Если же, удовлетворяя потребности, фирма не получает
23
прибыль (одна из целей), она может существовать значительное
время.
Цель оказывает влияние, как на структуру, так и на поведение
системы и наряду с функцией является системообразующим
фактором, но при решающей роли функции.
Выделяют следующие свойства цели:
1) Субъективность, выражающаяся в том, что цель определяет
желаемый результат для индивида.
Пример: Работник может поставить сугубо личную,
корыстную цель, которая не будет обеспечивать цели организации,
но он может попытаться обосновать необходимость достижения
этой цели за счёт ресурсов организации.
2) Иерархичность, связанную с возможностью декомпозиции
цели. Цель системы можно уточнять, выделяя в ней внутренние
объекты – подцели. Такое уточнение некоторой цели называется её
декомпозицией. Различают пространственную декомпозицию и
временную:
а) Пространственная декомпозиция связана с разложением цели
на частные цели и цели на подцели, позволяющая формировать
дерево цели (рис.11).
Основная
цель
Цель 1
Подцель 1.1
Цель 2
Подцель 1.2
Цель 3
Подцель 3.1
Подцель 3.2
Рис.11. Пространственная декомпозиция цели
б) Временная декомпозиция связана с прогнозированием
достижения цели и разнесением подцелей во времени (рис.12).
24
Подцель 1.1
Цель 1
Подцель 1.2
Цель 2
Основная
цель
Подцель 3.1
Подцель 3.2
Период 1
Период 2
Период 3
Цель 3
Ось времени
Период 4
Период 5
Рис.12. Временная декомпозиция цели
3) Динамичность, выражающуюся в том, что цели высшего
уровня более долговечны.
Пример: Цели функционирования отдельных институтов
государства могут многократно измениться, а основные цели
государства, указанные в конституции будут при этом неизменны.
4) Нечеткость – одни цели могут быть замещены другими.
Пример: по мере роста фирмы цели выживания на рынке
замещаются целями увеличения прибыли и вытеснения конкурентов.
5) Произвольность выбора средств, которая предполагает
возможность смешения целей со средствами.
Пример: Средство – процесс работы в организации с целью
получения дохода для некоторых людей становится важной целью.
Для искусственных систем цель является субъективной
категорией и представляет собой идеальное (планируемое) состояние
системы в будущем. Для естественных систем цель обычно
рассматривается как объективная категория и представляет собой
будущее реальное состояние системы.
Рассмотрим систему на примере системы
учебного процесса на выпускающей кафедре вуза.
планирования
25
Планирование учебного процесса состоит в создании условий
для учебного процесса, т.е. планировании учебной нагрузки, загрузки
учебных лабораторий, выпуска (переработки) учебно-методической
литературы и распределении других ресурсов. Система планирования
учебного процесса гораздо шире границ кафедры и включает целый
ряд подразделений вуза, выступающих в роли её элементов (рис.13).
С другой стороны, сама система является элементом системы
управления вузом и может рассматриваться только в её контексте.
Ректорат
Воздействие, Управление,
Контроль
Учебное
управление
Воздействие, Управление,
Контроль
Планово-финансовое
управление
Процесс планирования
Воздействие, Управление,
Контроль
Воздействие,
Управление,
Контроль
Кафедра
Деканат
Преподаватель
План кафедры,
План годовой нагрузки,
Отчет кафедры,
Годовой индивидуальный план
Учебная нагрузка
и т.д.
План выпуска студентов,
План приема в аспирантуру
и т.д.
Сотрудничество
Кафедры
университета
Воздействие,
Управление,
Контроль,
Сотрудничество
Другие подразделения
Рис.13. Структура системы планирования учебного процесса с точки
зрения кафедры
Структуру системы планирования учебного процесса можно
представить как совокупность взаимосвязей между подразделениями,
возникающими при планировании учебного процесса. Лучше всего
такие взаимосвязи иллюстрируют документы, которые передаются
26
между подразделениями. Например, план распределения учебной
нагрузки, перечень учебных лабораторий и др.
Основной функцией системы планирования учебного процесса
является управление ресурсами, необходимыми для учебного
процесса.
Целью системы является такое распределение ресурсов, при
котором все требования основной образовательной программы будут
выполнены, с наименьшими затратами и наиболее высоком качестве
образовательной услуги. Достижение этой цели требует решения
сложной эффективной задачи. Но богатый опыт методической работы
позволяет наметить подходы к решению этой задачи в каждом
конкретном случае за счёт, например, использования преподавателей
с высокой компетенцией, сбалансированности учебного расписания,
точного соблюдения правил составления учебных планов и т.д.
Декомпозиция цели системы планирования учебного процесса
даёт следующие подцели: эффективное распределение кадровых
ресурсов, методических ресурсов, аудиторий и т.д.
Следовательно, любой реальный объект, явление или процесс
может быть рассмотрен в виде системы с использованием системного
подхода.
1.4. Условия применения системного подхода
1.4.1. Задачи системного подхода и системное мышление.
Системный подход, как и любой другой подход к исследованию,
создан человеком для решения определённых задач. Основными
задачами системного подхода являются:
 изучение феномена целостности системы;
 исследование закономерностей соединения элементов в
систему посредством структуры;
 изучение функций и компонентов системы;
 исследование взаимовлияния системы и среды и методов
обеспечения устойчивости системы.
27
Успешное применение системного подхода возможно только
при наличии системного мышления у исследователя.
Под системным мышлением понимают совокупность методов
и способов исследования, описания и конструирования систем,
применяемых для решения практических и научных задач.
Различают следующие виды мышления:
 наглядно-действенное – первая ступень мышления;
характеризуется тем, что решение задачи осуществляется с помощью
реального, физического преобразования ситуации, опробования
свойств объекта;
 словесно-логическое – характеризуется использованием
понятий, логических конструкций;
 наглядно-образное – воссоздает все многообразие реальных
характеристик предмета.
Выделяют следующие типы мышления:
 теоретическое – направлено на открытие законов, свойств
объекта;
 практическое – связано с постановкой целей, выработкой
планов и проектов;
 логическое (аналитическое) – связано с анализом действий;
 интуитивное – характеризуется быстротой протекания,
отсутствием четко выраженных этапов, минимальной осознанностью.
Системное мышление присуще людям, использующим
системный анализ для решения практических задач. Человек
мыслящий системно рассматривает каждый объект, процесс или
явление и как целое, т.е. сущность, имеющую некоторую структуру,
состав элементов, и как часть некоторой более общей системы, для
которой этот объект, процесс или явление только компонент.
Особенностью системного подхода является приоритет целого
над частным, сложного над простым. При традиционном подходе
мысль движется от простого к сложному, при системном анализе –
28
сначала объект разделяется на части (анализ), а затем из частей
формируется его целостное видение (синтез).
Развитие системного анализа проходит через накопление,
обобщение и систематизацию мыслительных конструкций для
осмысления и структурирования сложных ситуаций (рис.14).
Разбиение системы на элементы
Изучение элементов системы
Формирование модели системы
Принятие решения о функционировании системы
Рис.14. Схема мыслительного процесса в системном анализе
Системному мышлению присуща внутренняя парадоксальность.
Парадокс целостности подразумевает, что познание системы
как целого невозможно без того, чтобы не заглянуть внутрь системы,
без анализа ее частей.
Известны два способа разбиения (декомпозиции) системы:
первый, когда после разбиения целостной системы в итоге получаем
элементы или части, которые не несут на себе целостные свойства
исходной системы. Такое разбиение малопригодно. Второй способ
разбиения, когда удается выделять такие элементы, которые
сохраняют в специфической форме целостные свойства исследуемой
системы.
Парадокс иерархичности заключается в том, что решение
задачи описания любой системы возможно лишь в контексте
описания этой системы как элемента более широкой системы
(надсистемы). Описание системы как элемента более широкой
системы возможно только при условии наличия описания данной
системы как таковой. Парадокс иерархичности представляет собой
взаимную обусловленность решения двух задач: описания системы
29
как таковой и описания этой системы как элемента более широкой
системы.
Парадоксы целостности и иерархичности составляют основную
сущность системного мышления.
1.4.2. Потенциал целеориентированной системы. Системы, с
которыми предстоит иметь дело специалистам по прикладной
информатике,
в
подавляющем
большинстве
являются
целеориентированными.
Искусственные
целеориентированные
системы созданы для достижения некоторой цели.
Для
эффективного
функционирования
таких
систем,
необходимо наличие цели, ресурсов и алгоритма (рис.15). Отсутствие
какого-либо компонента приводит к следующим ситуациям:
Нет цели – неопределенная ситуация. Система может перестать
функционировать как единое целое. Отсутствие цели либо приведёт к
преобразованию системы в ценностноориентированную, либо к
функционированию системы в интересах отдельных её компонентов.
Алгоритм
3
Используется при
преобразовании
2
Используются для
преобразования
Ресурсы
Функционирование
целеориентированной
системы
Реализуется для
достижения
1
Цель
1) Нет цели.
2) Нет ресурсов.
3) Нет алгоритма.
Рис.15. Связь цели, ресурсов и алгоритма с функционированием системы
Пример: коррупция государственной системы.
Нет ресурсов – проблемная ситуация. Система не может
достигнуть цели. Целью становится поиск ресурсов.
Пример: при отсутствии оборотных средств у предприятия
целью становится не столько получение прибыли, сколько заём
оборотных средств.
30
Нет алгоритма – критическая ситуация. Система в принципе не
может достигнуть цели. Такое возможно при отсутствии
необходимого опыта, технологий, специалистов и т.п. Это ситуация
системного кризиса, которая приводит либо к возрождению, либо к
катастрофе системы.
Пример:
технологическое
отставание
предприятия,
приводящее к потере рынка и, следовательно, прибыли.
Потенциал (Р) целеориентированной системы можно определить
соотношением:
n
P A   P(ai ) ,
i 1
(1.1)
где n – число элементов системы.
В хорошо организованной системе взаимодействия структурных
элементов (а1, а2,...аn) системы А согласованы, целенаправленны и
синхронизированы на достижение общей цели. Потенциал Р такой
системы по определенному параметру (например, научному,
экономическому и др.) больше суммы потенциалов всех
составляющих элементов подсистем.
Р(А)  Р(а1) + Р(а2) + ... + Р(аn),
(1.2)
Когда степень организованности системы не очень высокая или
даже низкая из-за несогласованного и нецеленаправленного
взаимодействия элементов системы, потенциал системы равен или
меньше суммы потенциалов его составных элементов:
Р(А)  Р(а1) Р(а2) + ... + Р(аn),
(1.3)
При этом исчезает интегративное свойство системы, и система
перестает существовать. Данное соотношение можно рассматривать
как один из критериев существования системы.
Анонимом
целеориентированных
являются
ценностноориентированные
системы
(рис.16).
Системы,
ориентированные на ценности – более сложные. Их поведение
основано на общих ценностях. Для ценностноориентированных
31
систем важен процесс действия, оцениваемый по некоторым
критериям ценностей. В ценностноориентированных системах
нередко возникают ситуации, когда в их функционировании
невозможно четко определить цель.
Целеориентированная
система
Цель
Результат
Функционирование целеориентированной системы
Принципы, задачи, ценности
Ценностноориентированная система
Функционирование ценностноориентированной системы
Рис.16. Целеориентированные и ценностноориентированные системы
Целеориентированные могут со временем эволюционировать в
ценностноориентированные и наоборот.
1.5. Контрольные вопросы
1) Дайте определение понятия «теория систем»?
2) Чем отличаются понятия «системология» и «системный
анализ»?
3) Каково место системного анализа в структуре научного
знания?
4) Каковы основные признаки системы?
5) Что такое интегративное свойство?
6) Каковы основные задачи системного подхода?
7) Для чего исследуются системообразующие факторы?
8) Какие системообразующие факторы Вы знаете?
9) В чём особенности системного мышления?
10) В чём состоит парадокс целостности?
32
11) Каково соотношение понятий «функция» и «цель» для
системы?
12) Какие свойства цели Вы знаете?
13) Каковы особенности ценностноориентированных систем и
чем они отличаются от целеориентированных?
33
2. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
2.1. Целостность систем
Гомеостаз (гомеостазис) – относительное постоянство состава
и важнейших свойств внутренней среды системы и устойчивость её
основных функций [34].
Например, температура 36,6 у человека является одним из
показателей его гомеостаза, а наличие учебных лабораторий –
показателем гомеостаза кафедры вуза, обучающей студентов
техническим наукам.
Регуляторные механизмы, поддерживающие состояние или
свойства элементов, подсистем и систем на оптимальном уровне,
называются гомеостатическими.
Различают системный (общий) гомеостаз, обеспечивающий
сохранение целостности всей системы, и частный гомеостаз – по
конкретным её компонентам.
Показатель гомеостаза системы, или характеристика её
целостности, показывает внутреннюю безопасность системы, т.е.
способность системы в условиях внутренних и внешних воздействий
сохранить свое нормальное функционирование.
Математически это можно выразить следующим образом:
n
 P
i 1
i
= const,
(2.1)
где n – число основных параметров системы; Pi – изменения
значения основного i-го параметра системы.
Гомеокинез – это небольшая изменчивость (колебание)
параметров системы возле некоторого среднего значения при
сохранении постоянства состава её свойств и функций.
n
 P
i 1
i
 const,
(2.2)
34
В природе обычно система находится в состоянии гомеокинеза,
поскольку даже относительное постоянство основных параметров
любой сложной системы – большая редкость.
Гомеокинез выпускающей кафедры вуза определяется
определённым уровнем приёма студентов, уровнем успеваемости,
демонстрируемым студентами при тестировании, научными
достижениями сотрудников и т.д.
Под целостностью понимают внутренне единство и
принципиальную не сводимость свойств системы к сумме свойств,
составляющих её элементов. В качестве признаков, которые
характеризуют целостность систем, используют: единство цели,
функциональное назначение, определение функции, наличие
окружающей среды (мира вне системы), с которой система
взаимодействует как целое.
Целостность относится к важнейшим свойствам системы.
Целостность определяет систему как некоторое качество. Например,
стол – это предмет, имеющий ножки и столешницу, которая
поднята относительно уровня земли на некоторую высоту,
достаточную для человека. Если изъять столешницу или ножки, то
целостность стола нарушится, и он перестанет быть качеством
«стол», а станет новым качеством «разобранный стол».
Целостность связана с гомеостазом (гомеокинезом). Нарушение
гомеостаза может привести к нарушению целостности системы, хотя
может и не привести (рис. 17). Потеря целостности всегда приводит к
нарушению гомеостаза (гомеокинеза) системы.
Нарушение
целостности
Безусловное
следствие
Нарушение
гомеостаза
Возможное
следствие
Рис.17. Связь между целостностью и гомеостазом
35
Целостность кафедры определяется её физическим наличием в
структуре вуза. Если количество преподавателей снизится до
критического уровня, то кафедра будет расформирована, что
означает уничтожение её целостности. Если кафедра разрастётся
до такого уровня, что её решат разделить, то целостность тоже
будет нарушена, но не уничтожена полностью, поскольку вновь
созданная система «институт» будет обладать многими
свойствами предшествующей системы «кафедра».
2.2. Жизненный цикл сложных систем
Как было сказано выше, всякая система имеет жизненный цикл,
в котором последовательно сменяются состояния развития,
стабильного функционирования и деградации.
Развитие – необратимая закономерная деятельность системы,
приводящая к изменению её целей и структуры в сторону
усложнения. При развитии системы качественно изменяется её
инфраструктура.
Развитие связано с накоплением информации и усложнением
организации системы. В развивающихся системах количественные
изменения характеристик системы приводят к качественным
изменением. Развивающиеся системы могут самопроизвольно
изменять своё состояние под действием внешней среды. В
развивающихся системах устойчивость системы зависит от изменения
связей между элементами или подсистемами системы.
Развиваясь, система способна перейти в новое состояние,
характеризующееся новой структурой и новым гомеостазом
(гомеокинезом).
Этапы жизненного цикла позволяют охарактеризовать основные
этапы системы (табл.2).
Саморазвитие
–
свойство
развивающихся
систем
самопроизвольно менять своё состояние под воздействием внешней
среды.
36
Устойчивость – способность системы сохранять свой
гомеостаз (гомеокинез) под действием внешней среды.
Внешняя среда – множество элементов, находящихся вне
системы и оказывающее существенное, но нецеленаправленное
воздействие на элементы самой системы или сильно зависящих от
них. Например, для системы «автомобиль» внешняя среда –
окружающие его машины, дорога, пешеходы и атмосферные явления,
которые влияют на восприятие дороги водителем. Для системы
кафедра – внешняя среда: факультет, вуз, студенческие
объединения, предприятия – базы практик.
Таблица 3
Характеристика этапов жизненного цикла системы
Название этапа
Возникновение
Развитие
Стабильное
функционирование
Деградация
Гибель
Характеристика
Начало функционирования системы как целостного
объекта
Усложнение структуры, появление новых функций,
рост устойчивости
Равновесие между процессами развития и деградации,
при котором сохраняется гомеостаз по основным
параметрам системы
Снижение устойчивости, разрушение компонентов и
частичная потеря целостности системы
Окончание функционирования системы как целостного
объекта
На некотором этапе под действием факторов внешней среды
любая система может перестать соответствовать условиям
сохранения
своего
гомеостаза
(гомеокинеза).
Механизмы,
приводящие к этому, описаны ниже. Такое состояние системы, при
котором она теряет со временем свои свойства и функции из-за
постепенного нарушения целостности (разрушения структуры)
называется деградацией.
37
Деградация не обязательно ведёт к полной потере целостности
системы. На некотором этапе она может быть остановлена и сменена
стабильным функционированием или даже развитием (рис.18). Для
этого необходимо целенаправленное воздействие на систему по
устранению факторов, нарушающих целостность системы (например,
техническое обслуживание автомобиля, лечение или переобучение
человека и т.д.).
Причиной прекращения развития и начала деградации в
сложных системах является рост энтропии, который происходит
независимо от них и связан как с воздействием внешней среды, так и
с внутренними противоречиями. Вмешательство в функционирование
системы может, как снизить, так и увеличить энтропию системы.
Эффективность
системы
Жизненная
Жизненнаякривая
системы
до
кривая системы
воздействия
на
до воздействия
систему
на систему
Точка частичного
устранения факторов,
нарушающих
целостность системы
Жизненная кривая
системы после
воздействия на систему
Эффективность
системы
Время
Рис.18. Жизненный цикл системы под управлением человека
2.3. Возрастание и убывание энтропии и негэнтропии
Если в простых системах обмен информацией между уровнями
снизу вверх и сверху вниз одинаков, то в сложной системе требуется
рассматривать диалектическую пару: энтропия и информация.
Причём сумма энтропии и информации в стабильной системе
постоянна.
Согласно [28] сумма энтропии и информации в стабильном
состоянии системы является постоянной величиной, изменяющейся
только при изменении её структуры. Учитывая, что структура
системы характеристика консервативная, верно выражение:
38
I + S = const,
(2.3)
где I – мера информации; S – мера энтропии.
Это отношение постоянно и для подсистем.
При декомпозиции сложной системы на подсистемы или
элементы с использованием графоаналитических методов системного
анализа возникает синергетический эффект, заключающийся в том,
что сумма информации о каждой подсистеме и энтропии в каждой
подсистеме оказывается большей, чем сумма информации и энтропии
самой системы, т.е.:
 (I
i
 Si )  const ,
(2.4)
i
Проведённый системный анализ приводит к увеличению знания
об объекте исследования. Если представить систему в виде
функциональной модели, то размер формализованной части в ней
определяется количеством связей. Количество связей при
декомпозиции системной модели увеличивается в геометрической
прогрессии. Для оценки изменения количества связей применима
логарифмическая функция. Оценим отношение формализованной
части
к
неформализованной
с
помощью
коэффициента
организованности (R), определяемого как отношение негэнтропии к
максимальной энтропии.
Показатель структурной организованности [18]:
R
Э
ln( S неопр )
НЭ
 1  реал  1 
,
Эм акс
Эм акс
ln( S м акс )
(2.5)
где R – коэффициент организованности системы; Эмакс –
максимально возможная энтропия системы; Эреал – реальная
(фактическая) энтропия системы; Sмакс – максимально возможное
количество связей; Sнеопр – число неопределённых состояний; НЭ –
негэнтропия системы.
Оценка максимального числа связей в системе:
S м акс  n 2  nm  n ,
(2.6)
39
где n – число функций; m – число входов и выходов.
Оценка числа неопределённых связей:
S неопр  S м акс  Sопред ,
(2.7)
где Sопред – число определённых состояний в функциональной модели.
Исследования [18] показали, что показатель структурной
организованности уменьшается с увеличением уровней системной
модели в несколько раз.
Рассмотрим
применение
показателя
структурной
организованности в качестве критерия для управления структурой
бизнес-процесса при изменении количества связей. Над системой
можно осуществить управление с помощью добавления кванта ∆НЭ
(информации) с целью компенсации случайных энтропийных
факторов:
RСМК 
НЭнач   НЭ   Э
Э м акс
,
(2.8)
где НЭнач – начальная негэнтропия в системе менеджмента
качества (СМК); ∑∆НЭ – сумма негэнтропии, вводимой в систему за
период времени t; ∑∆Э – сумма энтропии за период времени t.
Снижение энтропии ведёт к увеличению организованности,
упорядоченности, но может лишить необходимых степеней свободы.
С другой стороны, рост энтропии может обернуться хаосом и потерей
управляемости в системе. Таким образом, нужно находить
равновесное состояние между уровнем энтропии и негэнтропии.
Эффективное управление бизнес-процессом достигается при
нахождении показателя структурной организованности в пределах
неравенства 2.9:
RСМК
мин
 RСМК  RСМК
макс
,
(2.9)
где RСМКмин, RСМКмакс – границы эффективного управления.
Значение показателя R как критерия определяет компромисс
между
формализованной
частью
бизнес-процесса
и
его
40
неформализованной частью, определяющей степень свободы при его
выполнении, т.е. между энтропией и информацией.
Для выпускающей кафедры вуза организованность будет
определяться по числу формализованных функций преподавателей.
Излишний рост организованности приведёт к снижению творческой
активности преподавателей и неизбежному падению качества
научных результатов преподавателей. Снижение организованности
может привести к падению исполнительской дисциплины,
нарушениям учебного процесса и отсутствию интереса к научным
исследованиям. Следовательно, необходим поиск равновесного
состояния организованности для управления выпускающей кафедрой
вуза (рис.19).
Низкая
организованность:
низкая дисциплина,
мало публикаций,
много замечаний от
администрации
вуза
Регламентирование
функций, создание
системы оценки
достижений
(рейтингов)
Обучение,
улучшение
документооборота и
системы их поиска
Эффективная
организованность
Высокая
организованность:
снижение
творческой
активности,
волокита
Рис.19. Пример обеспечения баланса между высокой и низкой
организованностью кафедры
Таким образом, в стабильном состоянии, при постоянстве
структуры и сохранении гомеостаза (гомеокинеза) система имеет
относительное равновесие между энтропией и информацией, в случае
нарушения структуры, система переходит в состояние энтропии.
Наличие стабильной фазы позволяет измерить энтропийные
характеристики системы (организованность), а значит управлять ими.
Основной приём для управления организованностью состоит в
увеличении информации и формализации процессов в системе.
41
2.4. Синергетический подход и самоорганизация сложных
систем
Источником развития является одно из фундаментальных
свойств материи – самоорганизация. Например, элементарные
частицы образуют атомы, атомы – молекулы, молекулы –
супермолекулярные
структуры
[29],
которые
являются
прародителями биологических структур (клеток) и т.д. Свойство
самоорганизации особенно присуще сложным организационным и
социальным системам.
Самоорганизация – процесс упорядочения (пространственного,
временного или пространственно-временного) в открытой системе, за
счёт согласованного взаимодействия множества элементов её
составляющих [9].
Основными особенностями самоорганизующихся систем с
активными элементами являются способность противостоять
энтропийным тенденциям и способность адаптироваться к
изменяющимся условиям, преобразуя при необходимости свою
структуру и т.п. В основе этих внешне проявляющихся способностей
лежит более глубокая закономерность, базирующаяся на сочетании в
любой реальной развивающейся системе двух противоречивых
тенденций: с одной стороны, для всех явлений, в том числе и для
развивающихся, открытых систем справедлив второй закон
термодинамики («второе начало»), т.е. стремление к возрастанию
энтропии; а с другой стороны, наблюдаются негэнтропийные
(противоположные энтропийным) тенденции, лежащие в основе
эволюции.
Важные
результаты
в
понимании
закономерности
самоорганизации получены в исследованиях, которые относят к
развивающейся науке, называемой синергетикой.
Синергетика – междисциплинарное направление научных
исследований, задачей которого является изучение природных
явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем
(состоящих из подсистем) [9].
42
Её цель состоит в построении общей теории сложных систем,
обладающих особыми свойствами.
Сложные системы имеют следующие основные характеристики:
 множество неоднородных компонентов;
 активность (целенаправленность) компонентов;
 множество
различных,
параллельно
проявляющихся
взаимосвязей между компонентами;
 плохо формализуемая природа взаимосвязей;
 кооперативное поведение компонентов;
 открытость;
 распределенность;
 динамичность, обучаемость, эволюционный потенциал;
 неопределенность параметров среды.
Особое место в синергетике занимают вопросы спонтанного
образования упорядоченных структур различной природы в
процессах взаимодействия, когда исходные системы находятся в
неустойчивых состояниях. Корни синергетики уходят в диалектику,
основываясь на трёх её законах. Согласно синергетическим моделям,
эволюция системы сводится к последовательности неравновесных
фазовых
переходов.
Развитие
можно
представить
как
последовательное прохождение критических областей (точек
бифуркаций). Вблизи точек бифуркации наблюдается резкое
усиление флуктуации (от лат. fluctuatio – колебание, отклонение).
Точка бифуркации – точка, в которой происходит разветвление
траекторий развития системы [15].
Выбор, по которому пойдет развитие после бифуркации,
определяется в момент неустойчивости. Поэтому зона бифуркации
характеризуется принципиальной непредсказуемостью – неизвестно,
станет ли дальнейшее развитие системы хаотическим или родится
новая, более упорядоченная структура. Здесь резко возрастает роль
неопределенности: случайность на входе в неравновесной ситуации
может дать на выходе катастрофические последствия. В то же время,
43
сама возможность спонтанного возникновения порядка из хаоса –
важнейший момент процесса самоорганизации в сложной системе.
Положительная
оценка
Изучение учебной
программы по
специальности
(направлению)
Государственный
экзамен
Переход к оформлению
выпускной
квалификационной
работы
Неудовлетворительная
оценка
Точка бифуркации –
решение о
возможности защиты
в текущем году
Отчисление с курса,
возможность защиты
выпускной
квалификационной
работы только в
следующем году
Рис.20. Пример точки бифуркации
Главные принципы синергетического подхода в современной
науке таковы.
1) Принцип дополнительности Н. Бора
В сложных системах возникает необходимость сочетания
различных,
ранее
казавшихся
несовместимыми,
а
ныне
взаимодополняющих друг друга моделей и методов описания.
2) Принцип спонтанного возникновения И. Пригожина
В сложных системах возможны особые критические состояния,
когда малейшие флуктуации могут внезапно привести к появлению
новых структур, полностью отличающихся от обычных (например,
упомянутые выше супермолекулярные структуры или взрывы
различного происхождения).
3) Принцип несовместимости Л. Заде
При росте сложности системы уменьшается возможность ее
точного описания вплоть до некоторого порога, за которым точность
и релевантность (смысловая связанность) информации становятся
несовместимыми, взаимно исключающими характеристиками.
4) Принцип управления неопределенностями
44
В сложных системах требуется переход от борьбы с
неопределенностями к управлению неопределенностями. Различные
виды неопределенности должны преднамеренно вводиться в модель
исследуемой системы, поскольку они служат фактором,
благоприятствующим инновациям.
5) Принцип незнания
Знания о сложных системах принципиально являются
неполными, неточными и противоречивыми: они обычно
формируются не на основе логически строгих понятий и суждений, а
исходя из индивидуальных мнений и коллективных идей. Поэтому в
подобных системах важную роль играет моделирование частичного
знания и незнания.
6) Принцип соответствия
Язык описания сложной системы должен соответствовать
характеру располагаемой о ней информации (уровню знаний или
неопределенности). Точные логико-математические, синтаксические
модели не являются универсальным языком, также важны нестрогие,
приближенные, семиотические модели и неформальные методы.
Один и тот же объект может описываться семейством языков
различной жесткости.
7) Принцип разнообразия путей развития
Развитие сложной системы многовариантно и альтернативно,
существует «спектр» путей ее эволюции. Переломный критический
момент неопределенности будущего развития сложной системы
связан с наличием зон бифуркации – «разветвления» возможных
путей эволюции системы.
8) Принцип единства и взаимопереходов порядка и хаоса
Эволюция сложной системы проходит через неустойчивость;
хаос не только разрушителен, но и конструктивен. Организационное
развитие сложных систем предполагает своего рода конъюнкцию
порядка и хаоса.
9) Принцип колебательной (пульсирующей) эволюции
45
Процесс эволюции сложной системы носит не поступательный,
а циклический или волновой характер: он сочетает в себе
дивергентные (рост разнообразия) и конвергентные (свертывание
разнообразия) тенденции, фазы зарождения порядка и поддержания
порядка. Открытые сложные системы пульсируют: дифференциация
сменяется интеграцией, разбегание – сближением, ослабление связей
– их усилением и т.п.
При этом система должна быть открытой, поскольку закрытая
система в соответствии с законами термодинамики должна в
конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и
прекратить любые эволюции. Открытая система должна быть
достаточно далека от точки термодинамического равновесия,
поскольку в этой точке система обладает максимальной энтропией и
не способна к какой-либо самоорганизации, а в положении, близком к
равновесию и без достаточного притока энергии извне, любая
система со временем ещё более приблизится к равновесию и
перестанет изменять своё состояние.
Фундаментальным
принципом
самоорганизации
служит
возникновение нового порядка и усложнение систем через
флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и
подсистем. Такие флуктуации обычно подавляются во всех
динамически стабильных и адаптивных системах. Но в более
сложных открытых системах, благодаря притоку энергии извне и
усилению неравновесности, отклонения со временем могут приводить
к изменению состояния. Поскольку флуктуации носят случайный
характер, то состояние системы после бифуркации обусловлено
действием суммы случайных факторов.
Самоорганизация, в результате которой происходит образование
через этап хаоса нового порядка или новых структур, может
осуществиться только в сложных системах, обладающих
определённым количеством взаимодействующих между собой
элементов, имеющих достаточно высокие вероятности флуктуаций.
46
Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной
адаптации ни к развитию и при получении извне чрезмерного
количества энергии теряют свою структуру и необратимо
разрушаются.
Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания
положительных обратных связей, действующих в открытой системе,
над отрицательными обратными связями. Функционирование
динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных
систем (например, гомеостаз в живых организмах или
автоматические устройства) основывается на получении обратных
сигналов от рецепторов или датчиков относительно положения
системы и последующей корректировки этого положения к
исходному
состоянию
исполнительными
механизмами.
В
эволюционирующей системе такие изменения не подавляются, а
накапливаются и усиливаются, что может привести к возникновению
нового порядка и новых структур, образованных из элементов
прежней, разрушенной системы. Например, механизмы образования
новых социальных формаций или возникновения биологических видов.
Некоторые скачкообразные изменения могут быть настолько
серьёзными, что могут приводить к полной перестройке системы, но
прежде чем изучать эти явления рассмотрим принципы
функционирования сложных систем.
2.5. Функционирование сложных систем
2.5.1. Принципы функционирования систем
При стабильном функционировании системы не происходит
качественного изменения инфраструктуры системы. Меняются
(преобразуются) только поступающие на вход системы потоки:
информационные, материальные, финансовые и кадровые. Система
находится в стабильном состоянии, базовые параметры системы
колеблются возле своих средних значений (гомеокинез). Такое
47
состояние является наиболее продолжительным и целевым при
создании искусственных систем.
Функционирование – это деятельность системы без смены
цели и структуры. Например, функционирование телевизора
означает регулярную передачу изображения, полученного по линиям
связи на экран с заданным уровнем качества.
Основные принципы функционирования систем:
1) Принцип совместимости функций означает, что все
элементы должны обладать общностью главных функций, которая
обеспечивает возможность взаимодействия элементов в системе.
Система обладает свойством целостности, если функции её элементов
соответствуют условиям сохранения и развития (рис.21).
ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СИСТЕМА
Механизм согласования функций (менеджмент)
Информация
Управление
Подсистемы и элементы (подразделения, процессы)
Рис.21. Механизм компенсации внешних воздействий
Реализация принципа подразумевает наличие механизма
согласования функций элементов и подсистем с функциями всей
системы. Разрушение или сбои в работе механизма согласования
функций в системе может привести к её деградации и даже
разрушению. В организационных системах роль такого механизма
играет подсистема менеджмента, одной из задач которой является
ориентация других подсистем на выполнение значимых для
организации функций. Подсистема менеджмента опирается на
подсистемы
финансового,
кадрового,
производственного
менеджмента и др.
48
Применительно к кафедре принцип означает, что функции
преподавателей, заведующего кафедрой и его заместителей должны
быть совместны, направлены на достижение общих целей и
непротиворечивы.
2) Принцип сосредоточения функций. Существует иерархия
функций, при которой функции элементов подчинены функциям
системы. Согласно данному принципу, функции элементов более
низкого уровня подчинены функции элементов более высокого
уровня. На практике это означает, что функция более низкого уровня
является декомпозицией функции более высокого.
Например, функция «составить технологию» инженератехнолога является элементом декомпозиции функции «подготовить
производство» заместителя директора завода. Функция «заполнить
ведомость зачёта» преподавателя, является элементом функции
«анализировать состояние учебного процесса» заведующего
кафедрой.
Реализуется принцип в сложных системах за счёт механизма
согласования функций. Однако если для принципа совместимости
функций механизм согласования используется в ходе самой
деятельности, то для данного принципа механизм используется при
подготовке к работе.
Принцип изменчивости функций. Повышение устойчивости и
сохранности системы идет путем усложнения её структуры. Системы,
обладающие большим количеством элементов и взаимосвязей,
обладают большим разнообразием функций за счёт многообразия
комбинаций вариантов решения. Следовательно, такие системы
обладают большими возможностями для сохранения, устойчивости и
развития систем. Для усиления устойчивости систем важно не только
усложнение структуры, но и дублирование функций элементами,
имеющими различную структуру.
Усложнение структуры обычно обеспечивает синергетический
эффект, усиливая механизмы адаптации и саморегулирования систем,
49
поэтому наиболее приспособленными и эффективными являются
именно сложные системы (например, человек, вуз, государство,
планета) (рис.22). Такой эффект достигается за счёт увеличения
количества
вариантов
деятельности
при
возникновении
непредвиденных воздействий внешней среды. Но при этом
увеличивается и число угроз, поскольку усложняются внутренние
механизмы регуляции в системе.
Сложность
структуры
системы
Время
Точка наивысшей эффективности
внутренних механизмов регулирования
Рис.22. Стратегия усложнения структуры системы
Отметим, что принцип не предполагает, что сложность
структуры является безусловным благом для системы. Он утверждает,
что усложнение структуры повышает устойчивость системы, но
только до тех пор, пока не снижается эффективность внутренних
механизмов регулирования (например, подсистема менеджмента
имеет смысл только в достаточно крупной организационной
системе, а для фирмы со штатом работников в 7 человек все её
функции может выполнять её хозяин и руководитель).
Для кафедры принцип изменчивости функций на практике
будет означать формирование новых организационных элементов по
мере увеличения числа обучаемых студентов, например, таких как
ответственный за работу с абитуриентами или ответственный за
представительскую
деятельность
кафедры
и
связи
с
общественностью.
50
3) Принцип нейтрализации дисфункции. Для обеспечения
сохранения или развития системы в ней должны предусматриваться
механизмы нейтрализации дисфункции.
Дисфункция – это неправильное функционирование отдельного
компонента системы, которое ухудшает её параметры, снижает её
устойчивость и эффективность. Например, искривление диска колеса
автомобиля приводит к перераспределению его веса, что на больших
скоростях приводит к вибрациям, способным нарушить
целостность конструкции.
Обычно для цели нейтрализации дисфункции служит
отрицательная обратная связь (рис.23), значение которой шире, чем у
механизма согласования функций. Отрицательная обратная связь не
только согласовывает функции, но и компенсирует влияние внешней
среды, реализуя функцию отражения и адаптации. Графически
механизм обратной связи можно выразить следующим образом:
Параметры
системы
Точка
гомеостаза
параметров
системы
Компенсационные
воздействия
отрицательной
обратной связи
Время
Рис.23. Механизм действия отрицательной обратной связи
Математически это выглядит следующим образом:
 (P  U ) = const,
i
i
(2.10)
i
51
где Pi – изменение основных параметров, определяющих
гомеостаз системы; Ui – коэффициент коррекции, уравновешивающий
изменения основных параметров системы.
На кафедре для нейтрализации дисфункции применяется как
традиционные методы материального и нематериального
стимулирования, так и специфические методы, построенные на
авторитете заведующего кафедрой и ведущих преподавателей
кафедры.
Таким образом, для стабильно функционирующих сложных
систем характерно наличие механизма согласования функций,
тенденции к постепенному усложнению и отрицательной обратной
связи, обеспечивающей относительное постоянство структуры.
2.5.2. Способы переходов систем в новые состояния. Под
действием внешних факторов сложная система стремится измениться
так, чтобы свести к минимуму эффект от их воздействия (рис.24). При
этом если общие показатели системы под воздействием среды
остаются
неизменными,
т.е.
функционирование
системы
продолжается в стабильном состоянии, то можно говорить о
гомеокинезе системы.
СИСТЕМА
Воздействия
среды
Механизм компенсации
Отрицательная
обратная связь
Результаты
работы системы
Информация
о состоянии
Основные параметры
Рис.24. Механизм компенсации внешних воздействий
Механизмом адаптации системы к внешней среде является
отрицательная обратная связь, позволяющая противодействовать
воздействию внешней среды за счёт его уменьшения.
52
Обратная связь – это передача влияния с выхода системы на её
вход. Благодаря наличию обратной связи, сложные системы в
принципе могут выходить за пределы действий, которые
предусмотрены и определены их разработчиками. Обратная связь
порождает для системы способность накоплять опыт, определять свое
будущее обращение в зависимости от обращения к минувшему, то
есть самообучаться.
Примером
могет
служить
вестибулярный
аппарат,
обнаруживающий отклонение тела от вертикали и обеспечивающий
поддержание равновесия.
Существуют и положительная обратная связь, вызывающая
увеличение изменения в системе по принципу цепной реакций.
Однако такая связь встречаются крайне редко – цепное увеличение
изменений (принцип «домино») превратило бы мир в хаос.
Сложные системы меняют свое состояние скачком. Причиной
такого поведения систем является то, что механизм адаптации какоето время компенсирует внешнее воздействие среды, но рано или
поздно наступает момент, когда механизм адаптации не в состоянии
компенсировать
происходящее
воздействие
и
происходит
существенное изменение системы, переход её в новое состояние,
характеризующееся появлением новых связей между элементами.
Таблица 4
Формы изменений системы
Влияние на
Кризис
систему
Влияние на Происходит
структуру
настройка
структуры системы
Влияние на
элементы
Часть элементов
может быть
потеряна, но могут
появиться новые
элементы
Катастрофа
Частичное разрушение
структуры
Часть элементов может
быть безвозвратно
утеряна
Катаклизм
Понятие
структуры
теряет для
системы смысл
Значительная
часть элементов
разрушается
53
Влияние на
основные
свойства
Влечёт изменение
основных свойств,
что может
способствовать
развитию или вести
к катастрофе
Во время катастрофы
степень адаптации
системы снижается.
Решается вопрос о
сохранении гомеостаза
системы
Интегративное
свойство
системы
полностью
теряется
Под состоянием системы подразумевается такой режим
функционирования системы, при котором её общие показатели
находятся в гомеокинезе и структура остается неизменной.
Смена состояния системы сопровождается не только
изменениями её общих показателей, но и структурными
перестройками (табл.3). Изменения системы могут различаться. В
зависимости от глубины изменений различают кризис, катастрофу и
катаклизм систем (коллапс) [34].
Кризис означает смену состояния системы, но обычно не ведет к
её разрушению, а способствует её настройке. Кризис, как правило,
является механизмом обновления позволяющим, скорректировать
структуру системы, сделав её более адекватной по отношению к
изменившимся условиям внешней среды. Кризис наступает и в
результате развития, когда происходит переход количественных
изменений структуры системы в качественные. При кризисе могут
быть потеряны некоторые элементы системы. Кризис может перейти
в катастрофу системы.
Катастрофа
характеризуется
резкими
изменениями,
разрушаются отдельные элементы и связи, на их месте могут
возникнуть новые связи, происходит перерождение системы. Система
меняется, меняется её морфология, значительно изменяются общие
показатели. Система, скорее всего, становится менее адаптированной,
но сохраняет основу своей структуры, целостность и своё положение
в системе более высокого порядка.
Наиболее радикальное изменение называется катаклизмом.
При катаклизме общие показатели теряют смысл, целостность
нарушается, большая часть элементов исчезает, система более не
54
является компонентом система более высокого порядка. Катаклизм
можно считать синонимом уничтожения системы.
Применительно к кафедре кризисом будет изменение
организационной структуры, например, назначение нового
заведующего. Катастрофой – упразднение одной из лабораторий
кафедры, а катаклизмом – расформирование её.
Таким образом, система функционирует, стабильно находясь в
одном состоянии за счет механизмов адаптации, затем происходит
сбой адаптации, начинается кризис системы, если система имеет
необходимый потенциал, то кризис тоже служит механизмом
адаптации системы путем перевода её в новое состояние. Если
изменения слишком сильны, то происходит катастрофа или даже
катаклизм.
Итак, система функционирует, дискретно меняя состояния во
время кризиса, если правильно настроить систему при кризисе, то она
может стать более эффективной.
55
2.5.3. Функционирование системы планирования учебных
ресурсов. Система планирования учебных ресурсов, как и любая
другая сложная организационная система, существует только в
процессе функционирования. Источником функционирования
является объективная потребность в распределении по определённым
правилам учебных дисциплин конкретным преподавателям,
выделении учебных лабораторий под проведение лабораторных работ
по этим дисциплинам, определении ответственных за разработку и
совершенствование учебно-методических материалов (рис. 25).
Учебный процесс
Система планирования
учебных ресурсов
Основные характеристики:
– гомеостаз;
– организованность;
– ограничения;
– обратная связь
Выводы по
анализу
Рис.25. Схема анализа характеристик системы
Ограничениями при функционировании системы выступают
требования Государственных образовательных стандартов, устава
вуза и других нормативных документов, количество и оснащённость
рабочих мест в учебных лабораториях, уровень компетентности и
имеющиеся компетенции преподавателей, наличие и состояние
мультимедийных, телекоммуникационных и других устройств,
обеспечивающих поддержку учебного процесса и т.д.
Развитие системы происходит за счёт изменения ограничений.
Обычно требования нормативных документов ужесточаются, но их
удаётся выполнять за счёт роста компетентности преподавателей и
использования новых технологий поддержки учебного процесса.
Жизненный цикл системы планирования ресурсов совпадает с
жизненным циклом надсистемы (учебный процесс вуза), поскольку
пока существует учебный процесс, его необходимо планировать.
56
Гомеостаз
системы
планирования
учебных
ресурсов
обеспечивается при наличии достаточно подробной методики
планирования, достаточного уровня ресурсов и относительно
постоянной цели. Показателями, характеризующими её гомеостаз
можно считать, например, процент сорванных занятий по причине
ошибок в расписании или недостаточного количества аудиторий.
Регулятором системы планирования учебных ресурсов
выступает учебное управление вуза, которое проводит мониторинг
учебного процесса. Событие «учебное занятие» характеризует
качество планирования. Если учебное занятие проведено в срок, без
накладок и жалоб, то планирование признаётся удовлетворительным,
если имеются отклонения от нормы – неудовлетворительным.
Баланс между энтропией и организованностью в системе
планирования учебных ресурсов смещён в сторону организованности,
поскольку данная система решает сложную эффективную задачу,
решение которой должно быть достаточно точным и строгим.
Излишние степени свободы могут помешать в решении этой задачи.
Кризисом этой системы станет любое изменение ограничений,
требующее адекватного ответа и уточнения структуры процесса.
Серьёзный сбой в системе планирования, приведший к массовым
срывам занятий, также может привести к кризису системы и
пересмотру алгоритмов её функционирования (рис.26).
57
Требования
нормативных
документов,
компетенции
преподавателей,
оснащённость
рабочих мест
Система планирования учебных
ресурсов
Планирование учебной нагрузки
Планирование разработки
учебно-методических пособий
Планирование аудиторного
фонда
Уточнение
требований
Планы и
расписания
Анализ
качества
планирования
Учебное
управление
Регулирование
процесса
Формирование расписания
Рис.26. Схема работы системы планирования учебных ресурсов
Катастрофа
системы
возможна
только
в
случае
катастрофических изменений в надсистеме, способных привести к
снижению её сложности. Катаклизм системы планирования также
увязан с катаклизмом надсистемы, которым, например, может быть
полный отказ вуза от ведения учебного процесса. Следовательно,
система планирования учебных ресурсов, по сути, является
подсистемой системы «управление учебным процессом».
Таким образом, рассмотренная система требует высокой
организованности и является подсистемой системы управления
учебным процессом, влияющей на её гомеостаз.
2.6. Контрольные вопросы
1) Чем отличается гомеостаз от гомеокинеза?
2) Всегда ли нарушение гомеостаза ведёт к нарушению
целостности?
3) Каким образом связаны развитие и деградация систем?
4) В каком случае возникает критическая ситуация при
функционировании систем?
5) Как определяется эффективность управления?
58
6) Что такое энтропия и как она связана с организованностью
систем?
7) Как можно объяснить связь негэнтропии с информацией о
системе?
8) К чему должна стремиться система: к росту энтропии или
организованности?
9) Что такое синергетика?
10) Какие факторы обеспечивают самоорганизацию систем в
природе?
11) Приведите пример точки бифуркации?
12) Как называется свойство системы самопроизвольно менять
своё состояние под воздействием внешней среды?
13) Какое свойство материи является источником развития
систем?
14) Какие системы являются наиболее приспособленными к
изменениям окружающей среды?
15) Какие принципы функционирования систем Вы можете
назвать?
16) Как реализуется принцип сосредоточения функций?
17) Что такое дисфункция в системе и как с ней бороться?
18) Какие системы являются более приспособленными и
эффективными, сложные или простые?
19) Может ли кризис принести пользу системе?
20) Как связано развитие с кризисом?
21) При каких условиях наступает катастрофа системы?
22) Какой синоним Вы можете предложить для катаклизма
системы?
59
3. УПРАВЛЕНИЕ В СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ
3.1. Основы теории управления
Управление – воздействие субъекта (СУ), направленное на
достижение абстрактной, но корректируемой цели в сложившихся
рамках определённых правил, которые изменяются тогда, когда
субъект познаёт реальность, с которой сосуществует [9].
Теория управления – наука о принципах и методах управления
различными системами, процессами и объектами [9].
Основами теории управления являются кибернетика и теория
информации.
Суть теории управления: на основе системного анализа
составляется математическая модель объекта управления (ОУ), после
чего синтезируется алгоритм управления (АУ) для получения
желаемых характеристик протекания процесса или целей управления.
Данная область знаний хорошо развита и находит широкое
применение в современной технике. В социально-экономических
системах теория управления посвящена приемам и методам анализа,
прогноза и возможностям регулирования деятельности различных
общностей людей (мирового сообщества, региональных объединений,
наций, общественно-хозяйственных групп). Теория управления, как
любая наука, имеет свою методологию и методическое обеспечение.
Однако в области естествознания и техники теория управления имеет
гораздо больше успехов, чем в социально-экономической сфере, где,
очевидно, действует ограничение, вытекающее из принципа –
«система не может объяснить саму себя».
Методы управления, рассматриваемые теорией управления
техническими системами и другими объектами, базируются на
фундаментальных принципах: принцип разомкнутого управления,
принцип компенсации (обратной связи), принцип управления по
возмущению.
Управление можно разделить на два вида:
60
 стихийный:
воздействие
происходит
в
результате
взаимодействия субъектов (синергетическое управление);
 сознательный:
планомерное
воздействия
объекта
(иерархическое управление).
При иерархическом управлении цель функционирования
системы задается её надсистемой.
Современные методы управления:
 нелинейное управление;
 теория катастроф;
 адаптивное управление;
 оптимальное управление;
 управление на основе теории игр;
 интеллектуальное управление.
3.2. Принципы управления
3.2.1. Принцип
разомкнутого
управления.
Сущность
принципа состоит в том, что алгоритм управления строится только на
основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется
по фактическому значению управляемой величины. Схема
управления имеет вид разомкнутой цепи.
Возмущение от
внешней среды
Входные
данные
Система
управления
Управляющее
воздействие
Объект
управления
Выходные
данные
Рис.27. Схема разомкнутого управления
Близость х к х0 обеспечивается жесткостью характеристик
схемы. При наличии значительных возмущающих воздействий f
величина х может заметно отклониться от заданной, при этом
управление станет непригодным и следует использовать другие
принципы управления.
61
Такая схема получила
вычислительной технике.
распространение,
в
основном,
в
3.2.2. Принцип компенсации. Принцип управления по
отклонению является одним из наиболее ранних и широко
распространенных принципов управления. В соответствии с этим
принципом система управления наблюдает за объектом, на который
воздействуют возмущающие факторы. В результате, в поведении
объекта возникают отклонения. Система управления отслеживает
наблюдаемые параметры (переменные) и на основе наблюдений
создает алгоритм управления. Особенность этого принципа
заключается в том, что система управления начинает действовать на
объект только после того, как факт отклонения уже свершился под
действием обратной связи (см. п.2.5.2). Схема управления изображена
на рисунке:
Возмущение от
внешней среды
Входные
данные
Алгоритм
управления
Управляющее
воздействие от
системы управления
Объект
управления
Выходные
данные
Система
управления
Рис.28. Схема управления по обратной связи
При такой схеме полная компенсация влияния возмущающих
воздействий невозможна. Тем не менее, благодаря своей простоте
схема управления с обратной связью получила наибольшее
распространение на практике.
62
3.2.3. Принцип управления по возмущению. Принцип
управления по возмущению – принцип предварительной
компенсации. Поскольку отклонение регулируемой величины зависит
не только от возмущающего воздействия, но и от управления, то
принцип управления по возмущению основывается на том, что
система управления наблюдает за возмущающими факторами и,
учитывая их, строит алгоритм управления так, чтобы действие этих
факторов на систему компенсировалось. Такая схема управления
показана на рис.29.
Возмущение от
внешней среды
Входные
данные
Управляющее
воздействие от
системы управления
Алгоритм
управления
Объект
управления
Выходные
данные
Система
управления
Рис.29. Схема управления по возмущению
Схема применяется если влияние возмущающих воздействий
существенно, и их учет необходим для нахождения системы в
целевом состоянии. Но такой подход не всегда применим, поскольку
практически невозмождно учесть все возмущения и крайне сложно
выработать своевременные и достаточные управляющие воздействия
на основе неполных сведений о состоянии среды.
3.3. Современные методы управления
3.3.1. Нелинейное управление. Нелинейное управление – раздел
теории управления, изучающий нелинейные системы. Поведение
нелинейных систем не может быть описано линейными функциями
состояния или линейными дифференциальными уравнениями. Для
63
линейных систем существует мощный и удобный математический
аппарат, позволяющий проводить их анализ и синтез, однако все эти
методы неприменимы или ограниченно применимы для нелинейных
систем. Динамика нелинейных систем описывается нелинейными
дифференциальными или разностными уравнениями [9].
3.3.2. Теория катастроф. Теория катастроф – раздел теории
управления, изучающий бифуркации с исследованием критических
точек
(репетиций)
потенциальной
функции
на
основе
дифференциального счисления и разложения в ряды Тейлора.
Философскую основу теории катастроф составляет закон перехода
количественных изменений в качественные в переломные моменты
времени. При этом математически исследуются процессы,
происходящие в момент смены состояний системы (кризиса,
катастрофы или катаклизма – см. 2.5.2 и [34]).
3.3.3. Адаптивное управление. Адаптивное управление –
совокупность
методов
теории
управления,
позволяющих
синтезировать системы управления, которые имеют возможность
изменять параметры или структуру регулятора в зависимости от
изменения параметров объекта управления или внешних возмущений,
действующих на объект управления. Подобные системы управления
называются адаптивными. Адаптивное управление широко
используется во многих приложениях теории управления [9].
3.3.4. Оптимальное управление. Оптимальное управление –
это задача проектирования системы, обеспечивающей для заданного
объекта управления или процесса закон управления или
управляющую последовательность воздействий, обеспечивающих
максимум или минимум заданной совокупности критериев качества
системы [9].
Суть оптимального управления состоит в том, что формируется
модель (некоторая машина, прибор или процесс, снабжённые
64
управляющими механизмами). Манипулирование управляющими
механизмами определяет движение объекта. Анализ поведения
объекта при том или ином способе управления, позволяет определить
закон
движения,
описывающий
динамические
свойства
рассматриваемого объекта и устанавливающий для каждого
избираемого правила манипулирования эволюцию состояния объекта.
Возможности управления объектом лимитируются не только
ресурсами управления, но и тем, что в процессе движения объект не
должен попадать в состояния, физически недоступные или
недопустимые с точки зрения конкретных условий его эксплуатации.
Для решения задачи оптимального управления строится
математическая модель объекта управления, описывающая его
поведение с течением времени под влиянием управляющих
воздействий и собственного текущего состояния.
3.3.5. Управление на основе теории игр. Теория игр –
математический метод теории управления, изучающий оптимальные
стратегии при помощи моделирования игр. Под игрой понимается
процесс, в котором участвуют две и более сторон, ведущих борьбу за
реализацию своих интересов. Каждая из сторон имеет свою цель и
использует некоторую стратегию, которая может вести к выигрышу
или проигрышу — в зависимости от поведения других игроков.
Теория игр помогает выбрать лучшие стратегии с учётом
представлений о других участниках, их ресурсах и их возможных
поступках [9].
3.3.6. Интеллектуальное
управление.
Интеллектуальное
управление – методы управления, которые используют различные
подходы искусственного интеллекта, такие как искусственные
нейронные сети, нечеткая логика, машинное обучение, эволюционные
вычисления, генетические алгоритмы и другие методы [9].
65
3.4. Системы управления
Ресурсы, доступные любой системе (энергия, информация,
финансы) ограничены. Тем не менее, для функционирования система
должна использовать какие-либо ресурсы. В результате объём
необходимых для системы ресурсов либо постоянен, либо возрастает,
а объём доступных – обычно сокращается. Возникает проблемная
ситуация. Кроме того, использование одних и тех же ресурсов
различными
системами
различно.
Например,
современный
автомобиль затрачивает 7 литров бензина для поездки на 100
километров, а устаревший – 15 литров. Чем меньше ресурсов
затрачивает система, тем она эффективнее. Следовательно,
эффективность – соотношение полученного полезного результата к
затраченным
ресурсам.
Для
эффективного
распределения
принципиально ограниченных ресурсов необходимо управление [15].
Система управления – систематизированный набор средств
влияния на подконтрольный объект для достижения определённых
целей данным объектом. Объектом системы управления могут быть
как технические объекты, так и люди. Объект системы управления
может состоять из других объектов, которые могут иметь постоянную
структуру взаимосвязей [9].
Системы управления с участием людей как объектов управления
зачастую называют системами менеджмента.
Объектом управления может быть любая динамическая система
или её модель. Состояние объекта характеризуется некоторыми
количественными величинами, изменяющимися во времени, то есть
переменными состояния. В естественных процессах в роли таких
переменных может выступать температура, плотность определенного
вещества в организме, курс ценных бумаг и т.д. Для технических
объектов это механические перемещения (угловые или линейные) и
их скорость, электрические переменные, температуры и т.д. Анализ и
синтез систем управления проводится методами специального
раздела математики – теории управления.
66
Управление можно разделить на два вида:
 стихийное:
воздействие
происходит
в
результате
взаимодействия субъектов (синергетическое управление);
 сознательное:
планомерное
воздействия
объекта
(иерархическое управление).
При иерархическом управлении цель функционирования
системы задается её надсистемой.
Системы управления разделяют на два больших класса:
 автоматизированные системы управления (АСУ) – системы
управления с участием человека в цикле управления;
 системы автоматического управления (САУ) – системы
управления без участия человека в цикле управления.
В
зависимости
от
описания
переменных,
системы
автоматического управления делятся на линейные и нелинейные. К
линейным относятся системы, состоящие из элементов описания,
которые
задаются
линейными
алгебраическими
или
дифференциальными уравнениями.
В зависимости от природы управляемых объектов можно
выделить биологический, экологический, экономические и
технические системы управления. В качестве примеров технического
управления можно привести:
 системы дискретного действия или автоматы (торговые,
игровые, музыкальные);
 системы стабилизации уровня звука, изображения или
магнитной записи или управляемые комплексы летательных
аппаратов, включающие в свой состав системы автоматического
управления двигателя, рулевыми механизмами, автопилоты и
навигационные системы и т.д.
Автоматизированная система управления – совокупность
математических методов, технических средств и организационных
комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным
объектом или процессом в соответствии с заданной целью.
67
В составе автоматизированных систем управления выделяют:
 основную часть, в которую входят информационное,
техническое и математическое обеспечение;
 функциональную часть, к которой относятся взаимосвязанные
программы, автоматизирующие конкретные функции управления.
Система управления общественным производством, составная
часть управления народным хозяйством, представляет собой
совокупность подсистем, отражающих отдельные стороны
управления: цели, функции, принципы, методы, органы, кадры,
технику и технологию. Предназначена для выработки и
осуществления управляющего воздействия на производство в
соответствии с объективными законами общественного развития.
Управление в системе – внутренняя функция системы,
осуществляемая в системе независимо от того, каким образом,
какими элементами системы она должна выполняться (см. рис.30).
Внешняя среда
Информация о
режиме и
способах
управления
Управляющая
система
Информация
о реакции на
управление
Управляющее
воздействие
Управляемая
система
Информация о
состоянии системы
Система управления
Рис.30. Схема управления системой
По способу управления системы делятся на:
68
 управляемые извне системы (без обратной связи,
регулируемые, управляемые структурно, информационно или
функционально);
 управляемые
изнутри
(самоуправляемые
или
саморегулируемые
– программноуправляемые, регулируемые
автоматически, адаптируемые – приспосабливаемые с помощью
управляемых изменений состояний и самоорганизующиеся –
изменяющие во времени и в пространстве свою структуру наиболее
оптимально, упорядочивающие свою структуру под воздействием
внутренних и внешних факторов);
 с комбинированным управлением (полуавтоматические,
автоматические, автоматизированные, организационные).
3.5. Управление в организационных системах
3.5.1. Организационные системы
Теория управления организационными системами – раздел
теории управления, изучающий механизмы функционирования
организационных систем. Теория организации изучает принципы,
законы и закономерности для создания, функционирования, развития
и ликвидации организаций [37].
Организация – это целевое объединение ресурсов. Организации,
созданные человеком (людьми), характеризуются наличием человека
как активного ресурса. Организация – это группа людей, работающих
совместно, во главе с руководителем и выполняющих определенные
планы [9].
Организация может рассматриваться как процесс либо как
явление. Как процесс организация – это совокупность действий,
ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей между
частями целого. Как явление организация – это объединение
элементов для реализации программы или цели и действующих на
основании определенных правил и процедур.
69
Организационные отношения – это взаимодействие или
противодействие между элементами организации внутри и вне ее при
создании, функционировании, развитии и разрушении организации.
Соответственно, они бывают трех уровней – здравого смысла,
взаимного уничтожения, заранее спроектированного взаимодействия.
Внешняя среда включает условия и организации, в т.ч.
политические,
экономические
и
экологические
условия;
конкурирующие организации, поставщиков и потребителей,
социальную инфраструктуру и т.д.
Общие черты организаций:
 наличие по крайней мере одного человека;
 наличие хотя бы одной цели, направленной на
удовлетворение потребностей или интереса человека или общества;
 получение прибавочного продукта в различных формах
(материальной, духовной, информационной).
Каждая организация должна обладать признаками системы.
Выпадание хотя бы одного из них неизбежно приводит организацию
к ликвидации.
3.5.2. Организационное управление и управление в технике
Организационное управление принято противопоставлять
управлению сложными техническими системами. Однако существуют
отличия организационного управления от управления техническими
объектами:
 способность
человека,
как
основного
элемента
организационной системы, к самостоятельному целеполаганию;
 способность человека самостоятельно выбирать действия,
отклоняясь от предписанного алгоритма поведения;
 способность человека разрешать интеллектуальные задачи,
которые обычно невозможно решить при помощи технических
систем;
70
 способность человека к рефлексии относительно собственной
деятельности и деятельности других субъектов, в том числе –
возможность прогнозирования их поведения.
Задачи управления людьми и коллективами решаются в рамках
различных научных школ управления организационным поведением.
В состав типичных задач входят: обеспечение необходимой
мотивации исполнителей, согласованная с ними выработка
управленческих решений, рациональное распределение ограниченных
ресурсов в условиях неопределенности и т.п.
Регламентация управленческой деятельности осуществляется с
помощью
механизмов
управления
–
процедур принятия
управленческих решений.
Система управления организации представляет собой
совокупность элементов, подсистем и коммуникаций между ними, а
также процессов, обеспечивающих заданное функционирование
организации. Она состоит из следующих компонент: методологии,
структуры, процесса и техники управления.
Методология управления включает в себя – цели, законы и
принципы, функции, методы, технологии управления и практику
управленческой деятельности.
Процесс управления представляет собой – систему
коммуникаций, разработку и реализацию управленческих решений,
информационное обеспечение.
Структура управления включает в себя – функциональную и
организационную структуру, схему организационных отношений,
конкретные схемы взаимодействия высших органов управления и
профессионализм персонала.
Техника
управления
включает
–
компьютерную
и
организационную технику, офисную мебель, сети связи, систему
документооборота.
71
Методология и процесс управления формируют управленческую
деятельность, а структура и техника управления – механизм
управления.
Основная задача системы управления – формирование
профессиональной управленческой деятельности, которая может
рассматриваться как процесс и как явление [16].
3.6. Контрольные вопросы
1) Что такое управление?
2) Какие основные виды управления Вы знаете?
3) В чём состоит принцип разомкнутого управления?
4) В чём состоит принцип компенсации?
5) Где применяется принцип управления по возмущения?
6) Чем адаптивное управление отличается от оптимального?
7) Каковы особенности интеллектуального управления?
8) Что такое система управления?
9) Чем автоматизированные системы управления отличаются
от систем автоматического управления?
10) Что такое организация?
11) Чем отличается управление в организационных и
технических системах?
72
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ
Моделирование является одним из важнейших элементов
системного анализа. Различные методы моделирования могут
использоваться как на этапе анализа системы, так и на этапе синтеза
знаний о ней. Более того, моделирование широко используется при
рационализации.
4.1. Основные понятия моделирования
Процесс моделирования возможен благодаря замечательным
системным закономерностям, связанным с морфологическим
сходством систем различной природы. Эти закономерности
раскрываются через ряд понятий, характеризующих различные
степени подобия систем:
1) Изоморфизм подразумевает одинаковость структуры систем.
При этом различный смысл системообразующих отношений и
различие элементов системы при их сопоставлении не учитываются.
Две системы изоморфны, если между ними установлено такое
взаимнооднозначное соответствие, что соответствующие друг другу
объекты обладают соответствующими свойствами и находятся
(внутри каждой системы) в соответствующих отношениях между
собой. Две ели в лесу изоморфны (рис.31).
Изоморфизм
Гомоморфизм
Две ели в лесу
Ель в лесу и на рисунке
Рис.31. Примеры изоморфизма и гомоморфизма
73
Две лабораторных работы по одной дисциплине, выполняемые
по общей методике разными преподавателями, можно считать
изоморфными.
Создание изоморфных моделей сложная и, часто, бесполезная
задача, поскольку упрощения, которое предполагается при
моделировании, использование таких моделей может и не дать.
Отметим,
что
морфологией
системы
называется
зафиксированная в пространстве, наблюдаемая, физически
реализуемая совокупность элементов структуры системы.
2) Гомоморфизм представляет собой такое соответствие между
двумя системами, которое не является взаимно однозначным. При
гомоморфизме аналогия между двумя системами меньше, чем при
изоморфизме, и одна из систем является как бы упрощенной копией
другой. Например, географическая карта является упрощенной
копией по отношению к местности, а лабораторная установка
является упрощённой копией производственного оборудования.
3) Симметрия обозначает неизменность структуры системы
относительно её преобразований. Симметрия подразумевает
одинаковость структуры, но не формы.
Например, сферическая симметрия тела означает, что вид
тела не изменится, если его вращать в пространстве на
произвольные углы (сохраняя одну точку на месте) [9].
Отсутствие
или
нарушение
симметрии
называется
асимметрией.
Понимание взаимосвязей между описанными понятиями,
характеризующими подобие систем, позволяет моделировать
объекты, явления и процессы окружающего мира.
Модель – образ или образец объекта, явления или процесса,
используемый с некоторой целью, при определённых условиях в
качестве его «заместителя». Модель может быть изоморфной,
гомоморфной или полиморфной по отношению к моделируемой
системе. Чаще всего используют гомоморфные модели (рис.32).
74
Например, моделью учебного процесса подготовки бакалавра в
определённом аспекте можно считать учебный план.
Моделирование – исследование объектов познания на их
моделях, а также построение и изучение моделей реально
существующих объектов, явлений, процессов и конструируемых
объектов (систем) для определения, уточнения их характеристик,
рационализации способов их построения и т.п.
Моделировать можно как целые объекты, или системы, так и их
аспекты, элементы или подсистемы.
Гомоморфное
преобразование
5500 мм
6500 мм
Модель системы - чертёж
Реальная система – дом
Рис.32. Пример модели
Для каждой модели существует область применимости
(предметная область) – набор объектов и свойств, которые адекватно
описываются моделью. Следовательно, применение каждой модели
ограничено и для исследования сложного объекта требуется
использование нескольких моделей (рис.33). Такой подход
называется принципом дополнительности Нильса Бора [15].
Система реального мира
Соответствие в
некотором аспекте
(подобие)
Множество моделей
Рис.33. Связь системы и её моделей
75
Более емкое и удобное в системном анализе определение:
Модель
системы
–
определённое
формализованное
представление, служащее для ответа на вопросы, заданные
относительно реальной системы.
4.2. Принципы моделирования
Рассмотрим принципы, которым должна удовлетворять
правильно построенная модель:
1) Принцип адекватности предусматривает соответствие
модели реальной системе и целям исследования по уровню
сложности и организации (рис.34). Качество и ценность модели
определяется тем, насколько правильно и адекватно модель
отображает исследуемую реальную систему.
Для выяснения внешнего
вида дерева достаточно
посмотреть на пейзаж с
деревом
Пейзаж с
деревом
Дерево
Рис.34. Пример выполнения принципа адекватности
Возвращаясь к примеру учебного плана, следует отметить, что
его адекватность означает учёт физической возможности для
проведения в нужном объёме планируемых лекционных и
лабораторных занятий.
2) Принцип предметности модели состоит в том, что модель
строится для решения только строго определенного вида задач или
отдельной задачи. Создание универсальной модели для решения
большого числа задач – сложная, часто не разрешимая задача,
поскольку универсальные модели либо не конкретны и годятся для
решения только описательных задач, либо слишком сложны.
76
Например, учебный план составляется только для одного
профиля и определённой формы обучения и не применяется для
других.
Этот принцип тесно связан с принципом адекватности, дополняя
его.
3) Принцип разумного упрощения проявляется следующим
образом: модель должна быть проще и, обычно, дешевле прототипа.
Модель должна делать систему понятнее для исследователя, а это
достигается упрощением отдельных её аспектов. В моделируемой
системе умышленно утрируются важные для исследователя и
игнорируются второстепенные, менее существенные свойства
(рис.35).
Учебный план гораздо проще учебного процесса, который на
нём основан.
Модели предприятия:
Планировки помещений
Схема документооборота
Схема локальной сети
Стандарты предприятия
Промышленное предприятие
Организационная
структура управления
Рис.35. Пример моделей предприятия в разных срезах
4) Принцип соответствия сложности модели. Модели по
своей природе всегда носят приближенный характер, поэтому важно
выяснить степень этого приближения. При моделировании решаются
две противоположные задачи: детализация системы и снижение
сложности её модели.
Благодаря большому опыту планирования учебного процесса
форма учебного плана обычно является эффективной.
77
Практическими рекомендациями по уменьшению сложности
моделей являются:
 уменьшение числа переменных параметров, достигаемое
исключением и объединением несущественных переменных;
 изменение природы переменных параметров, т.е. переход от
динамических параметрам к статическим, от непрерывных – к
дискретным и т.д.;
 изменение
функциональной
зависимости
между
переменными от нелинейной к линейной, от непрерывной к дискретной и т.п.;
 добавление, исключение или модификация ограничений;
 снижение точности модели с учётом того, что точность
результатов моделирования не может быть выше точности исходных
данных.
5) Принцип блочного строения предполагает выделение
структуры в моделях. При соблюдении принципа блочного строения
облегчается разработка сложных моделей и появляется возможность
использования накопленного опыта и готовых блоков с
минимальными связями между ними при создании новых моделей.
Выделение блоков производится с учетом разделения модели по
этапам и режимам функционирования системы.
Применительно к учебному плану принцип блочного строения
означает возможность выделения приложений, таких как «график
учебного процесса», «перечень дисциплин по выбору», «перечень
факультативных дисциплин».
Для решения реальных задач рассмотренные выше принципы
следует спользовать на различных уровнях моделирования [7]:
1) Концептуальный уровень, на котором определяются
границы системы, т.е. её базовые входы и выходы.
2) Топологический уровень, на котором определяются связи
входных, выходных и внутренних переменных системы (моделями
данного уровня являются графы или сети).
78
3) Структурный уровень, на котором определяется структура
операторов, описывающих взаимосвязь входных, выходных и
внутренних переменных. При этом взаимосвязь может задаваться
функциональными статическими соотношениями, операторами
описания динамики, матричными преобразованиями и т.д.
4) Параметрический уровень, на котором задаются параметры
операторов связей, обеспечивая полную определённость модели
данного уровня (в той степени, в которой определены параметры),
благодаря чему и над моделью могут проводиться наиболее
информативные эксперименты и выполняться расчеты.
4.3. Виды моделирования
Существует множество подходов к классификации видов
моделирования (рис.36). Рассмотрим один из наиболее подробных:
79
Способы моделирования
по полноте модели
Полный
Приближённый
Неполный
…
по отношению к случайным
факторам
Детерминированный
…
Стохастический
по отношению ко времени
Статический
Динамический
…
по отношению к реальности
Реальный
Мысленный
натурный;
физический
наглядный;
символьный;
математический
Рис.36. Классификация способов моделирования
По полноте способы моделирования делятся на: полный,
неполный и приближенный. При полном способе моделирования
модели изоморфны (идентичны) объекту во времени и пространстве.
Для неполного способа моделирования эта идентичность не
сохраняется. В основе приближенного способа моделирования лежит
подобие, при котором некоторые стороны реального объекта не
моделируются совсем (гомоморфизм). Поскольку абсолютное
подобие возможно лишь при замене одного объекта другим точно
таким же, то при моделировании абсолютное подобие не имеет места.
Исследователи стремятся к тому, чтобы модель хорошо отображала
только исследуемый аспект системы.
80
По отношению к случайностям среди способов моделирования
выделяют детерминированный и стохастический.
Детерминированное моделирование отображает процессы, в
которых случайные воздействия не учитываются. Стохастический
способ их учитывает.
По отношению ко времени способы разделились на статические
и динамические (рис.37). Статический способ моделирования
служит для описания объекта и его состояния в определённый момент
времени (в статике), а динамический способ – для исследования
изменения рассматриваемого объекта или процесса с течением
времени.
Величины
моделируемых
параметров
Распределение параметров динамической модели
Время
Статический срез модели
Рис.37. Взаимосвязь статических и динамических моделей
По отношению к тому, является ли генератором и носителем
модели сознание человека способы моделирования подразделены на
мысленный и реальный.
При
реальном
способе
моделировании
исследуются
характеристики либо на реальном объекте целиком, либо на его
части. Такие исследования проводятся как на объектах, работающих в
нормальных режимах, так и при организации специальных режимов
для оценки интересующих исследователя характеристик. Реальное
моделирование является наиболее адекватным, но его возможности
ограничены. Натурным способом моделирования называют
проведение исследования на реальном объекте с последующей
обработкой и анализом результатов эксперимента. Физический
81
способ, отличающееся от натурного тем, что исследование
проводится на оборудовании, сохраняющем физическое подобие
реального процесса. При этом варьируются характеристики внешней
среды и исследуется поведение самого объекта или его модели.
Физическое моделирование может протекать в реальном, модельном
масштабах времени или рассматриваться без учета времени. В
последнем случае изучению подлежат статические процессы,
рассматриваемые на определённый момент времени.
Мысленный способ моделирования является, пожалуй, самым
старым. Он позволяет сформировать модели, не реализуемые в
данный момент времени, при текущем уровне развития науки и
технологий. Благодаря этому мысленный способ позволяет создавать
самые смелые, но и самые сложные для принятия на них решения
модели. Мысленный способ моделирования делится на наглядный,
символический
и
математический
способы.
Наглядное
моделирование широко используется в учебном процессе. Он состоит
в создании наглядных модели на базе представлений человека о
реальных объектах, для отображения протекающих в них явлений и
процессов.
Символический способ моделирования заключается в создании
определённого логического объекта, который замещает реальный и
выражает его основные свойства с помощью системы символов и
знаков.
Математический способ моделирования устанавливает в
соответствие реальному объекту некоторый математический объект,
называемый
математической
моделью.
Для
исследования
характеристик любой системы математическими методами, должна
быть обязательно проведена её формализация и построена
математическая модель. Вид математической модели зависит как от
природы реального объекта, так и от задач исследования объекта, от
требуемой
достоверности
и
точности
решения
задачи.
82
Математическая модель описывает реальный объект с некоторой
степенью приближения.
4.4. Характеристика известных способов моделирования
Наиболее распространённые способы моделирования включают:
1) Аналитическое моделирование связано с моделированием
функционального аспекта системы (рис.38). При этом закон
функционирования системы записывается в виде аналитических
уравнений (алгебраических, интегральных, дифференциальных,
разностных и т.д.).
Постановка задачи
Цель
моделирования
Выбор метода и
соответствующего
математического
аппарата
Метод,
подобранный
под цель
Построение
модели,
описываемой
уравнением
или их
системой
Модель
Получение
аналитическог
о заключения о
моделируемом
объекте по
модели
Рис.38. Схема аналитического моделирования
Распространены
компьютерные
методы
исследования
функционирования
систем.
Они
сводятся
к
построению
соответствующего алгоритма для реализации математической модели
на компьютере.
2) Имитационное моделирование служит для воспроизведения
алгоритма функционирования (поведения) системы во времени. При
этом имитируются явления и операции, составляющие процесс, с
сохранением их логической связи и последовательности протекания,
что позволяет получать динамическое описание процесса. Основное
преимущество имитационного моделирования над аналитическим –
возможность решения более сложных задач. Имитационные модели
позволяют учитывать такие факторы, как наличие дискретных и
непрерывных элементов, нелинейные характеристики элементов
системы, многочисленные случайные воздействия и т.п. В настоящее
83
время имитационное моделирование – один из наиболее
эффективных методов исследования систем (рис.39).
Метод имитационного моделирования применяется для оценки
вариантов структуры системы, эффективности различных алгоритмов
управления системой, влияния изменения различных параметров
системы. Имитационное моделирование положено в основу
структурного, алгоритмического и параметрического синтеза систем,
если требуется создать систему с нужными характеристиками при
определенных ограничениях.
Накопитель
заявок 1
Маршрутизатор
заявок 1
Накопитель
заявок 2
Исполнитель
заявок 1
Накопитель
заявок 3
Исполнитель
заявок 2
Исполнитель
заявок 3
Рис.39. Пример простой имитационной модели (схемы системы
массового обслуживания)
3) Комбинированное
(аналитико-имитационное)
моделирование позволяет объединить достоинства аналитического и
имитационного моделирования. При построении комбинированных
моделей производится предварительная декомпозиция процесса
функционирования объекта на составляющие подпроцессы, и для тех
из них, где это возможно, используются аналитические модели, а для
остальных подпроцессов строятся имитационные модели. Такой
подход дает возможность охватить качественно новые классы систем,
которые не могут быть исследованы с использованием
аналитического или имитационного моделирования в отдельности.
4) Ситуационное моделирование основывается на модельной
теории мышления, используемой для описания основных механизмов
84
регулирования при принятии решений. Оно опирается на
представление о формировании в мозге человека информационной
модели наблюдаемого им мира. Согласно этому представлению,
механизм поведения человека базируется на формировании целевой
ситуации (модели результата) и мысленного преобразования
имеющейся фактически ситуации в желаемую (целевую).
Ситуационная модель является описанием объекта в виде
совокупности элементов, связанных между собой определенными
отношениями, отображающими семантику предметной области. Она
имеет многоуровневую структуру и представляет собой описание
смысла процессов управления протекающих в системе.
5) Структурное моделирование. Системный анализ базируется
на особенностях структур определенного вида, которые используются
как средство исследования систем или служат для разработки на их
основе специальных подходов к моделированию с применением
других методов формализованного представления систем. Развитием
структурного моделирования являются объектно-ориентированное и
функциональное моделирование.
6) Кибернетическое моделирование опирается на модели
процессов, не являющиеся подобиями реальных процессов. Процесс
моделирования состоит в представлении реального объекта как «черного ящика», получающего ресурсы на входы и передающего
результаты на выходы, и описании модели как функции,
связывающей выходами с входами, без учета знаний о топологии
системы. В основе кибернетических моделей лежит отражение
информационных процессов управления, на основе которых можно
оценить поведение реального объекта.
Между рассмотренными способами моделирования имеется
взаимосвязь. Они могут взаимно преобразовываться и дополнять друг
друга. Рассмотрим применение этих моделей в рамках единой
методологии моделирования бизнес-процессов, используемой при
разработке информационных систем (см. [17]).
85
4.5. Теория игр и принятие решений
Классическими задачами системного анализа являются игровые
задачи принятия решений в условиях риска и неопределенности.
Неопределенными могут быть как цели операции, условия
выполнения операции, так и сознательные действия противников или
других лиц, от которых зависит успех операции.
Разработаны
специальные
математические
методы,
предназначенные для обоснования решений в условиях риска и
неопределенности. В некоторых, наиболее простых случаях эти
методы дают возможность фактически найти и выбрать оптимальное
решение. В более сложных случаях эти методы доставляют
вспомогательный материал, позволяющий глубже разобраться в
сложной ситуации и оценить каждое из возможных решений с
различных точек зрения, и принять решений с учетом его возможных
последствий. Одним из важных условий принятия решений в этом
случае является минимизация риска.
При решении ряда практических задач исследования операций
(например, в области экологии или обеспечения безопасности
жизнедеятельности) приходится анализировать ситуации, в которых
сталкиваются несколько враждующих сторон, преследующих
различные цели, причем результат любого мероприятия каждой из
сторон зависит от того, какой образ действий выберет противник.
Такие ситуации мы можно отнести к конфликтным ситуациям.
Теория игр – математический метод изучения оптимальных
стратегий в играх. Под игрой понимается процесс, в котором
участвуют две и более сторон, ведущих борьбу за реализацию своих
интересов. Каждая из сторон имеет свою цель и использует
некоторую стратегию, которая может вести к выигрышу или
проигрышу – в зависимости от поведения других игроков [9].
Результат игры (выигрыш или проигрыш) не всегда имеет
количественное выражение, но обычно можно, хотя бы условно,
выразить его числовым значением.
Ход – выбор одного из предусмотренных правилами игры
действий и его осуществление. Ходы делятся на личные и случайные.
86
Личным ходом называется сознательный выбор игроком одного из
возможных вариантов действий и его осуществление. Случайным
ходом называется выбор из ряда возможностей, осуществляемый не
решением игрока, а каким-либо механизмом случайного выбора
(бросание монеты, выбор карты из перетасованной колоды и т. п.).
Для каждого случайного хода правила игры определяют
распределение вероятностей возможных исходов.
Игра может
состоять только их личных или только из случайных ходов, или из их
комбинации. Следующим основным понятием теории игр является
понятие стратегии. Стратегия – это априори принятая игроком
система решений (вида «если – то»), которых он придерживается во
время ведения игры, которая может быть представлена в виде
алгоритма и выполняться автоматически.
Целью теории игр является выработка рекомендаций для
разумного поведения игроков в конфликтной ситуации, т.е.
определение «оптимальной стратегии» для каждого из них.
Стратегия, оптимальная по одному показателю, необязательно будет
оптимальной по другим. Сознавая эти ограничения, можно
использовать математический аппарат теории игр для выработки,
если не в точности оптимальной, то, во всяком случае «приемлемой»
стратегии.
Игры можно классифицировать: по количеству игроков,
количеству стратегий, характеру взаимодействия игроков, характеру
выигрыша, количеству ходов, состоянию информации и т.д. [19].
В зависимости от количества игроков различают игры двух и n
игроков. Первые из них наиболее изучены. Игры трёх и более игроков
менее исследованы из-за возникающих принципиальных трудностей
и технических возможностей получения решения.
В зависимости от числа возможных стратегий игры делятся на
«конечные» и «бесконечные».
Игра называется конечной, если у каждого игрока имеется
только конечное число стратегий, и бесконечной, если хотя бы у
одного из игроков имеется бесконечное число стратегий.
87
По
характеру
взаимодействия
игры
делятся
на
бескоалиционные: игроки не имеют права вступать в соглашения,
образовывать коалиции; коалиционные (кооперативные) – могут
вступать в коалиции.
В кооперативных играх коалиции заранее определены.
По характеру выигрышей игры делятся на: игры с нулевой
суммой (общий капитал всех игроков не меняется, а
перераспределяется между игроками; сумма выигрышей всех игроков
равна нулю) и игры с ненулевой суммой.
По виду функций выигрыша игры делятся на: матричные,
биматричные, непрерывные, выпуклые и др.
Матричная игра – это конечная игра двух игроков с нулевой
суммой, в которой задаётся выигрыш игрока 1 в виде матрицы
(строка матрицы соответствует номеру применяемой стратегии
игрока 1, столбец – номеру применяемой стратегии игрока 2; на
пересечении строки и столбца матрицы находится выигрыш игрока 1,
соответствующий применяемым стратегиям).
Для матричных игр доказано, что любая из них имеет решение и
оно может быть легко найдено путём сведения игры к задаче
линейного программирования.
Биматричная игра – это конечная игра двух игроков с ненулевой
суммой, в которой выигрыши каждого игрока задаются матрицами
отдельно для соответствующего игрока (в каждой матрице строка
соответствует стратегии игрока 1, столбец – стратегии игрока 2, на
пересечении строки и столбца в первой матрице находится выигрыш
игрока 1, во второй матрице – выигрыш игрока 2.)
Непрерывной считается игра, в которой функция выигрышей
каждого игрока является непрерывной. Доказано, что игры этого
класса имеют решения, однако не разработано практически
приемлемых методов их нахождения.
Если функция выигрышей является выпуклой, то такая игра
называется выпуклой. Для них разработаны приемлемые методы
88
решения, состоящие в отыскании чистой оптимальной стратегии
(определённого числа) для одного игрока и вероятностей применения
чистых оптимальных стратегий другого игрока. Такая задача
решается сравнительно легко.
4.6. Моделирование бизнес-процессов
Бизнес-процесс – это процесс преобразования информационных
и управленческих потоков в организованной системе с некоторой
целью, реализуемый неоднократно и находящийся под управлением.
Основу моделирования бизнес-процессов организационных
систем составляет их вербализация, т.е. описание при помощи слов
естественного языка. Оно может быть получено методами
анкетирования или интервьюирования экспертов, с помощью
изучения нормативных документов или другими способами. Такое
описание неструктурированно и поэтому малопригодно для
формирования каких-либо существенных выводов о свойствах и
параметрах бизнес-процесса, но оно необходимо для того, чтобы
сформированные модели были адекватны предметной области
(рис.40).
Например, для выпускающей кафедры с помощью текста
можно указать перечень специальностей, описать научные
лаборатории и даже попытаться описать основные выполняемые
функции. Но обеспечить системность такого изложения будет
очень сложно.
89
Анкетирование,
интервьюирование,
опрос и т.д.
Визуализированная
вербальная модель
Вербальная модель
предметной
области
Эксперт
Системный
аналитик
Рис.40. Схема моделирования существующего бизнес-процесса
Важнейшая цель вербализации – погружение специалиста по
системному моделированию в предметную область и специфику
конкретного
бизнес-процесса,
учитывающую
особенности
управляющей системы, корпоративную культуру и традиции.
Параллельно вербализации необходимо выяснить организационную
структуру, связанную с бизнес-процессом и попытаться изобразить её
графически. В результате вербализации специалист должен в целом
представлять бизнес-процесс, логику его функционирования и
структуру управления им.
После вербализации осуществляется визуализация полученных
о бизнес-процессе знаний в виде графических схем, диаграмм и
алгоритмов или аналитических выражений, т.е. формирование
графической модели системы.
4.6.1. Методология
SADT.
Для
проектирования
информационных систем существуют различные методологии, среди
которых можно выделить методологию SADT – методологию
системного анализа и проектирования, принятую в США.
Методология SADT включает ряд стандартов для структурносемантического моделирования сложных систем, наиболее
популярными из которых являются:
 IDef0 – функциональное моделирование;
 IDef1X – моделирование данных;
90
 IDef3 – моделирование «потока» процессов;
 IDef4 – объектно-ориентированное проектирование и анализ;
 IDef5 – определение онтологий и др. (см. [30]).
4.6.2. Функциональное моделирование. Для формирования
системной модели (рис.41) в SADT можно использовать любой из
перечисленных стандартов, но наиболее подходящим являются
стандарт IDef0, поскольку он позволяет наиболее полно раскрывать
структуру процессов организованной системы.
Планы
Стандарты
Информация о материальных
ресурсах
Информация о финансовых ресурсах
Информационные модели
Процессные модели
Функциональные модели
Бизнеспроцесс
Формы документов
Информационные ресурсы
Внешние нормативные документы
Менеджмент предприятия
Подразделения
Должностные
лица
Рис.41. Построение системной модели бизнес-процесса
Функциональная модель (ФМ) описывается формулой:
ФМ  Ф, ФС, СС, О, С ,
(4.1)
где Ф – функции; ФС – функциональные связи; СС –
статистические свойства; О – отношения; С – семантика.
91
Функциональная
IDef0-модель
ориентированный граф (G) вида:
представляет
G  F , D, L,
собой
(4.2)
где F = {F1, F2, …} – множество вершин; D = {CB1, CB2, …} –
множество ориентированных дуг; L  F  D  D  F – отношение
инцидентности.
Представление функционального блока IDef0 показано на
рис.42.
Управления
Входы
(ресурсы)
ПРОЦЕСС
(функция)
Выходы
(продукты)
Механизмы
Рис.42. Графическое представление процесса в IDef0
Суть моделирования организованных систем в IDef0
заключается в представлении их в виде перечня действий по
преобразованию ресурсов.
При этом Входы моделируют преобразуемые в процессе
объекты (ресурсы), а Выходы – результаты этого преобразования.
Например, если на входе функции «Согласования учебного плана»
был объект «Проект учебного плана», то на выходе будет объект
«Согласованный учебный план».
Поэтому Входы и Выходы называют преобразуемыми
ресурсами, а Управления и Механизмы – непреобразуемыми
ресурсами. Управления – это ресурсы, устанавливающие порядок и
правила выполнения процесса. К ним относят: методы, стандарты,
решения. Данный тип ресурсов не изменяем в ходе реализации
92
процесса, поэтому они называются не устаревающими или не
изменяющими состояний. Механизмы, напротив, могут изменять своё
состояние при выполнении процесса, поскольку они включают
производительные силы и средства труда: персонал, оборудование,
инструмент, оснастку и т.д. Поэтому механизмы называют
устаревающими или изменяющими состояния ресурсами (рис.43).
План работы
кафедры
Проект
учебной
нагруз ки
кафедры
Нормативная баз а УГАТУ
и кафедры
Учебн ый план
Замечания к
проект у учебной
нагруз ки
кафедры
Нормы времени
Получить и
сверить
учебную
нагруз ку
1
Сверенная
учебная
нагруз ка
Список
ППС
Распределить учебную
нагруз ку кафедры
Проект
плана
учебной
нагруз ки
Планы учебной
нагруз ки
преподавателей
2
Формировать планы
учебной нагрузки по
преподавателям
3
Заполнить и утвердить в
индивидуальные п ланы
работ ы преподавателей
ППС
Web-п ортал
Индивидуальный
план работы
преподавателя
4
ППС и персонал
университета
Управление учебной нагрузкой по
Рис.43.
модели управления учебными ресурсами
A12 Пример функциональной
преподавателям
NODE:
TITLE:
NUMBER:
Если при создании функциональной модели, возникает
проблема отсутствия или неполноты информации, требуемой для
визуализации
её
структуры,
то
возможен
переход
на
предшествующий этап системного анализа и дополнительные
исследования системы с помощью известных или оригинальных
методов.
Более подробно о стандарте IDef0 можно узнать в [17].
93
4.6.3. Объектно-ориентированное моделирование. Объектноориентированное моделирование опирается на объектный подход.
Объектный подход предполагает построение моделей, связанных с
понятием объекта (класса), который служит для связи данных и
функции по их обработке, что позволяет конструировать структуру
обобщающих понятий над объектной структурной моделью (рис.44).
Важнейшим понятием объектной технологии является объект,
определяемый как определённая сущность, обладающая свойствами и
методами. Объекты – это основные элементы, моделирующие
реальный мир. В отличие от структурного подхода, где основное
внимание уделяется функциональной декомпозиции, в объектном
подходе предметная область разбивается на множество достаточно
независимых сущностей – объектов [35].
Экземпляр объекта – это определенный элемент множества.
Например, в лесу объект – это некий клён, а экземпляр этого
объекта – конкретный клён, растущий возле поворота дороги.
Коробка как объект,
обладающий свойствами:
- форма –
параллелепипед;
- наличие внутреннего
пространства;
- наличие крышки.
Короб
упаковки
Коробка конфет
Объект
Экземпляры объекта
Рис.44. Связь между объектом и экземплярами объекта
Класс – это набор элементов реального мира, связанных
структурой и функциями (поведением). Элемент класса – это
конкретный элемент данного набора. При этом объект включается в
класс и является его представителем, а термины «экземпляр объекта»
и «элемент класса» равнозначны.
94
Метод – реализация операции над данными (функции) для
объектов класса.
Свойство объекта – это количественная характеристика
объекта.
Ресурсы, с точки зрения рассматриваемого подхода, должны
быть скрыты. Сокрытие данных и методов для объекта получило
название инкапсуляции. Инкапсуляция придаёт объекту целостность,
очерчивая его границы и функции.
Полиморфизм
–
способность
объекта
принадлежать
одновременно к нескольким типам.
Объектная модель активно использует аппарат наследования,
что позволяет справляться с колоссальным количеством и
разнообразием управляемых компонентов и их атрибутов.
Наследование означает построение новых классов на основе
существующих с возможностью добавления или переопределения
данных и методов (рис.45).
"Коробка" как объект,
обладающий свойствами:
- форма – параллелепипед;
- наличие внутреннего
пространства;
- наличие крышки.
Объект – родитель
Объект "ящик", сохраняющий
все свойства объекта
"коробка", но при этом
обладающий новым
свойством – жёсткими
стенками
Объект – наследник
Рис.45. Свойство наследования объектов
Класс объектов, кроме структур данных, определяет функции
(методы), применимые к этим структурам. Класс – это элемент,
обеспечивающий модульность в проектных спецификациях
информационных систем и программных решениях.
Например, основная образовательная программа – это класс, в
который как объекты входят отдельные дисциплины.
95
Объектно-ориентированная система строится с учетом её
эволюции. Ключевые элементы объектного подхода: наследование и
полиморфизм обеспечивают возможность определения новой
функциональности классов объектов с помощью создания
производных классов – потомков базовых классов. Потомки
наследуют характеристики родительских классов без изменения их
первоначального описания и добавляют при необходимости
собственные структуры данных и методы. Определение производных
классов, при котором задаются только различия или уточнения,
позволяет экономить время при производстве и использовании
спецификаций и программного кода.
Объектно-ориентированный анализ наилучшим образом
подходит для проектирования информационных систем, основанных
на ситуационном подходе к управлению сложными объектами.
Объектно-ориентированное моделирование облегчает процесс
взаимопонимания между разработчиком, экспертом и заказчиком
системы.
4.6.4. Информационное моделирование. Методология IDEF1X
– это и формализованный язык для семантического моделирования
данных, и инструмент для анализа информационных структур систем
различной природы.
Информационное моделирование представляет собой анализ
логической структуры информации об объектах системы, дополняя
функциональные модели, путём детализации объектов, которыми
манипулируют функции системы. Информационная модель
демонстрирует взаимосвязь между данными и документами, выявляя
разделяемые атрибуты в них (рис.46).
96
Абстракция
реального объекта
Характеристика
сущности, имеющая
определённое имя
Сущности (играют
роль элементов)
Атрибуты (играют роль
характеристик элементов)
Отношения (играют роль
связей между элементами)
Рис.46. Определение понятий «сущность», «атрибут» и «отношение» [17]
Например, для учебного процесса можно выделить сущности
«основная образовательная программа» и «дисциплина», связанные
отношением «один-ко-многим». Атрибутами этих сущностей могут
быть «название направления подготовки», «трудоёмкость изучения»
и т.д.
Информационная модель (ИМ) в нотации «сущность-связь»
может быть выражена следующей формулой:
ИМ  СУЩ, СВ, АТ ,
(4.3)
где СУЩ = {СУЩ1, СУЩ2, …} – сущности; СВ – связи; АТ –
атрибуты.
Теоретической базой построения информационных моделей
является теория баз данных типа «сущность-связь».
Следует
отметить,
что
информационная
модель,
соответствующая
IDef1X,
может
быть сформирована из
функциональной модели, построенной с учётом требований стандарта
IDef0. При этом стрелки функциональной модели всех видов
становятся потенциальными сущностями, а функции, связывающие
их, трансформируются в отношения между ними.
Построенная по указанным выше правилам информационная
модель будет являться адекватным отображением информационной
структуры сущностей и их отношений.
При реализации информационной модели может возникнуть
необходимость приведения её к какой-либо нормализованной форме.
97
4.6.5. Моделирование семантики. Семантической моделью
называют систему значений или область объектов, которые
превращают формулы логического исчисления в истинные или
ложные утверждения.
Семантическая сеть – один из способов представления знаний.
В семантической сети роль вершин выполняют понятия базы знаний,
а дуги (причем направленные) задают отношения между ними
(рис.47). Таким образом, семантическая сеть отражает семантику
предметной области в виде понятий и отношений [9].
Понятие 1
Отношения
Понятие 3
Понятие 2
Отношения
Понятие 4
Понятие 5
Рис.47. Пример семантической сети
Наиболее ярким и популярным примером семантических сетей
являются
Сети
Петри,
представленные
разновидностью
ориентированных двудольных графов. Двудольный граф включает
вершины двух типов: позиции (обозначаются кружками) и переходы
(обозначаются планками).
Сеть Петри может быть формально представлена как
совокупность множеств [7]:
N = (P, T, G, ),
(4.4)
где P = {p1, p2… pn} – множество всех позиций (n – количество
позиций); Т = {t1, t2… tm} – множество переходов (m – количество
переходов); G = (Gp-t, Gt-p) – множество дуг сети: Gp-t = (pt), Gt-p =
(tp) – множества дуг, ведущих соответственно от переходов к
98
позициям и от позиций к переходам (дуг, соединяющих однородные
вершины, не существует);  = {1, 2… k} – множество весов дуг (k
– количество дуг).
Каждая позиция может быть маркирована, т.е. содержать
некоторое число фишек. Если обозначить числа фишек, находящихся
в i-й позиции pi, как mi, то маркировка всей сети: M = {m1, m2… mn}.
Тогда полное определение сети Петри, включая данные о
начальной маркировке, можно записать в виде:
PN = (N, M0),
(4.5)
где М0 – начальная маркировка сети.
При моделировании процессов принятия решений с помощью
сетей Петри её позиции интерпретируют собой условия, состояния,
значения переменных и т.д. Переходы интерпретируют собой
принятие логических решений, соответствующих выполнению
действий, при этом входные позиции – условия выполнения действий,
выходные позиции – результат выполнения действий.
Если осуществить начальную маркировку сети Петри, то можно
описать логику работы системы и произвести анализ ее
работоспособности.
Переходы
меток
описываются графом
достижимости, у которого каждой вершине соответствует
определенная маркировка, а каждой дуге – переход, который
срабатывает при данной маркировке (рис.48).
Таким образом, граф достижимости представляется как:
GD = (V, E),
(4.6)
где V – массив вершин (маркировок, соответствующих вершинам):
V = {М1, М2 … Мq},
(4.7)
где Мi – i-я маркировка, q – количество маркировок; Е = {e1, e2
… ep} – массив дуг, связывающих вершины (р – количество дуг).
99
s1
t1
s3
t3
s2
t2
s4
Рис.48. Пример графа сети Петри
Каждая дуга представляется как совокупность ei = {1, 2, Т},
где 1 и 2 – номера начальной и конечной вершин графа; Т = {t1, t2,
… tk} – массив переходов, соответствующий дуге; k – количество
одновременно срабатывающих переходов при переходе от одной
маркировки к другой.
С помощью графа достижимости могут быть определены
следующие свойства сети Петри:
 живость (отсутствие тупиковых состояний);
 ограниченность (сеть ограниченна, если символ «» не
входит ни в одну вершину графа);
 безопасность (сеть безопасна, если в метки вершин входят
только «0» и «1») – физически безопасность означает отсутствие
зацикливаний;
 правильность (если сеть безопасная и живая, то она
правильная);
 обратимость (сеть обратима, если в графе имеется хотя бы
одна дуга, направленная к начальной маркировке М0);
 пассивность переходов (переход ti пассивен, если он не
соответствует ни одной дуге графа);
 число возможных состояний Nсост.
100
4.7. Контрольные вопросы
1) Что такое зафиксированная в пространстве, наблюдаемая,
физически реализуемая совокупность звеньев структуры системы?
2) Каково
соотношение
понятий
«изоморфизм»,
«гомоморфизм» и «полиморфизм»?
3) Что такое модель системы?
4) Что такое моделирование?
5) Каковы принципы моделирования?
6) Какой принцип утверждает, что модель строится для
решения только определенного вида задач?
7) Какие виды моделирования Вы знаете?
8) Каковы принципы имитационного моделирования?
9) Как связаны понятия «вербализация» и «визуализация» при
моделировании бизнес-процессов?
10) Что общего и различного в функциональном, объектноориентированном и информационном моделировании?
11) Каким образом связаны понятия «сущность» и «атрибут» в
информационной модели?
12) Что представляет собой граф достижимости в сети Петри?
101
5. ИЗМЕРЕНИЕ В СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ
5.1. Понятие шкалы
5.1.1. Роль измерений в системном анализе. Современное
общество ориентировано на высокие технологии, которые опираются
на высокую точность исполнения отдельных операций. Например, для
изготовления современной микроэлектроники необходимо наносить
линии толщиной в несколько микрон. Такая точность в технике
повышает требования к точности и в других сферах. Поэтому при
решении исследовательских задач необходимо задумываться о мере
точности ожидаемых результатов. Решение этой задачи в точных
науках связано с понятием погрешности измерений. Погрешность
измерения – оценка отклонения измеренного значения величины от её
истинного значения [9]. Для измерения же с той или иной
погрешностью используется шкала. Шкала – сопоставление
результатов измерения какой-либо величины и точек числовой
прямой [9].
В настоящее время шкалы активно используются и в
управленческих науках. С помощью шкал можно ранжировать
различные элементы сложных систем.
5.1.2. Шкалы и их атрибуты. С точки зрения метрологии в
основе измерения лежит сопоставление значений качественных или
количественных характеристик исследуемой системы значениям
соответствующих шкал (обычно метрических).
Формально шкалой называется кортеж из трех элементов
 X,, Y  , где X реальный объект, Y шкала,  гомоморфное
отображение X на Y [4].
При этом:
X = {x1, x2 … xn, Rx} измеряемая система, включающая
множество свойств xi, на которых в соответствии с целями измерения
задано некоторое отношение Rx. В процессе измерения необходимо
102
каждому свойству xi  X поставить в соответствие признак или
число, его характеризующее;
Y = { (x1),  (x2), …  (xn), Ry} знаковая система с отношением,
являющаяся отображением измеряемой системы в виде некоторой
образной или числовой системы, соответствующей измеряемой
системе;
  Ф – гомоморфное отображение X на Y, устанавливающее
соответствие между X и Y так, что { (x1),  (x2), …  (xn)}  Ry
только если (x1, x2 … xn)  Rx.
Тип шкалы определяется по Ф = {1, 2, … m}, множеству
допустимых преобразований xi  yi.
В
соответствии
с
приведенными
определениями,
охватывающими как количественные, так и качественные шкалы,
измерение системы X с отношением Rx состоит в определении
знаковой системы Y с отношением Ry, соответствующей ей.
Предпочтения Rx на множестве XX в результате измерения
переводятся в знаковые соотношения Ry на множестве YY.
Шкалы разделяются по типу, в соответствии с тем, какие
отношения они отражают. Каждой шкале соответствуют допустимые
для данной шкалы математические преобразования. Выделяют три
основных атрибута измерительных шкал, наличие или отсутствие
которых определяет принадлежность шкалы к той или иной
категории:
1) Упорядоченность данных показывает, что один пункт
шкалы, соответствующий выраженности измеряемого свойства,
больше, меньше или равен другому пункту (рис.49).
103
Упорядоченность по числу углов
Упорядоченность по росту
Рис.49. Примеры упорядоченности шкал
Например, школьников в классе можно упорядочить по росту
или алфавиту.
2) Интервальность пунктов шкалы означает, что интервал
между любой парой чисел, соответствующих выраженности
измеряемого свойства, больше, меньше или равен интервалу между
другой парой чисел. Например, расстояния между городами можно
измерить и, соответственно, можно найти 2 пары городов,
находящихся на одном расстоянии (интервалы равны) или на разных
расстояниях (интервалы не равны) (рис.50).
Длина K
Длина M
Расстояние L
Расстояние L
Интервалы равны
Интервалы больше или меньше
Рис.50. Примеры интервальности шкал
3) Нулевая точка (или точка отсчета) означает, что набор
чисел, соответствующих выраженности измеряемого признака,
имеет точку отсчета, обозначаемую за 0, что соответствует полному
104
отсутствию измеряемого и свойства (рис.51). Например, про
некоторый сосуд можно сказать, что он пуст, т.е. количество
воды в нём – 0, а про времена года нельзя сказать, что наступило их
отсутствие.
0:0
1. A =

j
x4 y 2
5
(y
2
 x)
i
Счёт в игре
A=?
2. B = 2 * 2
B=?
Рыбки в аквариуме
Сложность математической задачи
Рис.51. Примеры шкал с нулевой точкой и без неё
Под измерительной шкалой подразумевается некоторый ряд
элементов, с которым можно соотносить для измерения значения
свойств реальной системы.
5.2. Виды измерительных шкал
Типы шкал имеют иерархическую упорядоченность по
сложности. Рассмотрим виды измерительных шкал:
1) В номинативной шкале нет всех основных атрибутов
измерительных шкал: упорядоченности, интервальности, нулевой
точки (рис.52). Эту шкалу могут называть «шкалой наименований»
или «номинальной шкалой». Номинативная шкала используется для
идентификации объектов (группировки по классам, каждому из
которых приписывается число), причём объекты группируются по
классам таким образом, чтобы внутри класса они соответствовали
друг другу по измеряемому свойству. Это самая простая шкала из тех,
что могут рассматриваться как измерительные, хотя, по сути, эта
шкала не связана с понятием «величина», а значит мало подходит для
измерения. Её задача – различение объектов в рамках некоторой
выборки.
105
Категория 1
(«мужской пол»)
Категория 2
(«женский пол»)
Рис.52. Пример номинативной шкалы
Для исключения неопределенности в классификации объектов,
следует выбирать взаимоисключающе категории, измеряемые в
номинативной
шкале.
Более
того,
они
должны
быть
исчерпывающими, что выражается в том, что любому значению
должна однозначно соответствовать заданная категория. Категории
данных в номинативной шкале должны включать сопоставимые
экземпляры.
Категории измеряемой переменной не являются численными и
над ними невозможны арифметические операции, но их можно
сравнивать друг с другом на основе статистики наблюдений,
относящихся к ним.
С помощью номинативной шкалы можно распределить по
категориям, например, дисциплины в учебном плане.
В порядковой шкале из всех основных атрибутов шкал
присутствует только упорядоченность. Такие шкалы называют
«ранговыми шкалам».
Результатом использования такой шкалы является упорядочение
объектов. Шкала ранжирует объекты, приписывая им числа в
зависимости от выраженности измеряемого свойства по некоторому
признаку (в порядке убывания или возрастания). В отличие от
номинативной шкалы, здесь можно не просто определить, что один
объект отличен от другого, но и что по определенному признаку один
объект больше или меньше другого. Порядковая шкала показывает,
больше или меньше выражено свойство (измеряемая величина), но не
насколько больше, или насколько меньше оно выражено, а тем более
– во сколько раз больше или меньше. Порядковая шкала популярна в
социальных и гуманитарных исследованиях. Примером измерения в
порядковой шкале является социально-экономический статус,
106
определяемый в категориях: 1) «богатые», 2) «зажиточные», 3)
«бедные». Эти категории ранжируются, например, по признаку
уровня дохода (рис.53).
Категория 1
(«бедные»)
до 200 тыс. руб. в год
Категория 2
(«зажиточные») более 200 и
менее 800 тыс. руб. в год
Категория 3
(«богатые») более
800 тыс. руб. в год
Рис.53. Пример порядковой шкалы
Возможности арифметических действий в порядковых шкалах
ограничены. Использование большинства операций с порядковыми
данными математически некорректно. В то же время, шкала может
вполне корректно использоваться в некоторых экспериментальных
исследованиях.
Порядковая шкала может помочь составить список задач
кафедры, упорядочив их по важности.
2) В интервальной шкале присутствуют два основных атрибута
– упорядоченность и интервальность. Для обозначения такой шкалы
используется термин «шкала интервалов». В интервальной шкале
исследуемому объекту присваивается число единиц измерения,
пропорциональное
выраженности
измеряемого
свойства.
Соответствующие интервалы разных участков шкалы имеют одно и
то же значение. Поэтому измерения в интервальной шкале допускают
не только классификацию и ранжирование, но и точное определение
различий между категориями (рис.54).
Категория 1
(-10о С) 263о К*
Категория 2
(0о С) 273о К
Категория 3
(10о С) 283о К
Категория 4
(20о С) 293о К
*К – градусы Кельвина
Рис.54. Пример интервальной шкалы
Типичным
примером
интервальной
шкалы
являются
температурные шкалы Цельсия и Фаренгейта. Например, если
сегодня уличный термометр фиксирует температуру -10оС, а вчера
107
было -20оС, мы можем сказать, что сегодня теплее на 10 градусов. В
интервальных шкалах (например, шкалах Цельсия и Фаренгейта нет
нулевой точки отсчета). Точнее, выбор нулевой точки в интервальной
шкале условен (произволен). Имея данные, представленные в
интервальной шкале, можно судить, насколько больше или насколько
меньше выражено измеряемое свойство, но не о том, во сколько раз
больше или меньше. Для таких шкал характерна произвольность
выбора нулевой точки, а значит значение «0» не соответствует
полному отсутствию измеряемого свойства. Измерения не
соответствуют абсолютному количеству измеряемого свойства. Для
интервальных шкал можно корректно использовать большинство
математических операций. Однако на практике часто возникают
сложности при интерпретации показателей, определяемых как
отношение измерений, полученных в интервальных шкалах.
Интервальная шкала может использоваться для оценки уровня
компетенций преподавателей, поскольку он не может быть как
нулевым, так и абсолютным.
3) В относительной шкале присутствуют все атрибуты
измерительных шкал: упорядоченность, интервальность, нулевая
точка (рис.55). Эту шкалу можно называть «шкалой подобия».
Относительная шкала позволяет оценивать, во сколько раз свойство
одного объекта больше (меньше) аналогичного свойства другого
объекта, принимаемого за эталон, единицу. Эта шкала
характеризуется всеми атрибутами интервальной шкалы и имеет
фиксированную нулевую точку (0), которая не является условной,
она соответствует полному отсутствию измеряемого свойства.
Категория 1
(0 человек)
Категория 2
(1 человек)
Категория 3
(2 человека)
Категория 4
(3 человека)
Рис.55. Пример относительной шкалы
Например, переменная «количество сотрудников» имеет
фактическое начало отсчета, т.к. нулевое значение соответствует
108
отсутствию сотрудников вообще. Аналогично, нулевое значение
может соответствовать отсутствию образования, дохода, детей,
количеству лет в браке и т.п.
В силу фиксированности нулевой точки, можно судить при
сравнении исследуемых объектов не только о том, насколько больше
или меньше выражено свойство, но и во сколько раз больше или
меньше оно выражено. Для относительной шкалы возможно
корректное использование всех математических процедур обработки
данных. Такие шкалы часто применяют для оценки объективных
параметров объекта (температура, размеры, уровень напряжения).
Абсолютная шкала может быть использована для измерения
многих характеристик учебного процесса, например, таких как число
студентов, число часов, отведённых на практические занятия и т.д.
4) Шкалы разностей применяются в тех случаях, когда
необходимо измерить, насколько один объект превосходит по
определенному свойству другой объект. В шкалах разностей
неизменными остаются разности численных оценок свойств (рис.56).
Категория 2
Категория 1
Категория 3
(прирост
в
II
кв.)
(прирост в I кв.)
(прирост в III кв.)
Категория 4
(прирост в IV кв.)
Рис.56. Пример шкалы разностей
Примерами измерений в шкалах разностей могут служить
измерения прироста продукции предприятий (в абсолютных
единицах) в текущем году по сравнению с прошлым, увеличение
численности учреждений, количество приобретенной техники за год,
летоисчисление и т. д.
Как и шкалы отношений, шкалы разностей являются частным
случаем шкал интервалов, получаемых выбором единицы масштаба
измерений. Точка отсчета в шкалах разностей может быть
произвольной.
Шкалы разностей, как и шкалы интервалов, сохраняют
отношения интервалов между оценками пар объектов, но, в отличие
109
от шкалы отношений, не сохраняют отношения оценок свойств
объектов.
Разностная шкала в предметной области, связанной с учебным
процессом, может применяться в отчёте кафедры для
демонстрации изменения числа статей, контингента студентов и
т.д. за равные периоды (семестры, учебные года).
5) Абсолютными называют шкалы, в которых единственными
допустимыми преобразованиями φ являются тождественные
преобразования:
 x  e,
(5.1)
где e(x) = x.
Это означает, что существует только одно отображение
эмпирических объектов в числовую систему. Отсюда и название
шкалы, так как для неё единственность измерения понимается в
буквальном абсолютном смысле.
Абсолютные шкалы являются частным случаем ранее
рассмотренных типов шкал, поэтому сохраняют любые соотношения
между оценками измеряемых свойств объектов: различие, порядок,
отношение интервалов, отношение и разность значений и т.д.
Кроме указанных типов шкал, существуют промежуточные
типы, такие как степенная шкала и её разновидность –
логарифмическая шкала.
При проведении измерений нужно отделять существенно
несравнимые
альтернативы
от
несравнимых
альтернатив,
допускающих косвенную сравнительную оценку (рис.57).
Возраст ели
Площадь дома
Рис.57. Пример несравнимых характеристик
110
Особенностью измерения и оценивания качества сложных
систем является то, что для одной системы по разным частным
показателям качества могут применяться любые из типов шкал от
самых слабых до самых сильных. При этом для получения надежного
значения показателя может проводиться несколько измерений. Кроме
того, обобщенный показатель системы может представлять собой
некую осредненную величину однородных частных показателей. При
измерении и оценке физических величин обычно трудностей не
возникает, так как перечисленные величины измеряются в
абсолютной шкале. Более сложной является оценка в качественных
шкалах. Однако отдельные показатели в процессе системного анализа
уточняются, и, как следствие, появляется возможность от измерения и
оценки в качественных шкалах перейти к оценке в количественных
шкалах. Более подробно классификация и характеристики шкал
рассмотрены в [4].
5.3. Квалиметрия в системном анализе
С развитием систем менеджмента качества и появлением
международного стандарта ISO 9001 (в Российской Федерации –
ГОСТ Р ИСО 9001 [9)]), особенно начиная с третьей версии,
вышедшей в 2000 году, большую роль стало играть измерение
качественных характеристик. Например, в учебном процессе часто
необходимо оценить степень усвоения знаний студентами или
измерить качество научного доклада аспиранта и т.д. Решать
подобные задачи призвана квалиметрия.
Квалиметрия – научная дисциплина, в рамках которой
изучаются
методология
и
проблематика
комплексного
количественного оценивания качества объектов любой природы
(одушевлённых или неодушевлённых; предметов или процессов;
продуктов труда или продуктов природы) имеющих материальный
или духовный характер, имеющих искусственное или естественное
происхождение [9].
111
Объектом квалиметрии может любой целостный объект,
который может быть изучен, исследован и познан. Предметом
квалиметрии является оценка качества в количественном его
выражении.
Квалиметрия подразделяется на:
 общую квалиметрию или общую теорию квалиметрии, в
которой рассматриваются проблемы и вопросы, а также методы
измерения и оценивания качеств;
 специальные квалиметрии больших группировок объектов:
продукции, процессов, услуг, социального обеспечения, среды
обитания и т.д.;
 предметные квалиметрии отдельных видов продукции,
процессов и услуг, такие как квалиметрия машиностроительной
продукции, строительных объектов, квалиметрия нефтепродуктов,
труда, образования и т.д.
Целью квалиметрии является разработка и совершенствование
методик, с помощью которых качество конкретного оцениваемого
объекта может быть выражено одним числом.
Существуют и ограниченные представления о качестве, когда
оно оценивается не по всем, а по одному или по нескольким
важнейшим для людей характеристикам объекта (рис.58).
Определение
показателей
Определение
критериев
Показатели
Измерение
показателей
Критерии
Сравнение значений
показателей с критериями
Значения
Результат
Рис.58. Алгоритм оценки качества
Результат квалиметрического метода обычно представляется в
относительной шкале. Оценка качества объекта осуществляется через
его свойства, проходя через следующие этапы:
112
Определение целей,
задач, ссылок,
Показатели
степени раскрытия
каждой задачи,
степени
соответствия
выводов задачам
Измерение значений
показателей
 определение показателей, характеризующих перечень тех
свойств, совокупность которых в полной мере характеризует
качество;
 формирование критериев, определяющих диапазон значений
показателей, в котором они считаются допустимыми;
 измерение этих показателей (их численных значений);
 сопоставление полученных данных с критериями, т.е.
характеристиками другого объекта, принимаемого за образец или
эталон качества.
Полученный результат с определённой степенью достоверности
может характеризовать качество исследуемого объекта.
Значения
Результат
Усреднение
оценок и
формирование
общей
количественной
оценки
Критерии
Формирование критериев
Рис.59. Пример оценки качества научного доклада
Например, для оценки качества научного доклада аспиранта
необходимо (рис.59):
 определить показатели, например, такие как наличие цели
исследования и её актуальность, наличие ссылок на других авторов,
степень соответствия выводов и задач и т.д.;
 разработать
критерии,
например,
для
степени
соответствия задач, указанных в начале доклада и выводов по его
результатам критерием является полное соответствие по сути и
50% соответствие по семантическим признакам (повторяющиеся
слова и формулировки);
 измерить перечисленные показатели;
113
 сопоставить их с критериями и на основе усреднения оценок
или иного метода сформировать некоторую количественную оценку
по относительной шкале.
Показатель качества – количественная характеристика
свойства объекта, входящего в состав его качества и рассматриваемая
применительно к определенным условиям жизненного цикла объекта
[25].
Полученный при измерении и обобщении квалиметрический
результат, т.е. численный показатель уровня качества исследованного
объекта по отношению к качеству эталона, еще не оценка качества.
Оценкой качества является мера соответствия полученного уровня
качества объекта интересам или потребностям оценивающего
субъекта или группы субъектов.
Оценка качества (Qоц) – результат взаимодействия
оцениваемого объекта (О) и оценивающего субъекта (С) на основе
некоторого эталона (Б) по определённой логике (алгоритму) (А), а
именно:
Qоц = < О, С, Б, А >,
(5.2)
где О – оцениваемый объект; С – оценивающий субъект; Б –
база оценки (эталон качества); А – алгоритм (логика и приемы)
оценивания.
Таким
образом,
квалиметрический
анализ
позволяет
сформировать обобщённые показатели качества объекта и
сформировать пригодную для сравнения и точного анализа
количественную оценку качества объекта, явления или процесса, что
бывает очень важно в системных исследованиях.
5.4. Представление справочников на шкалах
Моделирование в SADT предполагает, что для каждой модели
можно составить гомоморфный справочник этой модели, т.е. можно
сформировать модель для модели. При этом справочник можно
114
представить в виде номинальной шкалы, поскольку ею будет любое
перечисление неповторяющихся объектов (рис.60).
Функциональная модель
Функция 1
Функция 2
Функция 3
Название
Функция 1
Функция 2
Функция 3
Справочник функций
Входы
Выходы
Вход
Функция 2
Функция 1
Функция 3
Функция 2
Выход
Шкала измерения системного свойства
Функция 1
Функция 2
Функция 3
Интенсивность
системного свойства
Рис.60. Связь между функциональным моделированием и шкалами
Рассмотрим пример справочника процессов образовательной
организации. В общем случае он содержит процессы приём
абитуриентов, обучения, научных исследований и государственная
аттестация выпускника. Для шкалы, построенной для такого
справочника (X1 (приём абитуриентов), … X4 (государственная
аттестация
выпускника)),
отсутствует
нулевая
точка,
упорядоченность и интервальность, поэтому она мало пригодна для
каких-либо преобразований.
Если сопоставить переменным X1, … X4 количественные
значения, выражающие, например, удовлетворённость предприятий
качеством знаний выпускников вуза, то мы сможем определить
115
нулевую точку и упорядочить элементы справочника по
возрастанию интенсивности выбранного свойства.
В рассмотренном примере процесс «приём абитуриентов» X1 не
будет иметь нулевое значение выбранного свойства, поэтому нам
придётся ввести X0 – процесс довузовской подготовки, который в
действительности означает отправную точку процесса оценки
удовлетворения потребителей. Если ввести точку X5 – работа с
предприятиями, в которой интенсивность рассмотренного свойства
максимальна, и взять это значение за 100, то остальные 4 точки
будут иметь различные значения степени удовлетворённость
предприятий качеством знаний выпускников вуза в интервале от 0
до 100. По этим значениям их можно однозначно упорядочить, т.е.
построить шкалу порядка.
Таким образом, некоторые справочники, построенные по
методологии SADT, можно выразить в виде шкал для измерения
определённого свойства. Чтобы определить данное свойство,
необходимо установить цель системы, использующей эти
справочники и назначение (цели) справочника для системы. Так,
рассмотренный выше справочник функций (бизнес-процессов)
системы
связан
с
основной
целью
производственной
организационной системы – удовлетворением потребителя, а,
например, справочник сотрудников организации – с целью
сохранения её гомеостаза за счёт поддержания стабильности в
коллективе. В таком аспекте справочник кадров можно рассматривать
как шкалу стажа работников.
Некоторые справочники, имеющие малое число полей, такие как
справочники имён, ключей, подразделений и т.д. не связаны
напрямую с целями системы и являются техническими, служащими
сервисами для других справочников системы. Они также могут быть
выражены в виде шкал порядка, если их ранжировать по алфавиту,
порядку возрастания номеров и т.д. Но такое упорядочение не очень
пригодно.
116
Таким образом, можно сделать вывод, что поскольку любая
функциональная, процессная и т.д. модель, построенная по
методологи SADT, может быть представлена в виде сложного
справочника, то, соответственно, она может быть представлена как
шкала для измерения некоторого свойства, связанного с назначением
(целью) моделируемой системы или её части. Следовательно,
существует связь между семантическими понятиями предметной
области и средствами измерения их системных свойств посредством
механизма шкал.
5.5. Контрольные вопросы
1) Что характеризует погрешность измерения?
2) Дайте определение измерительной шкалы?
3) Какие основные свойства характеризуют измерительные
шкалы?
4) Что такое упорядоченность шкалы?
5) Чем отличаются номинальные шкалы от порядковых?
6) Чем отличаются интервальные шкалы от шкал разностей?
7) Почему абсолютные шкалы так названы?
8) В каких видах шкал присутствует фиксированная нулевая
точка?
9) В каких видах шкал присутствует интервальность?
10) Какая наука изучает количественную оценку качества
объектов реального мира?
11) Каков объект квалиметрии?
12) Каков алгоритм качества в квалиметрии?
13) Чем показатель качества отличается от оценки качества?
14) Каким образом связаны функциональные модели IDef0 и
справочники?
15) С помощью какого вида шкалы можно измерять
функциональную модель IDef0?
117
6. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
6.1. Системный анализ как метод исследования
6.1.1. Особенности системного анализа. После изучения
понятия «система», принципов функционирования сложных систем,
подходов к их моделированию и измерению, появляется возможность
рассмотреть системный анализ как метод для получения новых
знаний о сложных системах. В этой роли системный анализ
представляет собой достаточно формализованную технологию
рассмотрения сложного объекта, включающую определённый набор
конкретных этапов и шагов. При исследовании сложных систем
принято использовать два подхода (рис.61), акцентируя один из них в
зависимости от требований ситуации:
 Индукцию («от простого к сложному»). Сначала изучаются
свойства отдельных частей системы – элементов, а уже на основе
знания об их свойствах делается вывод о свойствах системы.
 Дедукцию («от сложного к простому»). Сначала изучаются
свойства всей системы, уже на основе этого знания делаются выводы
о свойствах элементов.
Э1
Э1
Э2
…
Системное
свойство
Системное
свойство
Эn
Э2
…
Эn
Индукция
Дедукция
Рис.61. Подходы к исследованию
Эффективность системного анализа повышается в зависимости
от увеличения сложности исследуемой системы, но при условии
четкой формулировки единых системных целей при взаимосвязанном
рассмотрении важных сторон системы. Системный анализ
118
основывается на поиске конкретных механизмов целостности объекта
и выявлении пространственного и логического размещения его
связей.
6.1.2. Характеристика основных подходов, используемых в
системном анализе
В системном анализе используются следующие основные
подходы:
1. Системный подход – направление методологий исследования,
предполагающее рассмотрение объекта как множества элементов в
совокупности отношений и связей между ними с учётом свойства
целостности.
Основными характеристиками системного подхода являются
целостность,
иерархичность
строения,
структуризация,
множественность и системность, рассмотренные выше.
2. Структурный
подход
–
направлениие
методологий
исследования, предполагающее изучение структуры и функций
системы с учётом зависимости между ними.
3. Интегральный
подход
–
направление
методологий
исследования, предполагающее многоаспектный анализ сторон,
свойств, функций, структуры и внешних взаимосвязей системы и
выявление наиболее значимых из них.
4. Конструктивный подход – направление методологий
исследования, предполагающее рассмотрение системы в виде
объекта, преобразующего входы в выходы по некоторым законам
5. Проблемный
подход
–
направление
методологий
исследования, опирающееся на понятие проблемы, как противоречия
между целями, свойствами, функциями или состояниями системы и
методы разрешения подобных проблем.
6. Ситуационный подход – направление методологий
исследования, основанное на методах планирования типовых
ситуаций и сценариев управления ими, а также методов определения
прчинно-следственных связей.
7. Морфологический подход – направление методологий
исследования, предполагающее точное формальное определение
119
некоторой проблемы с выявлением множества его решений и
основанное
на
применении
методов
морфологического
моделирования
8. Инновационный подход – направление методологий
исследования, предполагающее выявление экономически значимых
новшеств и внедрение их в реальные бизнес-процессы организаций с
целью повышения их эффективности (как правило, речь идёт об
экономической эффективности).
9. Целеориентированный подход – направление методологий
исследования, предполагающее структурную декомпозицию целей
системы для выяснения целей и задач отдельных подсистем и
элементов системы.
10. Нормативный подход – направление методологий
исследования, основанных на рационализации и унификации
применяющихся методов и технологий, а также на управлении
требованиями к системам и процессам.
6.1.3. Принципы (закономерности) системного анализа.
Системный анализ предоставляет исследователю удобную и
эффективную схему решения проблемы практики за счёт
всестороннего изучения объекта исследования как системы. Для
использования
этой
схемы
исследования
необходимо
руководствоваться следующими принципами:
1) Принцип конечной цели утверждает приоритет конечной
(глобальной) цели системы. Он утверждает, что цель системы – это
система целей её подсистем и элементов: сначала основная цель
определяет подцели, а затем их достижение обеспечивает достижение
основной цели (рис.62).
120
1) определяет
Цель
2) обеспечивается
Подцель 1
Подцель 2
Рис.62. Схема формирования основной цели
Например, сначала заведующий кафедрой формирует план
работы кафедры, направленный на достижение целей вуза
(системы), а преподаватели выполняют этот план, способствуя
достижению целей кафедры (подсистемы).
Принцип раскрывается через следующие правила:
 перед проведением системного анализа необходимо
сформулировать цель исследования;
 анализ следует вести после выяснения основной цели,
функции или основного назначения исследуемой системы;
 при исследовании любые изменения системы должны
оцениваться относительно того способствуют или препятствуют они
достижению конечной цели;
 цель функционирования искусственной системы задается
системой, для которой исследуемая система является элементом.
Примечание – нижестоящие цели подчиняются вышестоящим.
121
2) Принцип измерения. Измерять параметры функционирования
системы можно только на основе сопоставления их с параметрами
системы более высокого порядка, выступающей в роли шкалы.
Влияние количественных характеристик
колеса на качество автомобиля можно
измерить на конкретном автомобиле по
итогам пробной езды
Но дешевле и проще сопоставить их со
шкалой характеристик, сформированной
по результатам езды многих автомобилях
на подобных колёсах
Рис.63. Измерение эффективности подсистемы на примере автомобиля
Для определения эффективности функционирования системы
надо представить её как часть более общей и проводить оценку
общих свойств исследуемой системы относительно целей и задач
данной надсистемы (рис.63).
Например, для оценки достижений кафедры необходимо
измерить их по шкале, сформированной для многих кафедр вуза
(определить рейтинг) и определить место кафедры на шкале заслуг.
Признак, по которому производится сравнение, называется
мерой.
Примечание
 в ряде случаев, в частности в физике, метрологии и т.д.,
измерение параметров производится при помощи сравнения с
эталонами;
 при научных исследованиях сравнение нового знания
(методик, моделей и т.д.) производится с уже известными,
нашедшими подтверждение на практике.
Данный принцип можно считать эквивалентным утверждению,
что «всё познаётся в сравнении».
3) Принцип эквифинальности. Система может достигнуть
требуемого конечного состояния, не зависящего от времени и
определяемого собственными характеристиками системы при
122
различных начальных и граничных условиях, различными путями.
Это свойство означает сохранение устойчивости системы в течение
определённого времени в определённом пространстве (рис.64).
Горы
Путь 1 Восхождение
Конечное
состояние
Начальное
состояние
Путь 2 Подкоп
Путь 3 Обход
Рис.64. Способы достижения одного результата
Например, по одному и тому же профилю можно обучаться и
очно, и заочно, и на очно-заочной форме обучения.
4) Принцип единства означает совместное рассмотрение
системы, и как целого, и как совокупности её элементов.
Например, учебная группа с одной стороны является
самостоятельной единицей (целостностью), а с другой – объектом,
состоящим из студентов (элементов).
5) Принцип связности. Рассмотрение любой части системы
совместно с её окружением подразумевает проведение процедуры
выявления связей между элементами системы и выявление связей с
внешней средой (учет внешней среды) (рис.65).
123
Входы
Связи с
внешней
средой
Надсистема
Управления
ПО
Внутренние
связи
Выходы
Механизмы
ПО – предметная область
Рис.65. Рассмотрение системы совместно с её окружением
Например, «лаборатория», как часть системы «кафедра»,
связана, помимо элементов системы, с такими сущностями внешней
среды как «источники электроэнергии», «сервера университета» и
т.д.
6) Принцип модульного построения утверждает, что полезно
выделение модулей (подсистем) в системе и рассмотрение её как
совокупность этих модулей (подсистем) (рис.66). Принцип указывает
на возможность исследования части системы с учётом совокупности
её входных и выходных связей с выходными модулями
(подсистемами).
В этом случае можно исследовать свойства модулей (подсистем)
через свойства элементов, входящих в неё.
Модули (подсистемы) экономической информационной системы
можно поделить на следующие типы:
 средства производства (основные фонды);
 предметы труда (оборотные средства предприятия);
 производительные силы (кадровый ресурс);
124
Самолёт
Силовая
установка
Системы
управления
Планер
Фюзеляж
Иные
элементы
Другие
модули
Крылья
Рис.66. Модульная схема самолёта
Например, система «факультет» состоит из подсистем
«кафедр», а «кафедры», в свою очередь, состоят из «лабораторий» и
т.д.
7) Принцип иерархии гласит, что полезно введение иерархии
частей и их ранжирование, поскольку это упрощает разработку
системы и устанавливает порядок рассмотрения частей. Кроме того,
появляется возможность исследовать общие свойства связей между
уровнями (вертикальные связи) и между элементами, находящимися
на одном уровне (горизонтальные связи). Иерархия позволяет решать
проблемы перехода количественных изменений в качественные за
счёт определения границ между уровнями (рис.67).
Понятие «иерархии» связано с понятием «декомпозиции», т.е. с
разделением системы на элементы, при котором полученные
элементы несут часть целостных свойств декомпозируемой системы.
Молекула
1
Молекула
2
Структура
вещества
Кристаллическая
структура
молекулы
Планетарная
структура
атома
Уровень
иерархии 1
Уровень
иерархии 2
Уровень
иерархии 3
Рис.67. Уровни иерархии на примере физического строения вещества
125
Например, уровни иерархии вуза или любой другой организации.
8) Принцип функциональности состоит в том, что цель
искусственной системы достигается через её функционирование, т.е.
цель определяет функциональное назначение системы, а структура и
элементы определяют функции и функционирование системы
(рис.68).
назначение
Система
определяет
обеспечивают
цель
Э1
Э3
функционирование
Э2
Рис.68. Схема принципа функциональности
Помимо
структурных
моделей
системы
существуют
функциональные
модели,
позволяющие
оценивать
её
функциональность. Нередко эти модели объединяются в одну –
структурно-функциональную модель.
Например, для достижения цели, связанной с получением новых
знаний, студенту необходимо принять участие в функционировании
учебного процесса.
126
9) Принцип развития указывает на свойство изменчивости
систем со временем. Такие изменения могут происходить в сторону
улучшения показателей эффективности системы. В этом случае
система называется развивающейся. Если же изменение показателей
системы происходит в сторону ухудшения, то её называют
деградирующей. Любые системы обладают жизненным циклом, в
ходе которого они зарождаются, развиваются, деградируют и
разрушаются (рис.69). Для систем свойственен этап стабильного
функционирования, когда процессы развития и деградации
уравновешиваются.
Эффективность
системы
Точка
гибели
Точка
зарождения
t, время
развитие
(взросление)
стабильное
функционирование
(зрелость)
деградация
(старение)
Рис.69. Жизненный цикл искусственной системы
Например, технические специальности зарождаются по мере
появления новых технических систем, развиваются и на
определённом этапе могут быть закрыты в связи с отказом от
таких систем, т.е. погибнуть.
127
10) Принцип децентрализации указывает на то, что при
сочетании
в
сложных
системах
централизованного
и
децентрализованного управления степень централизации должна
стремиться к минимальной, но быть достаточной для обеспечения
выполнения поставленной цели. Следовательно, система более
эффективна при минимально необходимой для достижения цели
степени централизации (рис.70)
Эффективность
управления
системой
Степень
централизации
Rопт – оптимальная степень
централизации
Рис.70. Зависимость эффективности управления от централизации
Например, рациональная степень централизации для кафедры
вуза ближе к минимуму, чем к максимуму, а для военной части
постоянной готовности – наоборот.
11) Принцип неопределенности заключается в учете
неопределенностей и случайностей в системе. Принцип утверждает,
что в системе могут быть определены не все структурные связи и
элементы, функции или внешние воздействия, но при этом она может
достигать своей цели.
Человек может приходить к верному решению, не располагая
всеми знаниями в предметной области. Любое исследование
позволяет собрать лишь некоторый, обычно небольшой процент
информации об его объекте. Тем не менее, это не мешает человеку
выявлять объективные законы вселенной.
Например, ни один студент не может полностью владеть
всеми знаниями о предметной области, но может успешно сдавать
экзамены, демонстрируя удовлетворяющие преподавателя знания.
128
6.2. Онтологический аспект системного анализа
6.2.1. Понятие онтологии в информатике. Понятие онтологии
возникло в философии. Характерной чертой онтологического анализа
является разделение объектов на классы и определение их онтологий,
или же совокупности фундаментальных свойств, которые определяют
их изменения и поведение [8].
Онтология – методология формализации некоторой области
знаний с помощью концептуальной схемы, включающей структуру
данных, релевантные классы объектов, их связи, правила и
ограничения, принятые в этой сфере. Широко применяется в
программировании и в моделировании бизнес-процессов как форма
представления знаний о реальности.
Онтология проектирования – это формализованное описание
знаний субъектов проектирования о процессе проектирования новых
или модернизаций уже известных объектов, включая знания о самом
объекте проектирования и также тезаурус предметной области [36].
Хотя термин «онтология» изначально философский, в
информатике он принял самостоятельное значение. Здесь есть два
существенных отличия:
– онтология в информатике должна иметь формат, который
компьютер сможет легко обработать;
– информационные онтологии создаются всегда с конкретными
целями – решения конструкторских задач; они оцениваются больше с
точки зрения применимости, чем полноты [9].
Онтологии могут быть специализированными (предметноориентированными), представляя в этом случае только некоторую
ограниченную сферу знаний и общими.
Специалзированная онтология содержит специальные для этой
сферы значения понятий. Например, понятие «кран» в
строительстве означает подъёмный механизм, а в сфере
сантехнических работ – механизм, ограничивающий подачу воды.
129
Общая онтология используются для общих понятий. Такая
онтология содержат основной набор понятий и глоссарий (тезаурус),
в котором они описаны.
Глоссарий – словарь узкоспециализированных терминов в
какой-либо отрасли знаний с толкованием, иногда переводом на
другой язык, комментариями и примерами. Тезаурус – особая
разновидность словарей общей или специальной лексики, в которых
указаны семантические отношения (синонимы, антонимы, паронимы,
гипонимы, гиперонимы и т. п.) между лексическими единицами [9].
Язык описания онтологий — формальный язык, используемый
для кодирования онтологии [9]. Существуют следующие виды языков
описания онтологий:
 традиционные языки спецификации онтологий: Ontolingua,
CycL;
 языки, основанные на дескриптивных логиках (такие как
LOOM);
 языки, основанные на фреймах (OKBC, OCML, F-Logic);
 языки, основанные на Web-стандартах (XOL, SHOE, UPML);
 современные языки для обмена онтологиями через Web (RDF,
RDFS, DAML+OIL, OWL) [31].
6.2.2. Стандарт онтологического исследования IDEF5. IDEF5
(Ontology Description Capture) – стандарт онтологического
исследования сложных систем. Методология IDEF5 обеспечивает
наглядное представление данных, полученных в результате обработки
онтологических запросов в простой естественной графической форме.
Онтологический анализ обычно начинается с составления
словаря терминов (см. стр. 168), который используется при
обсуждении и исследовании характеристик объектов и процессов,
составляющих рассматриваемую систему, а также создания системы
точных определений этих терминов. Кроме того, документируются
основные логические взаимосвязи между соответствующими
130
введенным терминам понятиями. Результатом этого анализа является
онтология системы, или же совокупность словаря терминов, точных
их определений взаимосвязей между ними. При построении
онтологии должны быть выполнены следующие задачи:
1) создание и документирования словаря терминов (глоссария);
2) описание правил и ограничений, согласно которым на базе
введенной терминологии формируются новые достоверные
утверждения, описывающие систему;
3) построение модели, которая на основе существующих
утверждений, позволит сформировать новые утверждения.
Анализ глоссария
Глоссарий
правила
Модель
поведения
ограничения
Рис.71. Схема построения онтологии
При рассмотрении каждой системы существует огромное
количество утверждений, достоверно отображающих ее состояние в
различных разрезах, а построенная онтологическим способом модель
должна выбирать из них наиболее полезные для эффективного
рассмотрения в том или ином контексте. Дополнительно, эта модель
помогает описывать поведение объектов и соответствующее
изменение взаимосвязей между ними, или, другими словами,
поведение системы. Следовательно, онтология представляет собой
словарь данных, включающий в себя и терминологию, и модель
поведения системы.
6.2.3. Концепции и язык описания онтологий в IDEF5.
Процесс построения онтологии, согласно методологии IDEF5 состоит
из пяти основных действий:
131
1) изучение и систематизирование начальных условий, при
котором формируются основные цели и контексты проекта
разработки онтологии, определяются роли между членами проекта;
2) сбор и накапливание данных для построения онтологии;
3) анализ данных, заключающийся в группировке собранных
данных для облегчения построения терминологии;
4) начальное развитие онтологии, в ходе которого формируется
предварительная онтология, на основе отобранных данных;
5) уточнение и утверждение онтологии заверщающие процесс
построеня онтологии.
Обозначения классов,
отдельных элементов
Обозначение класса:
Обозначение
отдельного элемента:
Обозначение взаимосвязей и
изменения состояния
Обозначение первичных взаимосвязей:
1) Взаимосвязь многие со многими
2) Взаимосвязь двух классов
Обозначение процессов,
соединений и перекрестков
Обозначение процесса
Обозначение соединений:
Обозначение вторичных взаимосвязей
между классами:
Обозначения изменения состояния:
1) Медленное изменение
Обозначение перекрестков:
2) Быстрое изменение
3) Мгновенное изменение
Рис.72. Схематические графические изображения IDEF5 [8]
Для поддержания процесса построения онтологий в IDEF5
существуют специальные онтологические языки: схематический язык
(Schematic Language-SL) и язык доработок и уточнений (Elaboration
Language-EL). SL является наглядным графическим языком,
специально предназначенным для изложения компетентными
специалистами в рассматриваемой области системы основных данных
132
в форме онтологической информации. EL представляет собой
структурированный текстовой язык, который позволяет детально
характеризовать элементы онтологии (рис.72).
Язык SL позволяет строить разнообразные типы диаграмм и
схем в IDEF5. Основная цель всех этих диаграмм – наглядно и
визуально представлять основную онтологическую информацию.
6.2.4. Виды схем и диаграмм IDEF5. Существует четыре
основных вида схем, которые используются для накопления
информации об онтологии в графической форме.
Таблица 5
Виды онтологических схем
Название схемы
Диаграмма классификации
Композиционная схема
Схема взаимосвязей
Диаграмма состояния объекта
Характеристика
Определяет связи между классами и элементами классов
Демонстрирует набор элементов в классе
Определяет связи между классами в системе
Характеризует связи между состояниями объекта
Диаграмма классификации. Обеспечивает механизм для
логической систематизации знаний, накопленных при изучении
системы. Существует два типа таких диаграмм: диаграмма строгой
классификации и диаграмма естественной (видовой) классификации.
Диаграмма
строгой
классификации
отличается
тем,
что
определяющие свойства классов высшего и всех последующих
уровней являются необходимым и достаточным признаком
принадлежности объекта к тому или иному классу (рис.73).
Посуда
Блюдо
Стакан
Пиала
Рис.73. Пример онтологии
133
Диаграммы естественной классификации или же диаграммы
диаграмма естественной, наоборот, не предполагают того, что
свойства класса являются необходимым и достаточным признаком
для принадлежности к ним тех или иных объектов. В этом виде
диаграмм определение свойств класса является более общим.
Композиционная схема. Композиционные схемы являются
механизмом графического представления состава классов онтологии.
Композиционные схемы позволяют наглядно отображать состав
объектов, относящихся к тому или иному классу.
Схема взаимосвязей. Схемы взаимосвязей предназначены для
визуализации и изучения взаимосвязи между различными классами
объектов в системе. В некоторых случаях схемы взаимосвязей
используются для отображения зависимостей между самими же
классовыми взаимосвязями. В основу развития таких схем положено
правило об изучении новой или плохо понимаемой взаимосвязи за
счёт соотнесения её с изученной взаимосвязью.
Диаграмма состояния объекта. Диаграмма состояния объекта
позволяет документировать тот или иной процесс с точки зрения
изменения состояния объекта (рис.74).
Выплавка
и закалка
Желез
о
Сталь
Рис.74. Пример диаграммы состояния
В происходящих процессах могут произойти два типа изменения
объекта: объект может поменять свое состояние или класс. Между
этими двумя видами изменений не существует принципиальной
разницы: объекты, относящиеся к определенному классу K в
начальном состоянии в течение процесса, могут просто перейти к его
134
дочернему или просто родственному классу. Однако при формальном
описании процесса, во избежание путаницы, целесообразно разделять
оба вида изменений, и для такого разделения используется
обозначения следующего вида: «класс: состояние». Таким образом,
диаграммы состояния в IDEF5 наглядно представляют изменения
состояния или класса объекта в течение всего хода процесса.
6.2.5. Онтологическое
представление
классификации
системных понятий. Рассмотрим верхний уровень онтологической
схемы научного знания представленного на рис.75.
Научное
знание
Философия
Синергетический
подход
Общенаучное
знание
Системный
подход
Информационный
подход
Системное
мышление
Теория
систем
Дедукция
Прикладные
науки
Индукция
Системный
анализ
Синтез
Анализ
Серым цветом обозначены понятия, онтологическая декомпозиция
которых рассмотрена в данном пособии
Рис.75. Верхний уровень онтологической схемы научного знания
Таким образом, онтология научного знания в срезе системного
подхода может быть построена. Рассмотрим отдельно онтологические
135
схемы для теории систем и системного анализа (рис.76).
Теория
систем
Классификац
ия систем
Системные
законы
Системные
свойства
Система
Вероятностные
Виртуальные
Гетерогенные
Структура
Элемент
Гомогенные
Гомоморфизм
Деградирующие
Интегративно
е свойство
Подобие
систем
Изоморфизм
Детерминированные
Полиморфизм
Естественные
Искусственные
Симметрия
Иерархия
Целостность
Закрытые
Идеальные
Деградация
Неравновесные
Гомеостаз
Развитие
Организационные
Открытые
Функционирование
Внешняя
среда
Развивающиеся
Равновесные
Стабильные
Целеориентированные
Сложность
Функционально
сть
Организованно
сть
Ценностноориентированные
Серым цветом обозначены понятия, онтологическая
декомпозиция которых рассмотрена в данном пособии
Рис.76. Онтологическая схема теории систем
136
Тогда онтологическая
следующей (рис.77):
схема
системного
анализа
будет
Системный
анализ
Постановка
задачи
Анализ
системы
Предметн
ая область
Оптимизац
ия
Методы
исследования
Объект
исследования
Моделирование
Модель
Классификация моделей
Функциональ
ная модель
Синтез
системы
Семантическ
ая модель
Оценка
системы
Реинжинир
инг
Метод
потока
Мнемоничес
кая схема
ценности
Структурная
модель
Процессная
модель
Онтологичес
кая модель
Серым цветом обозначены понятия, онтологическая декомпозиция
которых рассмотрена в данном пособии
Рис.77. Онтологическая схема системного анализа
6.3. Гносеологический и структурный аспекты системного
анализа
Как метод познания системный анализ представляет собой
совокупность методов и методик, позволяющих сузить предметную
область до удобного для исследователя уровня.
На начальном уровне формируется семантическая мера «цель
исследования», очерчивающая только необходимый исследователю
круг задач. Затем определяется новая семантическая мера «точка
137
зрения», которая позволяет решать задачи исследования с позиций
тех или иных действующих лиц. Для познания закономерностей,
действующих в исследуемой системе, используются различные
методы моделирования. Результаты моделирования аккумулируются
в общую модель, представляющую систему в удобном для
исследователя виде, дальнейшее изучение которой позволяет познать
саму систему.
В структурном аспекте можно выделить следующие этапы
системного анализа:
 постановка задачи исследования (декомпозиция): выделение,
определение цели и критериев функционирования объекта
исследования и определение его наиболее важных аспектов (рис.78);
Предметная область
Область, ограниченная целью
исследования
Область, ограниченная точкой
зрения
Решение
задачи
Рис.78. Сужение предметной области для поиска решения при системном
анализе
 проведение системного исследования (анализ): изучение
свойств объекта исследования с помощью методов моделирования
(построения одной или комплекса моделей: от структурной до
параметрической);
 создание формализованного представления о системе
(синтез): обобщение информации, полученной при анализе, в виде
формализованной модели системы, создание стратегии улучшения
(оптимизации) объекта исследования на практике;
138
 оценка полученного результата (проверка): обобщение
результатов оптимизации и формирование выводов о степени
достижения целей исследования или принятие решения о возврате на
одну из предыдущих стадий системного анализа.
В процессе функционирования системы выявляется проблема
практики как несоответствие существующего положения дел
требуемому. Для решения проблемы проводится системное
исследование (декомпозиция, анализ и синтез) системы (рис.79).
Функционирование
Физическая система,
включающая проблему практики
Декомпозиция
Анализ
Анализируемая система
(детальное представление)
Оценка
качества
модели
(проекта)
Синтез
Реализация
Формализованная модель
системы (проект)
Оценка качества исследования
Положительный результат
Анализируемая система
(общее представление)
Предлагаемая система
Рис.79. Анализ и синтез при системном анализе
Декомпозиция используется для локализации необходимой для
исследования части окружающего мира в виде системы и
формулирования задачи исследования. В ходе анализа выявляются
основные свойства системы, которые интересуют исследователя в
контексте решаемой при помощи системного анализа задачи. Для
анализа могут использоваться различные методы моделирования.
Синтез заключается в обобщении полученных при анализе знаний в
виде некоторого формализованного представления о системе
(модели): информационной, функциональной, динамической и т.п.
139
В результате синтеза формируется формализованная модель
системы, с помощью которой осуществляется аспектная оценка
анализируемой системы. Если проверка проходит успешно, то
формализованная модель становится проектом новой предлагаемой
системы, в которой задача практики предполагается решенной.
Реализация проекта предлагаемой системы позволяет провести
оценку степени снятия проблемы практики и принять решение об
успешном окончании системного исследования, об уточнении модели
системы или, в худшем случае, о повторении системного
исследования в другом аспекте.
Сталкивается с…
Проблема
практики
Ставит …
Задача
исследования
Приводит к сбору…
Реальная
система
Знания,
полученные
при изучении
системы и её
моделей
Знания о
системе
Служит проектом
совершенствования…
Системная
модель
Оптимизация
Проверка
различных схем
оптимизации
Аккумулируются в…
Рис.80. Схема системного анализа с использованием системной модели
Такой подход позволяет сформировать вектор исследования,
направленный на всестороннее изучение реальной проблемы и
обобщение результатов этого изучения в виде особого
формализованного представления – модели системы (или системной
модели), представляющий собой и объект для дальнейшего изучения
и проект будущей реальной системы одновременно (рис.80). Таким
образом, вопрос формирования и исследования системной модели
приобретает особый смысл. Важным аспектом этого подхода к
системному анализу является возможность улучшения системы на
140
основании экспериментов с системной моделью, поэтому он
становится наиболее распространённым.
Обобщённо схема системного анализа в виде функциональной
модели представлена на следующем рис.81.
Таким образом, образом системный подход является важным
общесистемным понятием и методом, применяемым в научных
исследованиях, а системный анализ является конкретной научной
методологией извлечения знаний.
Методика анализа, синтеза и оптимизации систем, а также знания исследователя
Существующая
проблема
в предметной
области
Выполнить
постановку задачи
Формулировка
задачи
исследования,
целей, границ
и ограничений
исследуемой системы
Провести анализ
предметной
области по
аспектам
Сведения
о закономерностях,
наиболее значимых
для системы
Синтезировать
стратегию
решения
проблемы
Знания
о предметной
области
Стратегия
решения
проблемы
Провести
стратегию на
практике
Исследователь
Правило
(прецедент)
решения
проблемы
Подтверждение
правильности
выбранной
стратегии
Сведения
об ошибках
в стратегии
решения
проблемы
Рис.81. Функциональная модель системного анализа организованной системы
Применим методологию системного анализа для изучения самой
этой методологии. Для этого оценим по шагам эту методологию.
141
6.4. Этапы системного анализа
6.4.1. Выявление проблемы практики для системного
исследования. Первым шагом в системном анализе является
идентификация проблемы в предметной области (проблемы
практики), которая определяет элемент предметной области –
систему, которую следует исследовать. Далее система выделяется из
окружающей среды, определяются цели и критерии её
функционирования, перечень наиболее существенных ограничений,
накладываемых на её функционирование. Система декомпозируется
на наиболее значимые её компоненты, которые ранжируются на
элементы и подсистемы. Затем намечаются наиболее важные аспекты,
в которых на следующем этапе система будет анализироваться.
Структурно схема этапа постановки задачи представлена на
рис.82:
Методика анализа, синтеза и оптимизации систем, а также знания исследователя
Существующая
проблема
в предметной
области
Выделить из
среды систему
для которой будет
проводиться
исследование
Представление
о границах
системы
Определить задачи,
цели, критерии
функционирования
системы, а также
важнейшие
ограничения
Задачи, цели, критерии
функционирования
и ограничения
исследуемой системы
Знания
о предметной
области
Структурировать
систему и
определить
аспекты
дальнейшего
исследования
Задачи
исследования
Формулировка
задачи
исследования,
целей,
границ
и ограничений
Исследуемой
системы
Исследователь
Рис.82. Функциональная модель постановки задачи системного анализа
6.4.2. Модель предметной области
Предметная область – множество всех объектов, явлений и
процессов, свойства и отношения между которыми рассматриваются
в научной теории. Например, для системы планирования ресурсов
142
учебного процесса предметной областью является образовательная
деятельность вуза.
Модель предметной области – система, имитирующая
структуру или функционирование исследуемой предметной области и
отвечающая основному требованию – быть адекватной этой области.
К моделям предметных областей предъявляются следующие
требования:
 формализация, обеспечивающая однозначное описание
структуры предметной области;
 доступность для понимания заказчиками и разработчиками на
основе применения графических средств отображения модели;
 осуществимость,
подразумевающая
наличие
средств
физической
реализации
модели
предметной
области
в
информационной системе;
 обеспечение возможности для оценки эффективности
реализации модели предметной области на основе определенных
методов и вычисляемых показателей.
143
6.4.3. Постановка задачи системного исследования. При
постановке задачи системного анализа осуществляется выявление
конечной цели, т.е. формализация пожеланий заказчика в виде
конкретных требований (рис.83). Для постановки задачи системного
анализа обязательно участие двух сторон: заказчика (лица
принимающего решения) и исполнителя данного системного проекта.
От заказчика требуется произвести анализ системы, которой он
управляет, сформулировать цели и оговорить возможные варианты
действий.
Заказчик
Формулировка
задачи
Исполнитель
Результаты
анализа системы
Рис.83. Взаимодействие при постановке задачи
На этом этапе должны быть установлены и зафиксированы
понятия эффективности деятельности системы. В соответствии с
принципами системного подхода необходимо учесть максимальное
число связей, как между элементами системы, так и по отношению к
внешней среде. Исполнитель-разработчик не должен иметь
профессиональные знания процессов, которые являются главными.
Но обязательно наличие таких знаний у заказчика – руководителя или
администратора системы. Заказчик должен знать – что надо сделать, а
исполнитель – специалист в области системного анализа – как это
сделать. Единственно верный путь – налаживать диалог между ними.
При проектировании искусственных объектов часто возникает
проблема несоответствия между желаемым и существующим
состоянием, между целью и результатом (рис.84).
Цель
Анализ
Реализация
Выработка
алгоритма
Появление
отклонений
(ошибок)
Рис.84. Схема создания искусственных систем
144
Результат
Причин, порождающих эту проблему, может быть несколько:
 нехватка ресурсов для достижения цели;
 непредвиденные воздействия окружающей среды;
 непредвиденное взаимодействие элементов внутри системы и
т.д.
Из рисунка видно, что создание искусственной системы –
итерационный процесс, т.е. достижение результата в виде
искусственной системы нужного вида с первого раза маловероятно.
Проблемы, приводящие к возникновению дополнительных
итераций при создании искусственных систем, появляются по
следующим причинам:
 цели не могут быть выражены количественно и задаются
семантически;
 неизвестен, не существует или не эффективен алгоритм
достижения цели;
 информация, используемая при создании искусственной
системы неполная, неоднозначная, противоречивая или ошибочная;
 могут существовать ограничения по ресурсам и т.д.
Рассмотрим другие проблемы этапа постановки задачи
системного анализа:
Проблема согласования целей. В большинстве случаев,
показателем полноты достижения цели системы служит показатель
стоимости (рис. 85). Выбор критерия эффективности системы,
является заключительным этапом формулировки целей и задач
системы. От этого этапа будут зависеть наши представления о
свойствах системы и результаты системного анализа.
145
Система с несогласованными целями
Система с согласованными целями
Цели отдела 3
Цели отдела 4
Общая цель организации
(максимум прибыли)
Цели отдела 1
Цели отдела 1
Цели отдела 2
Общая цель организации
(максимум прибыли)
Цели отдела 2
Цели отдела 3
Цели отдела 4
Рис.85. Пример систем с согласованными и несогласованными целями
Проблема оценки связей в системе. В экономических системах
принято выделять три типа связей с внешней средой: продукция,
деньги, информация. При постановке задачи возникает проблема
согласования этих несопоставимых по размерностям показателей,
поскольку без такого согласования невозможно установить единый
показатель эффективности системы в целом (рис.86).
Информация (байт)
Разнонаправленные
каналы с различной
размерностью
Деньги (руб.)
Продукция (шт.)
Область желаемого
нахождения потоков
Рис.86. Проблема согласования различных потоков различной размерности
146
Проблема оценки связей заключается в том, что количества
продукции, суммы денег и показатели информационных потоков в
каналах связи системы имеют стохастичную, вероятностную природу
– их значения в данный момент времени нельзя предсказать
абсолютно надежно. Поэтому при системном анализе часто
приходится иметь дело не с конкретными значениями величин, не с
заранее определенными событиями, а с их оценками по прошлым
наблюдениям или по прогнозам на будущее. Отсюда возникает
необходимость использования специальных, большей частью
прикладных, методов математической статистики.
6.4.4. Анализ исследуемой системы. Следующим этапом
системного анализа является изучение свойств объекта исследования
с помощью методов моделирования (построения одной или
комплекса моделей: от структурной до параметрической).
Как правило, для получения знаний о системе, на основании
которых в дальнейшем формируется стратегия её улучшения
(оптимизации), используются методы моделирования различных
аспектов предметной области.
Структурно схему этапа анализа исследуемой системы и причин
проблемы можно проиллюстрировать следующей схемой (рис.87):
Сведения
об ошибках
в стратегии
решения
проблемы
Формулировка
задачи
исследования,
целей,
границ
и ограничений
исследуемой
системы
Методика анализа, синтеза и оптимизации систем, а также знания исследователя
Выбрать
средства для
моделирования
исследуемой
системы
Решение
о средствах
и целях
моделирования
Знания
о предметной
области
Провести
исследование с
помощью
различных средств
моделирования
Результаты
моделирования
Определить
закономерности,
являющихся
наиболее
значимыми для
системы
Сведения
о закономерностях,
наиболее
значимыми
для системы
Исследователь
Рис.87. Функциональная модель анализа исследуемой системы
147
В результате анализа формируется представление о следующих
характеристиках системы:
 структура и наиболее важные элементы;
 принципы функционирования;
 принципы сохранения устойчивости системы;
 наиболее важные параметры составляющие гомеостаз;
 основные системные закономерности, которые следует
учитывать при формировании комплексной модели;
 важнейшие ограничения, связанные с функционированием.
6.4.5. Синтез
системной
модели.
После
накопления
достаточного знания о системе и её особенностях, методология
системного анализа требует синтеза этих знаний в виде
интегрального формализованного представления (системной модели)
и формирования на её основе стратегии улучшения системы (рис.88).
В данной связи особенно важно правильно интерпретировать
полученные при анализе знания, поэтому при синтезе нередко
возникает необходимость вернуться к стадии анализа и рассмотреть
систему в каком-либо новом аспекте.
148
Сведения
о закономерностях,
наиболее
значимыми
для системы
Формулировка
задачи
исследования,
целей, границ
и ограничений
исследуемой системы
Методика анализа, синтеза и оптимизации систем, а также знания исследователя
Обобщить сведения
о закономерностях
функционирования
исследуемой системы
в структурной модели
Структурная
модель
исследуемой
системы
Сведения
об ошибках
в стратегии
решения
проблемы
Выбрать подход к
решению
проблемы
практики на
основе методов
оптимизации с
использованием
структурной
модели
Решение о
выбранном
методе
оптимизации
Провести
эксперименты
над структурной
моделью
Знания
о предметной
области
Результаты
исследования
структурной
модели
Сформировать
стратегию
решения
проблемы
практики
Стратегия
решения
проблем
Исследователь
Рис. 88. Функциональная модель этапа синтеза стратегии улучшения
(рационализации) системы
Для изучения накопленной информации о функционировании
системы
требуется формы представления и хранения этой
информации. Современный системный анализ предлагает множество
методик синтеза знаний в виде различных интегральных моделей. Для
организованных систем, к числу которых относятся все виды
организаций, коллективов, команд и групп наибольшие возможности
для создания корректной системной модели предоставляет
методология SADT.
Системная модель организованной системы включает
множество составляющих: в структурном, информационном,
семантическом, лингвистическом, математическом и других
представлениях. При этом для управления организованной системой
на основе системной модели она должна иметь следующие свойства:
 интегрировано
описывать
структуру
процессов
организованной системы;
 давать информацию об информационных потоках внутри и
между процессами организованной системы;
149
 позволять прогнозировать реакцию организованной системы
как системы управления на те или иные управляющие воздействия,
выраженные в виде целей конкретных процессов;
 иметь механизмы самоадаптации, как к незначительным, так
и структурным изменениям внутри системы.
Технология создания системной модели организованной
системы представляет собой следующие действия:
 разделение всех видов деятельности в организованной
системе на процессы или бизнес-процессы;
 формализация каждого из них и взаимодействия между ними;
 выделение внутри бизнес-процессов подпроцессов и
формализация каждого из них и взаимодействия между ними
 продолжение декомпозиции до уровня, достаточного для
проводимого исследования.
Эта технология – методология структурного анализа SADT,
реализующая стандарт IDef0 [17].
6.4.6. Подходы к улучшению исследуемой системы.
Системный анализ предполагает не только изучение проблемы
практики, но и создание методики её преодоления. Таких методик
существует
множество.
Рассмотрим
методики
улучшения,
основанные на применении структурно-функциональных моделей.
Наиболее популярными на сегодняшний день являются
реинжиниринг и метод анализа и преобразования потока ценности
(метод потока ценности – МПЦ) [12].
Оба метода направлены на повышение эффективности
организационной системы за счёт оптимизации её структуры. Но
между ними существует различие.
Реинжиниринг предполагает повышение производительности
всех или нескольких процессов, определяющих функционирование
организационной системы. Наибольшее внимание он уделяет
решению вопроса интенсификации труда, вплоть до выведения
150
человека из состава объекта управления. При этом широко
применяется механизация и автоматизация процессов организованной
системы. Ключевым параметром, по которому оптимизируется
процесс, является производительность труда в единицу времени.
Реинжиниринг использует высокотехнологичные средства и знания,
которые могут устаревать в течение 2-3 лет, поэтому для его
применения
обычно
используются
внешние
эксперты,
сосредотачивающиеся на актуализации методов и средств, которые
они используют. Обычному предприятию обычно экономически
нецелесообразно иметь в штате таких экспертов. Из этого
проистекает и главный недостаток реинжиниринга. Вопрос о
ценности, производимой для потребителя, тем или иным процессом
этим оптимизационным методом не рассматривается. В результате
значительные инвестиции могут пойти на автоматизацию далеко не
самых критичных для потребителя результатов деятельности системы
(рис.89).
Система Выход
Вход
Рост
производительност
и в единицу
времени
Запросы
Система Выход
Вход
Реинжиниринг
Метод потока
ценности
Рост
производительности
для потребителя
ПОТРЕБИТЕЛЬ
Рис.89. Сравнение реинжиниринга и метода потока ценности
В противоположность реинжинирингу МПЦ концентрируется на
знаниях, присутствующих внутри организованной системы [12].
Задача МПЦ классифицировать все процессы на 3 категории:
полезные для потребителя, полезные для функционирования
151
организационной системы и бесполезные. Для этого также
используется структурная модель. После классификации процессов,
подпроцессов и функций организованной системы осуществляется
оптимизация. При этом стратегия оптимизации следующая:
бесполезные процессы стремятся исключить вовсе, а полезные только
для функционирования самой организационной системы, а не
потребителя – максимально уменьшить и удешевить. В результате
формируется стратегия повышения производительности труда, но
несколько иным путём.
Исследователи часто противопоставляют МПЦ реинжинирингу
и наоборот, отмечая достоинства или недостатки каждого из методов.
На наш взгляд, это не вполне правильно. МПЦ гораздо эффективнее
на первых этапах оптимизации, когда в организационной системе
достаточно много избыточных, зачастую бесполезных функций.
Далее, по мере оптимизации, эти функции исключаются, и
применение реинжиниринга становится более эффективным.
6.4.7. Проверка стратегии решения проблемы. В заключение
системного исследования выполняется проверка полученного
результата, т.е. обобщение результатов оптимизации и формирование
выводов о степени достижения целей исследования. По результатам
этой проверки принимается решение о возврате на одну из
предыдущих стадий системного анализа или об окончании
системного исследования.
Проверка обычно осуществляется на практике, хотя для ряда
исследований применимы и математические методы. Мы будем
рассматривать подход проверки практикой, поскольку именно он
господствует при системных исследованиях организационных систем.
Для проверки любых оптимизационных стратегий на практике
необходимо сначала реализовать их. Однако полномасштабная
реализация даже самой привлекательной и продуманной стратегии
обычно сопряжена с большими рисками, поэтому обычно проверку
проводят на одном из процессов или даже подпроцессов, а затем
152
принимают решение о реализации стратегии преобразования во всей
организованной системе. Такой подход называют реализацией
пилотного проекта.
Пилотный проект призван ответить на вопрос о правильности
намеченной стратегии, поэтому в первую очередь ещё до начала его
реализации выполняют:
 определение
значений
параметров
интересующих
исследователя параметров (например, затраты, процент дефектов,
прибыль и т.д.);
 планирование изменений целевых параметров (например,
рост прибыли на 15%);
 погрешность планирования параметров (например, рост
прибыли не менее чем на 10%, на 15%±1,5% и т.д.).
Структурно схему этапа проверки на практике стратегии
улучшения (оптимизации) системы можно проиллюстрировать
следующей схемой:
Формулировка
задачи
исследования,
целей, границ
и ограничений
исследуемой системы
Стратегия
решения
проблем
Методика анализа, синтеза и оптимизации систем, а также знания исследователя
Выбрать процесс
или подсистему
для внедрения
пилотного проекта
План
реализации
пилотного
проекта
Необходимые
для внедрения
ресурсы
Оценить
состояние
системы до
начала
внедрения
пилотного
проекта
План
состояния
системы
после
пилотного
проекта
Внедрить
пилотный
проект
Результаты
внедрения
Знания
о предметной
области
Сведения
об ошибках
в стратегии
решения
проблемы
Оценить
состояние
системы после
внедрения
пилотного
проекта
Результаты
внедрения
соответствующие
плановым
Принять
решение о
правильности
выбранной
стратегии
Подтверждение
правильности
выбранной
стратегии
Исследователь
Рис.90. Функциональная модель этапа проверки стратегии на практике
После реализации пилотного проекта и сбора информации о его
результатах производится сравнение полученных значений
параметров с установленными в планах. Если фактическое изменение
параметров
функционирования
организационной
системы
153
соответствует плану, то принимают решение о правильности
выбранной стратегии оптимизации и определяют возможности для её
применения для других процессов организационной системы. В
противном случае определяют причины неудачи.
Причинами могут служить:
 ошибки и просчёты при внедрении пилотного проекта;
 ошибки при формировании стратегии оптимизации;
 ошибки при выполнении системного исследования.
Для первого случая, возможно, следует провести ещё один
пилотный проект и если он оправдает ожидания, то принять
выбранную стратегию.
Во втором случае необходимо оценить саму стратегию и
попробовать её изменить. После этого появляется возможность
повторения пилотного проекта.
Для третьего случая требуется повторное, более детальное и
глубокое системное исследование.
6.4.8. Пример применения системного анализа для
образовательной деятельности. Рассмотрим систему планирования
учебного процесса.
На первом этапе определим предметную область для системы.
Предметной областью для этой системы является образовательная
деятельность вуза со всей совокупностью ограничений и
особенностей, которые ей присущи.
Проблемой практики является необходимость повышения
эффективности
деятельности
структурного
подразделения,
участвующего в функционировании этой системы.
Для решения этой проблемы возникает цель, которую можно
сформулировать как достижение максимальной экономии ресурсов,
при сохранении высокого качества предоставляемой услуги.
Как мы рассматривали выше, элементами системы планирования
ресурсов являются структурные подразделения, одним из которых
является кафедра, осуществляющая непосредственную деятельность
154
по предоставлению образовательной услуги. Поэтому рассмотрим
решение проблемы практики, с точки зрения администрации кафедры
вуза.
Таким образом, появляется возможность сформулировать задачу
исследования как повышение эффективности деятельности кафедры в
рамках системы планирования учебного процесса.
На втором этапе проведём анализ предметной области,
которою формирует учебный процесс. Наиболее удобным
инструментом для первичного анализа предметной области является
мнемосхема (см. п. 4.6.5) представленная на рисунке 91.
Ректорат
Планово-финансовое
управление
Учебное
управление
Утверждение
Воздействие, Управление,
Контроль
Воздействие, Управление,
Контроль
Согласование
Согласование
планов
Деканат
План годовой нагрузки,
Годовой индивидуальный план
План кафедры,
Формирование
Отчет кафедры
и т.д.
Подразделения
вуза
Web-Портал
кафедры
Рис.91. Пример мнемосхемы системы планирования учебного процесса
Основным выводом из анализа схемы рассматриваемой системы
является возможность представления системы планирования
учебного процесса в виде системы управления плановыми
документами кафедры. Следовательно, кафедра является важным
155
звеном системы планирования. На данном этапе можно оценить и
другие свойства системы планирования, такие как её гомеостаз,
входящая и исходящая документация, организационная сложность,
степень автоматизации и другие. Этап анализа должен дать
информацию для формирования комплекса моделей, которые принято
называть системной моделью.
Для моделирования функциональной структуры принято
использовать
функциональное,
процессное
или
объектноориентированное моделирование. На третьем этапе применим для
создания системной модели методологию SADT. Пример
функциональной модели показан на рисунке 92:
USED AT:
AUTHOR: Суворова В.А., Старцев Г.В.
DATE: 08.08.2006
WORKING
PROJECT: Процес с планирования учебной
нагрузки
REV: 21.02.2011
DRAFT
PUBLICATION
Учебный план
Спланировать
рабочий
учебный
план (РУП)
Состав ППС
Приказ о
переводе
студентов
ГОС
Рабочий
учебный
план
1
Список
реком ендуем ых
к зачислению
аспирантов
DATE CONTEXT:
RECOMMENDED
NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
План прием а
READER
Скорректировать
РУП
A-0
Норм ы времени
Приказ о
зачислении в
аспирантуру
Подвести
итоги
вступительных
испытаний
2
Подготовить
заявку
на практику
3
Приказ о
зачислении
студентов
Вид
практики
Расчитать
учебную
нагрузку
по кафедрам
4
Учебная
нагрузка
Годовой
индивидуальный
план
преп одавателя
Распределить
учебную
нагрузку (УН)
по преподавателям
5
Пом ощ.
декана
Ведущий
инж енер
ОПНПиНКВК
Зам .зав.
кафедрой
Web-портал Специалист Преподаватель
УМУ
кафедры
Поручения
на другие
кафедры
Скорректировать
УН
ППС – профессорско-преподавательский состав; ГОС – государственный
образовательный стандарт; ОПНПиНКВК – отдел подготовки …., УМУ – учебнометодическое управление.
NODE:
TITLE:
NUMBER:
Процесс планирования учебной нагрузки
A0
Рис.92. Пример функциональной структуры системы планирования
учебного процесса
Следующим этапом синтеза системной модели является
моделирование информационных процессов. Пример фрагмента
модели показан на рисунке 93:
156
ГИПП – годовой индивидуальный план преподавателя.
Рис.93. Пример фрагмента информационной модели планирования
учебного процесса
На основе системной модели появляется возможность
предложить методы оптимизации этой модели для решения
поставленной задачи. В прикладной информатике основным методом
решения задач практики является внедрение информационных
систем. Но это не означает, что любую систему следует
автоматизировать. Для того чтобы это было оправдано, необходим
дополнительный
анализ
экономических,
организационных,
технологических, социальных и других факторов с помощью методов
математического или аналитико-графического моделирования.
В нашем примере решение об автоматизации системы
планирования на уровне кафедры – является предлагаемым решением
поставленной задачи.
Следующим шагом в системном анализе в прикладной
информатике
является
выбор
инструментария
(табл.5).
Проанализируем выбор методов автоматизации.
157
Таблица 6
Выбор инструментария для решения задачи
Название
инструмента
ERP-системы
Характеристики (отрицательные)
Цена
Высокая
Системы электронного Средняя
документооборота
Web-технологии
Низкая
Сложность
Высокая
Сложность
получения
нужного
инструментария
Низкая
Сложность
адаптации к
предметной
области
Высокая
Низкая
Низкая
Высокая
Средняя
Средняя
Низкая
Сопоставим каждой характеристике шкалу, в которой
отрицательные свойства оцениваются в обратном порядке:
 «высокая» – 1 балл;
 «средняя» – 2 балла;
 «низкая» – 3 балла.
Получим, оценку:
 для ERP-систем – 6 баллов;
 для систем электронного документооборота – 9 баллов;
 для web-технологий – 10 баллов.
Таким образом, для решения проблемы практики наиболее
подходящим инструментом является web-технология.
На четвёртом этапе системного анализа сформулируем способ
решения поставленной задачи. Для этого необходимо построить
информационную систему планирования учебного процесса
применительно к кафедре вуза.
Рассмотрим принципы функционирования информационной
системы, для чего построим модель алгоритма её работы (рис.94).
158
Начало
Авторизация
1 – Администратор
2 - Преподаватель
3 – Студент
Выбрать тип
пользователя
F
3
2
1
Вывести на
экран
учебную
нагрузку
Вывести на
экран
учебный план
Вывести на
экран
учебный план
Нет
Нет
Внести
изменения?
A
Просмотреть
индивидуальный план
преподавателя
A
Просмотреть
учебный план
Да
Да
Внести
изменения в
учебный план
Корректировать
количество часов по
учебным занятиям?
D
БД
«Учебная
нагрузка
преподава
теля»
Внести
информацию
по ППС
кафедры в БД
1 –Просмотреть дисциплины
2 – Просмотреть семестры
3- Просмотреть кафедры
4- Просмотреть типы
обучения
1
F
2
E
Просмотреть
дисциплины
Просмотреть
семестры
Да
4
3
1 –Просмотреть
осенний семестр
2 – Просмотреть
весенний семестр
B
Корректировать
количество часов?
Просмотреть
кафедры
Просмотреть
типы
обучения
Просмотреть
кафедральную
нагрузку
I
G
Внести
изменения?
Нет
Просмотреть
дисциплины
по семестрам
A
Да
D
Нет
E
A
Рис.94. Пример фрагмента алгоритма функционирования информационной
системы планирования учебного процесса
Поскольку в работе системы задействованы несколько
подразделения,
то
необходимо
смоделировать
структуру
компьютерной сети, в рамках которой будет функционировать
159
информационная система. Рассмотрим
компьютерной сети (рис.95):
пример
схемы
такой
Сеть вуза
Управляемый коммутатор
10.61.2.226
Коммутатор
10.61.2.251
Сервер БД
(Intel Pentium 4
1514 MHz,
512 Мб, 36 Гб)
10.61.2.225
Прокси-сервер
(Intel Pentium 4
1500 MHz,
2 Гб, 40 Гб)
Сервер связи в режиме
Веб-сервер
Сервер почты
реального времени
asu.ugatu.ac.ru
(DualCore Intel CoreDuo
(DualCore AMD Athlon 64 X2 (AMD Athlon 1100 MHz,
2418 MHz,
2400 MHz,
512 Мб, 40 Гб)
2038 Мб,500 Гб)
1024Мб,160Гб)
10.61.2.60
Сеть кафедры
Сегмент
студентов
Серверный сегмент
ТВ-сервер (DualCore AMD
Athlon 64x2 2400 Mhz, 896
Мб, 250 Гб)
Сервер Lotus (DualCore
AMD Athlon 64x2 2400 Mhz,
1024 Мб, 160 Гб)
Сервер упр-ия (DualCore
AMD Athlon 64 2000 Mhz,
512 Мб, 80 Гб)
Видео-сервер (Intel
Pentium 4 2400 MHz,
512 Мб, 320 Гб)
AMD Athlon XP 1100
Mhz, 512 Мб, 40 Гб
Сегмент
преподавателей
DualCore Intel Core 2
Duo 2418 Mhz, 2038
Мб, 500 Гб
Сегмент
WiFi
(точка
доступа)
Приемная кафедры
Рис.95. Пример схемы локальной сети
На конечном этапе можно предложить следующую схему
информационной системы управления кафедрой с использованием
web-портала (рис.96):
160
Заявки на использование ресурсов
Информационные
ресурсы
Мониторинг
Установление
прав
Заведующий/заместитель
заведующего кафедрой
Указание на
предоставление
права доступа
Установление
ограничений,
обновление
Данные
Комплекс БД
Web-портал
Учебные и
справочные
данные
Преподаватель
Информационные ресурсы
(в пределах доступа)
Информационные
ресурсы
(в пределах доступа)
Данные по
определенным
функциям
Ответственные
за определенные
функции
Администратор
Студент
Рис.96. Структура информационной системы управления ресурсами
кафедры с использованием web-портала
После реализации этой информационной системы, подсистемы
планирования учебной нагрузки будет иметь вид, показанный на
рисунке 97:
Рис.97. Пример экранной формы информационной системы на webпортале подразделения
161
Таким образом, при помощи системного анализа можно решать
сложные задачи практики в предметной области организационных
систем.
6.5. Системный анализ в экономике
Функцию экономического анализа можно определить как
выявление и исследование экономических свойств и отношений
объектов.
Результат экономического анализа определяется его задачами,
наиболее значимыми из которых являются:
 оценка организации для выявления её изменений в
пространстве и времени;
 поиск и оценка факторов, вызывающих эти изменения;
 выявление
резервов
для
развития
и
повышения
экономической эффективности функционирования организации;
 рациональное планирование и контроль выполнения планов;
 повышение
эффективности
системы
управления
использованием ресурсов;
 определение
причинно-следственных
связей
между
экономической и производственной деятельностью;
 анализ связей между экономическими показателями;
 прогноз финансово-экономического состояния предприятия в
ближайшей перспективе, бенчмаркинг и т.п.
В исследовании и моделировании экономических систем обычно
выделяются три уровня использования количественных методов [14]:
измерение, математическое моделирование и принятие решений
(рис.98).
Уровень
измерений
характеризует
количественное
представление переменных и количественных закономерностей.
Математическое моделирование даёт описание результатов
измерения математическими зависимостями. Принятие решений
162
подразумевает поиск значений
объекты в заданном направлении.
переменных,
оптимизирующих
3. Принятие
решений
Управление
Результаты
моделирования
Управляющие
воздействия
Математическая
модель объекта
2. Математическое
моделирование
Результаты
измерения
Экономический
объект
1. Измерение
Рис.98. Уровни управления экономическим объектом
Уровни взаимно обуславливают и дополняют друг друга, но при
этом каждый имеет свою специфику.
Сферы применения системного анализа в экономике:
 Решение новых проблем. С помощью системного анализа
формулируется проблема, определяется, что и о чем нужно знать, кто
должен знать.
 Решение проблемы предусматривает увязку целей с
множеством средств их достижения.
 Решение
проблем
имеющих
разветвленные
связи,
вызывающие отдаленные последствия в разных отраслях народного
хозяйства, и принятие решения по ним требует учета полной
эффективности и полных затрат.
 Решение проблем, в которых существуют различные трудно
сравнимые друг с другом варианты решения проблемы или
достижения взаимосвязанного комплекса целей.
 При создании в народном хозяйстве совершенно новых
систем или коренным образом перестраиваются старые системы.
163
 При совершенствовании, производства или экономических
отношений.
 Проблемы, связанные с автоматизацией производства, а
особенно управления, в процессе создания автоматизированных
систем управления в любом звене.
 Работа
по
совершенствованию
методов
и
форм
экономического управления, поскольку ни один из методов
экономического управления не действует сам по себе, а только во
взаимосвязи.
 Совершенствование
организации
производства
или
управления на уникальных, нетипичных, отличающихся большой
спецификой своей деятельности объектах, на которых невозможно
действовать по аналогии.
 При учёте фактора неопределенности и риска в принимаемых
на будущее решениях.
 При планировании или выработке ответственных решений о
направлениях развития принимаемых на достаточно отдаленную
перспективу.
 Разработка или совершенствование системы управления, если
имеется в виду создание системы оптимального планирования или
управления, где требуется выработка самих критериев оптимальности
с учетом целей развития и функционирования экономической
системы, ее места в общественном разделении труда и экономических
взаимосвязей.
6.6. Системная инженерия
Понятие «системная инженерия» вынесено в название в
стандарте ИСО/МЭК 15288 [2] и привязано к понятию жизненного
цикла системы. На сегодняшний день понятие считается новым, но
некоторые понятия уже приняты и могут использоваться. Основной
сферой применения системной инженерии является разработка
высокотехнологичной продукции: современных компьютеров и
164
средств связи, всевозможных программных средств, а также
классических сверхсложных объектов: самолётов, морских и
космических кораблей, а также некоторых комплексов вооружения.
В некотором роде системная инженерия – это мост между
теорией систем и проектированем высокотехнологичных систем,
между теорией и практикой. Один из наиболее известных авторов в
этой области А.И. Левенчуктак определяет это понятие
«Системная инженерия – это практическое применение
научных, инженерных и управленческих навыков, необходимых для
преобразования операционных требований в описание конфигурации
системы, которая наилучшим образом удовлетворяет этим
требованиям. Это общий процесс решения проблем, который
применяется ко всему техническому управлению в проекте,
посвященном
разработке
системы,
предоставляя
механизм
формулирования и совершенствования определений изделий и
процессов системы» [23].
Выводами из этого определения являются следующие:
1) системная инженерия – это методология, используемая для
разработки сложных систем, а не язык описания требований или
онтологий;
2) методология системной инженерии шире существующих в
организациях-разработчиках подходов, поскольку вносит в практику
возможность использования глубоких научных методов;
3) системная инженерия – не метод повышения скорости и
экономической эффективности разработки, а методология повышения
её качества;
4) системная
инженерия
эффективная
на
больших,
ответственных проектах по созданию сложных систем.
Основные функции системной инженерии [23]:
 определение проблемы – указание потребностей и
ограничений путем анализа требований и взаимодействия с
заказчиком;
165
 анализ решений – выделение набора возможных способов
удовлетворения потребностей и ограничений, их анализ и выбор
оптимального;
 планирование процессов – определение задач, которые
должны быть выполнены, объема ресурсов и затрат, необходимых для
создания изделия, очередности задач и потенциальных рисков;
 контроль процессов – определение методов мониторинга
проекта и процессов, измерение прогресса, оценка промежуточных
изделий и принятие по мере необходимости корректирующих
действий;
 оценка изделий – определение качества и количества
создаваемых изделий путем оценочного планирования, тестирования,
демонстрации, анализа, верификации и контроля.
6.7. Контрольные вопросы
1) В чём состоит принцип эквифинальности?
2) Какие основные этапы жизненного цикла проходит система?
3) По какому признаку проводится сравнение при измерении
согласно одноимённому принципу?
4) Какие осеновные подходы используются в системном
анализе?
5) В чём состоит принцип децентрализации?
6) Какие виды онтологий существуют?
7) Чем отличается диаграмма классификации от диаграммы
состояния объекта?
8) Что такое композиционная схема онтологии?
9) Приведите пример онтологической схемы взаимосвязей?
10) В чём заключается постановка задачи исследования?
11) Какие проблемы возникают при постановке задачи?
12) Каков алгоритм создания искусственной системы?
13) В чём состоит анализ при системном анализе?
166
14) Как формируется стратегия улучшения (оптимизации)
системы в системном анализе?
15) В чём состоит проверка стратегии улучшения (оптимизации)
системы?
16) Какие основные этапы включает системный анализ?
17) В каких сферах экономики применяется системный анализ?
18) Какие уровни управления экономическим объектом Вы
знаете?
19) Что такое системная инженерия?
167
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ ТЕСТА ПО
ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ»
1 Какая причина не связана с проблемой несоответствия между
желаемым и существующим состоянием системы?
2 Какое описание ограничений для искусственных систем
наиболее корректно?
3 К какому уровню научного знания относятся законы и
категории диалектики?
4 К какому уровню научного знания относится системология?
5 К чему обычно приводит неполная, неоднозначная,
противоречивая или ошибочная информация, используемая при
создании системы?
6 Какой из перечисленных уровней научного знания лишний?
7 Что является научной дисциплиной, изучающей общие
закономерности в управлении сложными системами?
8 Что является сферой науки о методах системного изучения
мира, о выявлении общих и специальных системных закономерностей
и использование их для создания новых систем?
9 Что является научной дисциплиной, разрабатывающей общие
принципы изучения сложных систем?
10 Какие факторы явились базисом развития системных идей?
11 Как можно определить совокупность методов и средств,
позволяющих исследовать свойства объектов, представляя
их
в
качестве систем?
12 Какие из перечисленных определений связаны с научными
дисциплинами?
13 Какая задача является одной основных задач системного
подхода?
14 Какие подходы используют при исследовании сложных
систем?
168
15 Как в общем виде ведётся исследование при системном
подходе?
16 Что называют совокупностью методов и способов
исследования, описания и конструирования систем?
17 Как называется способ разбиения системы для исследования
целостных свойств?
18 В чём заключается парадокс иерархичности систем?
19 Какие компоненты относятся к системе управления?
20 Что определяется как отношение полученного полезного
результата к затраченным ресурсам?
21 Что определяется как совокупность математических методов,
технических
средств
и
организационных
комплексов,
обеспечивающих рациональное управление сложным объектом или
процессом в соответствии с заданной целью?
22 Каково принципиальное отличие системы автоматического
управления от автоматизированной системы управления?
23 Какие воздействия оказывает управляемая система на
управляющую?
24 Какие категории в классификации систем по способу
управления Вы знаете?
25 Какого признака у системы может и не быть?
26 Какие качества упоминаются в определении системы?
27 Какие компоненты не входят в систему с точки зрения её
структуры?
28 Как называется новое качество целостности, порождаемое
отношениями между элементами системы?
29 Для каких систем характерно снижение степени
неопределенности системы по сравнению с энтропией формирующих
систему факторов?
30 Какой признак не входит в определение структуры системы?
31 Какая из характеристик системы является наиболее
консервативной?
169
32 Какое свойство по изменениям, происходящим в одном
элементе, позволяет судить об изменениях в других элементах?
33 Каким свойством обладает подсистема в отличие от
элемента?
34 Что из потребности и цели является субъективным?
35 Как принято связывать потребность и результат?
36 Что из перечисленного не является существенным для
определения понятия «цель»?
37 Что из перечисленного не является способом выделения
систем?
38 Что определяется как относительное постоянство состава и
свойств, а также устойчивость основных функций системы?
39 Какой
термин
можно
определить как величину,
характеризующую состояние системы в любой момент времени?
40 Какое свойство характеризуется такими признаками как
единство цели, функционального назначения и функций, наличие
окружающей среды?
41 Какое свойство подразумевает одинаковость структуры
систем?
42 Какие проблемы связаны с определением внешней среды
системы?
43 Какое свойство подобия определяет множество объектов,
различающихся по составу или отношению между элементами?
44 Какое свойство подобия характеризует системы, из которых
одна является упрощенной копией другой?
45 Какое свойство подобия означает сохранение признаков
одной системы относительно изменений?
46 Какое свойство характеризует способность системы
сохранять свой гомеостаз под действием внешней среды?
47 Как называется система, если количественные изменения
характеристик элементов и их связей приводят к качественным
изменением?
170
48 Какое свойство характеризует деятельность системы в одном
стабильном состоянии?
49 Какое
свойство
характеризуется
внутренней
согласованностью взаимодействия частей системы, обусловленной
внутренними законами её строения?
50 Какой принцип функционирования систем подразумевает,
что
элементы
обладают
общностью
главных
функций,
обеспечивающую взаимодействие элементов в системе?
51 Какой принцип функционирования систем подразумевает,
повышение устойчивости системы за счёт усложнения её структуры?
52 Какого принципа функционирования систем не существует?
53 Какой принцип функционирования систем подразумевает,
что функции элементов подчинены функциям системы?
54 Какой принцип функционирования систем подразумевает,
что для повышения устойчивости систем важно дублирование
функций элементами, имеющими различную структуру?
55 В какой шкале присутствуют упорядоченность и
интервальность, но нет нулевой точки?
56 Как называется шкала, в которой отсутствуют все главные
атрибуты измерительных шкал?
57 Какой атрибут не принято относить к измерительным
шкалам?
58 В каком типе шкал присутствует только упорядоченность?
59 Какая
шкала
характеризуется
всеми
атрибутами
интервальной шкалы и имеет фиксированную нулевую точку?
60 К какому типу шкал относится шкала измерения температуры
Цельсия?
61 Какой вид схем накопления информации об онтологии
представляет механизм графического представления состава классов?
62 Какой вид схем накопления информации об онтологии
обеспечивает механизм для логической систематизации знаний?
171
63 Какой вид схем накопления информации об онтологии
позволяет описать процесс в динамике?
64 Какое определение наиболее характеризует понятие
«онтология»?
65 Какие задачи следует решить на начальном этапе построения
онтологии?
66 Какие языки используют для построения онтологий?
67 К какой группе методов моделирования относятся
антогонистические игры?
68 Какая группа методов моделирования основана в основном
на методах естественных наук?
69 Какой из методов моделирования не относится к
качественным?
70 Какая
функция
является
важнейшей
функцией
моделирования?
71 Какое действие не связано с определением «моделирования»?
72 К какой группе методов моделирования относятся
аксиоматические методы?
73 Какое утверждение наиболее верно для принципа конечной
цели?
74 Через какое правило раскрывается принцип конечной цели?
75 Какое утверждение наиболее верно по отношению к
принципу измерений?
76 Какой принцип подразумевает рассмотрение любой части
системы совместно с ее окружением?
77 Какой принцип предполагает рассмотрение системы, и как
целого, и как совокупности её элементов?
78 Какое утверждение наиболее близко к формулировке
принципа эквифинальности?
79 Какой принцип указывает на свойство изменчивости систем
со временем?
80 В чём состоит принцип модульного построения?
172
81 В чём состоит принцип иерархии?
82 В чём состоит принцип функциональности?
83 В чём состоит принцип неопределённости?
84 Чем полезен принцип децентрализации в сфере управления?
85 Что представляет собой системный анализ как метод
познания?
86 Какая семантическая мера формируется после определения
границ предметной области при системном анализе?
87 Чего позволяют добиться при системном анализе
семантические меры «точка зрения» и «цель исследования»?
88 Какой термин обозначает представление системы с помощью
некоторых известных методов?
89 Что включает системное исследование для решения задачи
системного анализа?
90 Какая структура этапов системного анализа наиболее
корректна?
91 Какое из требований не предъявляются к моделям
предметных областей?
92 Как определить совокупность неких объектов, свойства и
связи между которыми рассматриваются при исследовании?
93 Какие стороны принимают участие при постановке задачи
системного анализа?
94 Как называется проблема согласования несопоставимых
показателей при формулировке задачи системного анализа?
95 Как называется проблема согласования функционирования
подсистем и элементов при формулировке задачи системного
анализа?
96 Какое требование не предъявляется к модели предметной
области?
173
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
Автоморфизм
Автоморфизм – взаимнооднозначное отображение системы
объектов с заданными отношениями на саму себя.
Анализ
Анализ (от греческого analysis – разложение):
 расчленение (мысленное или реальное) объекта на элементы;
анализ неразрывно связан с синтезом (соединением элементов в
единое целое);
 синоним научного исследования вообще;
 в формальной логике – уточнение логической формы
(структуры) рассуждения.
Архитектоника
Архитектоникой
называют
изучение
структуры
в
пространственном срезе.
Отношение в пространстве структуры характеризуется такими
показателями как:
 выше – ниже;
 больше – меньше;
 внешний – внутренний;
 несущее – несомое;
 объединяющее – объединяемое.
Вероятностные системы
Вероятностные системы – это системы, когда их поведение в
любой момент времени точно нельзя определить. Пример, общество.
174
Виртуальные системы
Виртуальные
системы
–
это
несуществующие
в
действительности модельные или мыслительные представления
реальных объектов, явлений, процессов, являющиеся изоморфными к
ним.
Внешняя среда
Внешняя среда – множество элементов, находящихся вне
системы и оказывающая существенное, но нецеленаправленное
воздействие на элементы самой системы или сильно зависящих от
них.
Проблемы, связанные с определением внешней среды:
 проблема определения границ системы;
 проблема определения
среди элементов вне системы
совокупности тех, которые оказывают существенное влияние на
систему.
Гетерогенные системы
Гетерогенные системы состоят из разнородных элементов, не
обладающих свойством взаимозаменяемости.
Гомогенные системы
В гомогенных системах, например, в газах, жидкостях или в
популяции организмов, структурные элементы системы однородны и
поэтому взаимозаменяемы.
Гомеостаз
Гомеостаз (гомеостазис) (от греч. homoios подобный, тот же
самый и stásis – состояние, неподвижность), в физиологии,
относительное динамическое постоянство состава и свойств
внутренней среды и устойчивость основных физиологических
функций организма человека, животных... Понятие «гомеостаз»
применяют в генетике и кибернетике [9].
175
Гомоморфизм
Гомоморфизм представляет собой такое соответствие между
двумя системами, которое не является взаимно однозначным.
Другими словами, при гомоморфизме аналогия между двумя
системами меньше, чем при изоморфизме, и одна из систем является
как бы упрощенной копией другой, аналогично тому, как
географическая карта является упрощенной копией по отношению к
местности.
Деградирующие системы
Деградирующие системы – системы, которые теряют во времени
свои свойства, функции из-за постепенного разрушения структуры.
Дедукция
Дедукция (от лат. deductio – выведение) вывод по правилам
логики; цепь умозаключений (рассуждение), звенья которой связаны
отношением логического следования. Началом (посылками) дедукции
являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие
характер общих утверждений, а концом – следствия из посылок,
теоремы. Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее
следствия.
Декомпозиция
Декомпозиция – процесс и состояние разделения системы на
составные части, элементы.
Детерминированные системы
Детерминированные системы – это системы, поведение которых
предсказуемо. Пример, радиоэлемент с жесткой логикой.
Естественные системы
Естественные
системы
–
это
системы,
объективно
существующие в действительности, в живой и неживой природе и
176
обществе: атом, молекула, клетка, организм, общество, вселенная и
т.п.
Закрытая система
Система закрытая, если она не имеют связей с внешней средой
или этими связями можно пренебречь.
С точки зрения взаимообмена со средой энергией, веществом и
информацией не существует полностью закрытых от внешней среды,
не полностью открытых систем. Всякая система, если она система,
должна иметь границы между собой и внешней средой, иначе она не
была бы отличима от внешней среды.
Иерархия
В сложных системах связь между системами строится по
принципу иерархии, предусматривающему подчиненность системы
надсистеме и подсистемы системе. Цель каждого элемента нижнего
уровня – подчинение цели более высокого уровня, только тогда вся
сложная иерархическая система может функционировать как единое
целое.
Идеальные (концептуальные) системы
Идеальные (концептуальные) системы – это системы, которые
выражают образцовую действительность или образцовый мир. Они
часто бывают целью, в большинстве случаев недостижимой, к
которой должна стремиться реальная система. Пример картина или
абсолютный вакуум.
Изоморфизм
Понятие изоморфизма в математике формализует, уточняет
интуитивное понятие одинаковости структуры. Одинаковость
структуры означает, что различный смысл системообразующих
отношений, равно как и различие элементов системы при их
сопоставлении не учитываются.
177
Индукция
Индукция (от лат. inductio – наведение) умозаключение от
фактов к некоторой гипотезе (общему утверждению). Различают
полную индукцию, когда обобщение относится к конечнообозримой
области фактов, и неполную индукцию, когда оно относится к
бесконечно – или конечнонеобозримой области фактов.
Интегративное качество
Интегративным (системным) качеством называется новое особое
качество целостности, порождаемое отношениями совокупности
взаимосвязанных структурных элементов образующих систему.
Информационный подход
Информационный подход в научном познании можно
рассматривать как развитие системного подхода, органически
дополняющее его, создавая при этом новые возможности для
исследования разнообразных явлений в природе и обществе, а также
для изучения и понимания природы человека.
Искусственные системы
Искусственные системы – это системы созданные человеком.
Диапазон их реализации очень широк: от простейших механизмов о
сложных производственных комплексов в технике; от лаборатории,
кафедры до Совета Министров в организационных структурах.
Классификация
Классификация – это распределение заданного множества
объектов на подмножества в соответствии с принятыми признаками
классификации.
Координация
Координация – упорядоченность элементов системы одного
уровня иерархии.
178
Мнемосхема
Мнемосхема
–
наглядное,
графическо-схематическое
представление объекта исследования в виде системы.
Моделирование
Моделирование – исследование объектов познания на их
моделях, а также построение и изучение моделей реально
существующих объектов, явлений, процессов и конструируемых
объектов (систем) для определения, уточнения их характеристик,
рационализации способов их построения и т.п.
Модель предметной области
Модель предметной области – система, имитирующая структуру
или функционирование исследуемой предметной области и
отвечающая основному требованию – быть адекватной этой области.
Модель системы
Под
моделью
системы
понимается
определённое
формализованное представление, позволяющее получить ответ на
вопрос, заданный о реальной системе.
Неравновесные системы
В неравновесных системах, если идут изменения одновременно
в двух противоположных направлениях, система преобразуется в
одну сторону и равновесие нарушается. Пример, революция, смерть,
пожар.
Обратная связь
Обратная связь – это передача влияния с выхода системы на её
вход.
Организованность
Организованность системы – это внутренняя упорядоченность,
согласованность
взаимодействия
более
или
менее
179
дифференцированных и автономных частей системы, обусловленные
внутренними законами её строения, а также это совокупность
процессов и действий, ведущих к образованию и совершению
взаимодействий между частями системы [37].
Открытая система
Система открытая, если она имеет связи с внешней средой.
Предикат
Предикат (от латинского praedicatum – сказуемое) –
пропозициональная функция, т.е. выражение с неопределенными
терминами (переменными), при выборе конкретных значений для
этих терминов преобразующееся в осмысленное (истинное или
ложное) высказывание [6].
Предметная область
Предметная область – множество всех объектов, явлений и
процессов, свойства и отношения между которыми рассматриваются
в научной теории.
Поведение системы
Поведение системы – характер изменения состояний системы.
Полиморфизм
Полиморфизм
– множество объектов, построенных из р
элементов по n, или множество объектов, различающихся по составу
и/или отношению между элементами.
Принцип системного анализа
Принципы системного анализа – это некоторые положения
общего характера, являющиеся обобщением опыта работы человека
со сложными системами.
Процесс
В ходе изменения состояний системы может происходить
изменение их качества, их основного интеграционного свойства.
180
Изменение качества объекта или системы во времени называется
процессом
[15].
Иногда
под
процессом
подразумевают
преобразование одного качества в другое: обработка металла, сборка
стула, написание письма и т.д. Это изменение может происходить в
двух основных режимах: развитие (эволюция) и функционирование.
Равновесие системы
В системе наступает равновесие, если изменения в ней идут
одновременно в двух противоположных направлениях и взаимно
компенсируются или нейтрализуются на некотором уровне. Каждое
из возникающих изменений уравновешивается другим, ему
противоположным, и система сохраняется в равновесном состоянии.
Пример, общество, организм, экосистема.
Развитие
Развитие – деятельность системы со сменой цели и структуры.
При развитии системы качественно изменяется её инфраструктура.
Развитие связано с накоплением информации и усложнением
организации системы.
Самоорганизация
Самоорганизация – процесс упорядочения (пространственного,
временного или пространственно-временного) в открытой системе, за
счёт согласованного взаимодействия множества элементов её
составляющих [9].
Связь между элементами системы
Совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств
других элементов. Элементы считаются взаимосвязанными, если по
изменениям происходящим в одном элементе, можно судить об
изменениях в других элементах.
181
Семантическая модель
Семантическая модель – система значений, приписываемых
выражениям некоторого формализованного языка, то же, что
интерпретация.
Симметрия
Симметрия – это категория, обозначающая сохранение
признаков объекта относительно изменений. Поскольку относительно
другой совокупности изменений рассматриваемое множество
признаков не будет инвариантным, то необходимое дополнение
любой симметрии – соответствующая ей асимметрия. Важно
отметить, что симметрия является частным случаем полиморфии,
когда полиморфные объекты полностью состоят из одних и тех же
элементов, а законы преобразования всех элементов одинаковы.
Симметрия является также частным случаем изоморфии, когда имеет
место отображение объекта на самого себя.
Синергетика
Синергетика – междисциплинарное направление научных
исследований, задачей которого является изучение природных
явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем
(состоящих из подсистем) [9].
Синергетический подход
Синергетический подход представляет собой новый метод
научного познания, переосмысливающий роль случайных факторов,
открывающий новые возможности для анализа воздействия этих
факторов, пересматривающий роль организации и хаоса в природе и
обществе.
Синтез
Синтез (от греческого synthesis – соединение), соединение
(мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое
целое (систему).
182
Система
Под системой понимают совокупность взаимосвязанных
некоторой структурой элементов, объединенных единством цели (или
назначения) и функциональной целостностью.
Системное мышление
Под системным мышлением понимают совокупность методов и
способов исследования, описания и конструирования систем.
Системному мышлению присуща внутренняя противоречивость и
парадоксальность.
Системный анализ
Системный анализ – научная дисциплина, разрабатывающая
общие принципы исследования (анализа) сложных объектов с учетом
их системного характера.
Системный подход
Системный подход представляет собой совокупность методов и
средств, позволяющих исследовать свойства, структуру и функции
объектов, явлений или процессов в целом, представив их в качестве
систем со всеми сложными межэлементными взаимосвязями,
взаимовлиянием элементов на систему и на окружающую среду, а
также влиянием самой системы на ее структурные элементы.
Системология
Системология – область науки о методах системного
исследования окружающего нас мира, о выявлении присущих
системам общих и специальных закономерностей и использование их
для анализа и познания существующих систем и для создания более
совершенных систем, обеспечивающих более эффективное
достижение поставленных целей.
183
Сложность системы
Сложность системы определяется количеством и разнообразием
типов элементов, внутренних межэлементных связей и связей
системы со средой. Уровень или степень сложности системы больше
зависит от разнообразия связей и элементов, чем от их количества.
Состояние системы
Состояние системы – характеристика системы на данный
момент ее функционирования.
Стабильные системы
Стабильные системы – системы, у которых свойства, структура,
функции в течение длительного периода не меняются.
Стационарная система
Если структура и функции системы практически не изменяются
в течение определенного периода ее существования, то система в этот
период времени называется стационарной.
Структура
Структура – совокупность устойчивых связей между элементами
системы, обеспечивающая её целостность и тождественность самой
себе [37].
Структурный элемент
Под структурными элементами системы понимают ту ее
наименьшую часть, поведение которой подчиняется структурным
закономерностям системы.
Субординация
Субординация – упорядоченность элементов системы различных
уровней иерархии по их месту в ней.
184
Теория массового обслуживания
Теория массового обслуживания – раздел математики,
изучающий системы, предназначенные для обслуживания массового
потока требований случайного характера [6].
Теория систем
Теория систем – научная дисциплина, изучающая наиболее
общие закономерности в строении, функционировании и управлении
сложными системами различной физической природы.
Точка бифуркации
Точка бифуркации – точка, в которой происходит разветвление
траекторий развития системы [15].
Устойчивость
Устойчивость системы определяет её способность поддерживать
намеченный режим функционирования, несмотря на возмущения,
действующие со стороны внешней среды.
Функциональность
Функциональность – проявление изучаемых целостных свойств
системы.
Функционирование
Функционирование – это деятельность системы без смены цели
и структуры.
Функция системы
Определённое
логикой
функционирования
надсистемы
назначение системы, которое определяет её структуру и основные
свойства.
185
Целостность
Под целостностью понимают внутренне единство и
принципиальную не сводимость свойств системы к сумме свойств,
составляющих ее элементов.
В качестве признаков, которые характеризуют именно
целостность систем используют: единство цели, функциональное
назначение, определение функции, наличие окружающей среды (мира
вне системы), с которой система взаимодействует как целое.
Целеориентированные системы
Целеориентированные системы – системы, характеризующиеся
наличием совокупности четких целей, связанных иерархией и
уровнями управления (любой бытовой прибор как система).
Ценностноориентированные системы
Ценностноориентированные системы – это сложные системы,
поведение которых основано не на заданной иерархии целей, а на
общих ценностях (общественное объединение, государство,
коллектив
ученых,
занимающихся
фундаментальными
исследованиями и т.д.).
Цель системы
Цель системы – это желаемое состояние выходов системы
(конечное состояние) в результате управляемого процесса её
функционирования, а также вариант удовлетворения потребности.
Элемент системы
Наиболее простая часть, логическая сущность, декомпозиция
которой в рамках данной системы нецелесообразна.
186
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 ISO-портал / http://staratel.com/iso/ISO/index.html
2 ИСО/МЭК 15288: 2005 (2008)
Процессы жизненного
цикла систем. Системная инженерия. Информационная технология.
3 Антонов А.В. Системный анализ. 3-е изд., стер – М.: Высшая
школа, 2008. – 453 с.
4 Анфилатов В.С. и др. Системный анализ в управлении: Учеб.
пособие / В.С. Анфилатов, А.А. Емельянов, А.А. Кукушкин. – М.:
Финансы и статистика, 2009 – 368 с.
5 Богданов А.А. Тектология: Всеобщая организационная наука:
в 2 кн. М.: Экономика, 2003. – 496 с.
6 Большая советская энциклопедия / http://www.rubricon.com
7 Веревкин А.П., Кирюшин О.В. Теория систем: Учеб. пособие.
– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. – 100 с.
8 Верников Г. Стандарт онтологического исследования IDEF5 /
http://www.itrealty.ru
9 Википедия / http://ru.wikipedia.org
10 Волкова В.Н., Емельянов А.А. Теория систем и системный
анализ в управлении организациями: Справочник. – М.: Финансы и
статистика, 2006. – 846 с.
11 ГОСТ Р ИСО 9001-2008 Система менеджмента качества.
Требования. – М.: Стандартинформ, 2009. – 25 с.
12 Джордж М. Бережливое производство + шесть сигм:
Комбинируя качество шести сигм со скоростью бережливого
производства.: Пер. с англ. – М.: Альпина Бизнес Букс, 2005. – 360 с.
13 Емельянов А.А., Власова Е.А. Имитационное моделирование
экономических процессов, М.: 2006. – 416 с.
14 Ерохина Е.А. Теория экономического развития: системносинергетический – Томск: Изд-во Томского ун-та, 1999. – 160 с.
15 Жилин Д.М. Теория систем: Опыт построения курса. Изд. 4-е,
испр. – М. Издательство ЛКИ, 2010. – 176 с.
187
16 Иванова Т.Ю. Теория организации: учебник / Иванова Т.Ю.,
Приходько В.И.. - 3-е изд., переаб. и доп. – М. КНОРУС, 2010. – 432
с.
17 Куликов Г.Г. и др. Автоматизированное проектирование
ИУС. Системное моделирование предметной области: Учеб. пособие.
Изд. 2-е / Г.Г. Куликов, А.Н. Набатов, А.В. Речкалов. – Уфа: УГАТУ,
2003. – 104 с.
18 Куликов Г.Г., Конев К.А. Методология управления
машиностроительным предприятием на основе интеграции его
бизнес-процессов // Вестник УГАТУ – 2006. № 2, Т.7. С. 43-47.
19 Колобашкина Л.В. Основы теории игр: учебное пособие. –
М.: Бином.ЛЗ, 2011. 164 с.
20 Конев К.А. Совершенствование функции управления
выпускающей кафедры // Методы менеджмента качества. – 2009. № 3.
С. 26-30.
21 Конев К.А., Старцев Г.В. Интегрированная система
рейтинговой оценки качества образования // Вестник УГАТУ – 2009.
№ 1(30). Т 12. С. 96-102.
22 Куликов Г.Г., Конев К.А., Старцев Г.В. Совершенствование
бизнес-процессов
выпускающей
кафедры
образовательного
учреждения // Методы менеджмента качества. – 2008. № 2. С. 20 – 25.
23 Левенчук А.И. Краткий обзор по системной инженерии. /
http://www.slideshare.net/ailev/ss-998595
24 Методологии моделирования предметной области /
http://www.excode.ru
25 Мухин В.Н. Исследование систем управления: учебник – М.:
Экзамен, 2006. – 479 с.
26 Новосельцев В.И. Теоретические основы системного анализа.
– М.: Майор, 2006. – 592 с.
27 Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа:
Учеб. пособие. 2-е изд., доп. – Томск: НТЛ, 1997.
28 Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные
закономерности. Серия «Системы и проблемы управления». – М.:
Синергетика, 2000. – 528 с.
188
29 Рапис Е.Г. Самоорганизация и супермолекулярная химия
пленки белка от нано- до макромасштаба. // Журнал технической
физики, 2004, том 74, вып. 4, с. 117–122.
30 Серенков П.С. Реинжиниринг бизнес процессов и
менеджмент качества как части одного целого / П.С. Серенков, А.Г.
Курьян // Минск, Новости. Стандартизация и сертификация № 6.
2002. С. 11–23.
31 Соловьев В.Д., Добров Б.В., Иванов В.В., Лукашевич Н.В.
Онтологии и тезаурусы: Учебное пособие. - Казань, Москва:
Казанский государственный университет, МГУ им. М.В. Ломоносова,
2006.
32 Сурмин Ю.П. Теория систем и системный анализ: Учебное
пособие. - К.: МАУП, 2003 – 368 c.
33 Фомин Г.П. Математические методы и модели в
коммерческой деятельности. М: Финансы и статистика, 2001. – 324 с.
34 Хомяков П.М. Системный анализ: Экспресс-курс лекций.
Изд.4-е, стер. – М.: Издательство ЛКИ, 2010. – 216 с.
35 Черняховская
Л.Р.
Объектно-ориентированное
моделирование систем искусственного интеллекта. Учеб. пособие /
Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 2006. – 90 с.
36 Шведин Б.Я. Онтология проектирования - terra incognita? –
Научный журнал «Онтология проектирования». №1, 2011. – с.9-21.
37 Шеметов П.В. Петухова С.В. Теория организации: Учеб.
пособие. – изд. 3-е, стер. – М.: Омега-Л, 2008. – 282 с.
189
190
Авторы: Куликов Г.Г., Конев К.А., Суворова В.А.
УДК
ББК
Т 38
Т 38 Теория систем и системный анализ. Учебное пособие / Error!
Reference source not found. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. –
Уфа: УГАТУ, 2012. – 191 с.
ISBN…
Пособие
соответствует
государственному
образовательному
стандарту дисциплины "Теория систем и системный анализ" направления
подготовки бакалавров (080800) 230700 "Прикладная информатика".
Рассмотрены основные понятия и методы системного анализа и
теории систем. Главное внимание уделено….
Предназначено для студентов 1 курса изучающих дисциплину
«Теория систем и системный анализ»
ББК
Табл. 6. Ил.98. Библиогр.: 37 назв.
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Речкалов А. В.,
канд. пед. наук, доц.
ISBN
© Уфимский государственный
авиационный технический университет,
2012
© Г. Г. Куликов, 2012
© К. А. Конев, 2012
© В. А. Суворова, 2012
191