Основы системного анализа

М етодологическим основанием подготовки и обоснования решений по сложным проблемам научного, экономического и технического характера является системный анализ.

Термин «системный анализ» впервые появился в связи с задачами военного управления в исследованиях RAND Corporation (1948). Первая книга по системному анализу вышла в 1956 году, ее авторами были американские ученые Кан и Манн. В отечественной литературе этот термин получил широкое распространение лишь после выхода в 1969 г. в издательстве «Сов. радио» книги Л. Оптнера «Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем».

Привлечение этой методологии обусловлено, прежде всего, тем, что при поиске решений проблемы приходится осуществлять выбор в условиях неопределенности, вызванной наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке.

В общей постановке вопроса системный анализ можно определить следующим образом.

Определение 4.2. Системный анализ это научное направление, обеспечивающее на основе системного подхода разработку методов и процедур решения слабоструктурированных проблем при наличии существенной неопределенности.

В настоящее время системный анализ содержит уже широкий спектр разнообразных методов, которые можно объединить в следующие группы:

· эвристическое программирование;

· семиотический подход;

· методы аналогий;

· аналитические методы;

· имитационное моделирование.

Существующие методы математического анализа, которые оправдали себя в сравнительно простых случаях, обычно оказываются неэффективными при исследовании сложных систем. В связи с этим широкое распространение получили методы эвристического программирования, основанные на принципе анализа деятельности человека.

Виды категорий системного анализа иллюстрируются табл.5.1.

Таблица 5.1

Среди методов этой группы значительную роль играют методы экспертных оценок (метод мозговой атаки, и обмена мнениями, метод «дельфи» и другие), использующие ту или иную форму обобщения совокупности субъективных представлений некоторой группы специалистов (экспертов) по изучаемой проблеме. Достоинством этого метода является определенная простота и доступность.

Основной же недостаток заключается в том, что чаще всего не удается установить степень достоверности экспертизы.

Общий недостаток эвристического программирования – отсутствие формальных правил поиска «эвристик». Поиск эвристических приемов больше искусство и не всегда приводит к положительному результату.

К эвристическим методам близко примыкают методы семиотического подхода, основанные на тех возможностях выразительных средств естественного языка, которые позволяют весьма эффективно и при определенных соглашениях однозначно описывать широкий класс объектов, процессов и явлений.

Одним из методов, реализующих семиотический подход, является ситуационное управление.

В основе этого метода лежат следующие принципы.

1. Модель объекта управления и описания, протекающих в нем процессов является семиотический и строится на основе текстов, выраженных на естественном языке. Модель описания ситуаций также является семиотической, базирующейся на естественном языке.

2. Формирование модели объекта управления и протекающих в нем процессов происходит либо путем ее создания специалистом до ввода в ЭВМ, либо на основании анализа поведения объекта в различных ситуациях, проводимого самой ЭВМ. В последнем случае в ЭВМ должны быть заложены некоторые механизмы для осуществления такого анализа.

Общая модель включает:

· нулевой уровень, где хранятся множество базовых понятий;

· первый уровень, содержащий мгновенные фотографии реальной ситуации;

· второй уровень, где отображаются закономерные связи между предметами внешнего мира и т.д.

Модель второго уровня еще очень подробна и описывает внешний мир в слишком мелких единицах. Все последующие слои модели, начиная с третьего уровня, проводят постепенное обобщения. В этих обобщениях роль компонент, между которыми устанавливается связь, играют структуры, выделяемые в моделях, лежащих в более мелких слоях.

Таким образом, вся модель мыслится как совокупность целого ряда моделей, начиная от моделей непосредственного опознания на первом уровне и кончая моделью образования абстрактных понятий.

В настоящее время системный анализ (СА) является наиболее конструктивным направлением. Этот термин применяется неоднозначно. Но в любом случае в них всегда предполагается методология проведения исследований, делается попытка выделить этапы исследований и предложить методику выполнения этих этапов в конкретных условиях. Таким образом, для системного анализа можно дать следующие определения.

Системный анализ в широком смысле - это методология постановки и решения задач построения и исследования систем, тесно связанная с математическим моделированием.

В узком смысле системный анализ - методология формализации сложных (трудно формализуемых, плохо структурируемых) задач.

Системный анализ - это целенаправленная творческая деятельность человека, на основе которой формируется представление исследуемого объекта в виде системы.

Системный анализ характеризуется не использованием новых физических явлений и не специфическим математическим аппаратом, а упорядоченным и логически обоснованным подходом к решению проблемы. Он служит способом упорядочения и эффективного использования знаний, опыта и даже интуиции специалистов в процессе постановки целей и принятия решений по возникающим проблемам.

Системный анализ возник как обобщение приемов накопленных в задачах исследования операций и управления в технике, экономике, военном деле. Соответствующие методы и модели заимствовались из математической статистики, математического программирования, теории игр, теории массового обслуживания, теории автоматического управления. Фундаментом этих дисциплин является теория систем.

Определение 4.3. Системный анализ – это методология решения крупных проблем, основанная на концепции систем.

Определение 4.4. Системный анализ в широком смысле – это методология (сово­купность методических приемов) постановки и решения задач пост­роения и исследования систем, тесно связанная с математическим моделированием.

Определение 4.5. Системный анализ в узком смысле – это методология форма­лизации сложных (трудно формализуемых, плохо структурируемых) задач.

Системный анализ (СА) возник как обобщение приемов накоп­ленных в задачах исследования операций и управления в технике, экономике, военном деле. Соответствующие методы и модели заимс­твовались из математической статистики, математического програм­мирования, теории игр, теории массового обслуживания, теории ав­томатического управления. Фундаментом перечисленных дисциплин является теория систем.

Системный анализ это целенаправленная творческая деятель­ность человека, на основе которой формируется представление исс­ледуемого объекта в виде системы.

Системный анализ характеризуется упорядоченным составом методических проемов исследования.

Системный ана­лиз это конструктивное направление, содержащее методику разде­ления процессов на этапы и подэтапы, системы на подсистемы, це­лей на подцели и т.д.

В СА выработана определенная последовательность действий (этапов) при постановке и решении задач, которую называют мето­дикой системного анализа. Эта методика помогает более осмысленно и грамотно ставить и решатьприкладные задачи. Если на каком-то этапе возникают затруднения, то нужно вернуться на один из пре­дыдущих этапов и изменить (модифицировать) его. Если и это не помогает, что задача оказалась слишком сложной и ее нужно раз­бить на несколько простых подзадач, т.е. провести декомпозицию. Каждую из полученных подзадач решают по той же методике.

При этом, системный анализ имеет свою специфическую цель, содержание и предназначение.

В центре методологии системного анализа находится операция количественного сравнения альтернатив, которая выполняется с целью выбора альтернативы, подлежащей реализации. Если требование разнокачественности альтернатив выполнено, то могут быть получены количественные оценки. Но для того, чтобы количественные оценки позволяли вести сравнение альтернатив, они должны отражать участвующие в сравнении свойства альтернатив (выходной результат, эффективность, стоимость и другие).

В системном анализе решение проблемы определяется как деятельность, которая сохраняет или улучшает характеристики системы. Приемы и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределенности по каждому варианту и сопоставление вариантов по их эффективности.

Целью системного анализа является упорядочение последовательности действий при решении крупных проблем, основываясь на системном подходе. Системный анализ предназначен для решения того класса проблем, который находится вне короткого диапазона ежедневной деятельности.

Основное содержание системного анализа заключено не в формальном математическом аппарате, описывающем «системы» и «решение проблем» и не в специальных математических методах, например, оценки неопределенности, а в его концептуальном, т. е. понятийном, аппарате, в его идеях, подходе и установках.

Системный анализ как методология решения проблем претендует на то, чтобы исполнять роль каркаса, объединяющего все необходимые знания, методы и действия для решения проблемы. Именно этим определяется его отношение к таким областям, как исследование операций, теория статистических решений, теория организации и другим подобным.

Система, таким образом, есть то, что решает проблему.

Определение 4.6. П роблемой называется ситуация, характеризующаяся различием между необходимым (желаемым) выходом и существующим выходом.

Выход является необходимым, если его отсутствие создает угрозу существованию или развитию системы. Существующий выход обеспечивается существующей системой. Желаемый выход обеспечивается желаемой системой.

Определение 4.7. Проблема – это разница между существующей и желаемой системой.

Проблема может заключаться в предотвращении уменьшения выхода или же в увеличении выхода. Условия проблемы представляют собой существующую систему («известное»). Требования представляют желаемую систему.

Определение 4.8. Решение проблемы есть то, что заполняет промежуток между существующей и желаемой системами.

Поэтому система, заполняющая промежуток, является объектом конструирования и называется решением проблемы.

П роблемахарактеризуется содержащимся в ней неизвестным и условием. Может быть, одна или много областей неизвестного. Неизвестное может быть определимо качественно, а не количественно. Количественной характеристикой может служить диапазон оценок, представляющих предполагаемое состояние неизвестного. Существенно, что определение одного неизвестного в терминах другого может быть противоречивым или избыточным.

Неизвестные могут быть выражены только в терминах известного, т.е. такого, объекты, свойства и связи которого, установлены.

П оэтому известное определяется как количество, значение которого установлено. Существующее состояние (существующая система) может содержать и известное, и неизвестное; это означает, что существование неизвестного может не препятствовать способности системы функционировать. Существующая система, по определению, логична, но может не удовлетворять ограничению. Таким образом, действие системы само по себе не является конечным критерием хорошего, так как некоторые идеально работающие системы могут не обеспечить достижение целей.

Определение целей может быть дано только в терминах требований к системе.

Требования к системе есть средство фиксации однозначных утверждений, определяющих цель. Хотя требования к системам устанавливаются в терминах объектов, свойств и связей, цели могут быть определены в терминах желаемого состояния. Цели и желаемое состояние для данного набора требований к системе могут полностью совпадать. Если они различны, то говорят, что требования представляют желаемую систему. Вообще, цели отождествляются с желаемой системой.

Определение 4.9. П ромежуток между существующей и желаемой системой образует то, что называется проблемой.

Цель действий состоит в том, чтобы свести к минимуму промежуток между существующей и предлагаемой системой. Сохранение или улучшение состояния системы отождествляется с промежутком между существующим и желаемым состоянием.

При решении проблем делового и промышленного мира наиболее важными пунктами являются объективность и логичность.

Объем знаний, широко подтвержденный наблюдениями, становится очевидностью.

Определение 4.10. Наблюдение есть процесс, посредством которого данные отождествляются с системой для последующего объяснения этой системы.

Процесс объяснения должен быть рациональным, то есть проведенным логично.

Определение 4.11. Сохранение существующего состояния это способность удерживать выход системы в предписанных пределах.

Определение 4.12. Улучшение состояния системы это способность получить выход выше или помимо того, который получается при существующем состоянии.

Объективность является основным требованием при наблюдении.

Определение 4.13. Рациональность (логичность) это процесс мышления, основанный на использовании логического вывода.

П роцесс нахождения решения проблемы концентрируется вокруг итеративно выполняемых операций идентификации условия, а также цели и возможностей для ее решения. Результатом идентификации является описание условия, цели и возможностей в терминах системных объектов (входа, процесса, выхода, обратных связей и ограничения), свойств и связей, т. е. в терминах структур и входящих в них элементов.

Всякий вход системы, является выходом этой или другой системы, а всякий выход – входом.

Выделить систему в реальном мире, значит указать все процессы, дающие данный выход.

Искусственные системы это такие, элементы которых сделаны людьми, т. е. являются выходом сознательно выполняемых процессов человека.

Во всякой искусственной системе существуют три различных по своей роли подпроцесса: основной процесс, обратная связь и ограничение.

Определение 4.14. С войством данного процесса называется способность переводить данный вход в данный выход.

Связь определяет следование процессов, т. е. что выход некоторого процесса является входом определенного процесса.

Основной процесс преобразует вход в выход.

Обратная связь выполняет ряд операций:

· сравнивает выборку выхода с моделью выхода и выделяет различие;

· оценивает содержание и смысл различия;

· вырабатывает решение, сочлененное с различием;

· формирует процесс ввода решения (вмешательство в процесс системы) и воздействует на процесс с целью сближения выхода и модели выхода.

Процесс ограничения возбуждается потребителем выхода системы, анализирующим ее выход. Этот процесс воздействует на выход и управление системы, обеспечивая соответствие выхода системы целям потребителя. Ограничение системы, принимаемое в результате процесса ограничения, отражается моделью выхода. Ограничение системы состоит из цели (функции) системы и принуждающих связей (качеств функции). Принуждающие связи должны быть совместимы с целью.

Е сли структуры, элементы, условия, цели и возможности известны, обнаружение проблемы (идентификация) имеет характер определения количественных отношений, а проблема называется количественной.

Если структура, элементы, условия, цели и возможности известны частично, идентификация имеет качественный характер, а проблема называется качественной или слабо структурированной.

Как методология решения проблем системный анализ указывает принципиально необходимую последовательность взаимосвязанных операций, которая (в самых общих чертах) состоит из выявления проблемы, конструирования решения и реализации этого решения. Процесс решения представляет собой конструирование, оценку и отбор альтернатив систем по критериям стоимости, времени эффективности и риска с учетом отношений между предельными значениями приращений этих величин (так называемых маргинальных отношений). Выбор границ этого процесса определяется условием, целью и возможностями его реализации. Наиболее адекватное построение этого процесса предполагает всестороннее использование эвристических заключений в рамках постулированной системной методологии.

Редуцирование (уменьшение) числа переменных производится на основе анализа чувствительности проблемы к изменению отдельных переменных или групп переменных, агрегирования переменных в сводные факторы, выбором подходящих форм критериев, а также применением где это, возможно, математических способов сокращения перебора (методов математического программирования и т. п.).

Логическая целостность процесса обеспечивается явными или скрытыми предположениями, каждый из которых может являться источником риска. Отметим еще раз, что структура функций системы и решения проблемы в системном анализе постулируется, т. е. являются стандартной для любых систем и любых проблем. Меняться могут только методы выполнения функций.

Совершенствование методов при данном состоянии научных знаний имеет предел, определяемый как потенциально достижимый уровень. В результате решения проблемы устанавливаются новые связи и отношения, часть которых обусловливает желаемый выход, а другая часть определят непредвиденные возможности и ограничения, которые могут стать источником будущих проблем.

Т аковы в общих чертах основные представления системного анализа как методологии решения проблем.

Применение системного анализа на практике может происходить в двух ситуациях:

· исходным пунктом является появление новой проблемы;

· исходным пунктом является новая возможность, найденная вне непосредственной связи с данным кругом проблем.

Заметим, что определение точного перечня частных функций, обеспечивающих реализацию перечисленных этапов решения новой проблемы - это предмет самостоятельного исследования, необходимость и значение которого не могут быть переоценены.

Решение проблемы в ситуации новой проблемы проводится по следующим основным этапам:

1. обнаружение проблемы (идентификация симптомов);

2. оценка ее актуальности;

3. определение цели и принуждающих связей;

4. определение критериев;

5. вскрытие структуры существующей системы;

6. определение дефектных элементов существующей системы, ограничивающих получение заданного выхода;

7. оценка веса влияния дефектных элементов на определяемые критериями выходы системы;

8. определение структуры для построения набора альтернатив;

9. оценка альтернатив и выбор альтернатив для реализации;

10. определение процесса реализации;

11. согласование найденного решения;

12. реализация решения;

13. оценка результатов реализации и последствий решения проблемы.

Реализация новой возможности проходит другим путем.
Использование данной возможности в данной области зависит от наличия в ней или в смежных областях актуальной проблемы, нуждающейся для своего разрешения в такой возможности. Использование возможностей в отсутствие проблем может таить в себе, как минимум, бесполезную растрату ресурсов.

Использование возможностей при наличии проблем, но игнорирующее проблемы, превращающееся в самоцель, может способствовать углублению и обострению проблемы.

Развитие науки и техники приводит к тому, что возникновение ситуации новой возможности становится заурядным явлением. Это требует серьезного анализа ситуации при появлении новой возможности. Возможность утилизируется, если лучшая альтернатива включает в себя эту возможность. В противоположном случае возможность может остаться неиспользованной.

Одна из задач, возникающих при использовании методологии системного анализа для решения проблемы, состоит в том, чтобы выделить полезные, ценные элементы эвристического процесса и применить их совместно с методологией. Таким образом, задача состоит в том, чтобы внести структуру в слабоструктурированный процесс.

При этом необходимо выполнить, по крайней мере, следующие основные требования:

1) процесс решения проблемы должен быть изображен с помощью диаграмм потока (последовательности или структуры процесса) с указанием точек принципиальных решений;

2) этапы процесса нахождения принципиальных решений должны быть описаны детально;

3) основные альтернативы и способы их получения должны быть демонстрируемыми;

4) предположения, сделанные для каждой альтернативы, должны быть определены;

5) критерий, с помощью которого выносятся суждения о каждой альтернативе, должен быть полностью определен;

6) детальное представление данных, взаимоотношения между данными и процедурами, с помощью которых данные должны быть оценены, должно являться частью любого решения;

7) важнейшие альтернативные решения и доводы, необходимые для объяснения причин исключения отклоненных решений, должны быть показаны.

Эти требования не равны по важности, точности выражений или степени полноты и объективности. Каждое требование имеет самостоятельную ценность.

О днако, исходя из содержания упомянутых этапов решения новой проблемы, могут быть использованы методы: теории поиска и обнаружения, теории распознавания образов, статистики (в частности, факторного анализа), теории эксперимента, исследования операций и смежные модели (очереди, запасов, игровых ситуаций и др.), теории поведения (гомеостатические, динамические, самоорганизации и другие), теории классификации и упорядочения, синтеза сложных динамических систем, теории потенциальной достижимости, теории авторегулирования, прогнозирования, инженерной и когнитивной психологии, искусственного интеллекта и инженерии знаний и смежных с ними дисциплин, теории организации, социальной психологии и социологии.