СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
Основным методом исследования сложных систем, в том числе социально-экономических и социально-производственных, является системный анализ. Общие этапы для любой методики системного анализа — это постановка задачи, формирование описания системы и выбор наилучших решений.
На этапе постановки задачи определяются цели исследования, производится выделение системы из среды, рассматриваются способы взаимодействия системы со средой, формулируются основные допущения.
Этап формирования описания системы включает следующие действия:
─ расчленение системы на элементы;
─ выделение подсистем;
─ определение общей структуры системы;
─ определение связей системы со средой и выявление внешних факторов, подлежащих учету;
─ выбор подхода к представлению системы;
─ формирование вариантов представления системы.
Особенностью методик системного анализа является то, что они опираются на понятие системы и используют общие закономерности строения, функционирования и развития систем. Специфическими для конкретного исследования этапами могут быть синтез возможных структур изучаемой системы, прогнозирование поведения системы при заданных условиях, выявление способов достижения определенных состояний и др.
Стандартного определения понятия «система» не существует. Основоположник теории систем Л. Берталанфи определил систему «как совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой». Позднее в определении системы появилось понятие цели. У.Р. Эшби указал на необходимость учета взаимодействия исследователя с изучаемой системой, что привело к включению исследователя в систему наряду с элементами, связями, свойствами и целями.
С философской точки зрения природа систем двойственна, т.е. это понятие одновременно отражает объективное существование и субъективное восприятие некоторой реальности. Значительным вкладом в теорию систем является определение системы, данное академиком П.К. Анохиным: «Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение приобретают характер взаимосодействия компонентов, направленного на получение фокусированного полезного результата», т.е. системообразующим фактором является полезный результат.
Дж. Клир в своей книге «Системология» пишет о том, что общее определение системы можно сделать более полезным для практики, введя классы элементов и отношений между ними. При этом классификация систем по типам элементов имеет экспериментальную, а по типам отношений — эпистемологическую основу, позволяющую выделять изоморфные классы систем. Дж. Клир выделяет два класса системных задач — задачи исследования и задачи проектирования. Задача исследования систем состоит в накоплении знаний о свойствах и отношениях существующих объектов в соответствии с конкретными целями. Задача проектирования систем заключается в создании новых объектов с заданными свойствами.
Сложным системам присущи следующие основные закономерности:
─ целостность — свойства системы не являются суммой свойств ее элементов, хотя и зависят от них;
─ коммуникативность — любая система является подсистемой в системе более высокого уровня;
─ иерархичность;
─ эквифинальность — способность системы достигать не зависящего от времени состояния, полностью детерминированного начальными условиями;
─ историчность;
─ закон необходимого разнообразия;
─ закономерности целеобразования — зависимость целей от уровня познания объекта, а также от внешних и внутренних факторов.
Академики. В. Прангишвили к главным общесистемным атрибутам относит первичные элементы системы, отношения между элементами, законы композиции отношений, фон системы. Он формулирует восемь законов композиции, которым подчиняется функционирование любых сложных систем:
1. перевод системы из одного качественного состояния в другое путем минимального воздействия в критическую точку фазового перехода системы;
2. закон эволюции, который утверждает, что любая система в процессе развития проходит в сокращенной форме собственный эволюционный путь, включая все его этапы (этот закон отрицает возможность «большого скачка»);
3. закон пирамиды, который гласит, что коэффициент полезного действия любой реальной системы не может достигать 100%, в связи с чем энергия, почерпнутая системой извне, постепенно уменьшается по мере приближения к конечной цели;
4. закон «островного эффекта», позволяющий определить возможную степень автономности системы в зависимости от ее параметров и от свойств окружения;
5. закон единства и борьбы противоположностей, определяющий возможность и условия объединения противоборствующих сторон;
6. закон причинно-следственных связей;
7. закон проявления нестабильностей системы, которые выражены нарушением когерентного взаимодействия с фоном этой системы;
8. закон существенной зависимости потенциала системы от изменения характера взаимодействия между ее элементами.
Свойства сложных систем можно разделить на три основные группы.
1. Свойства, определяющие взаимодействие системы с внешней средой. Важнейшие среди них — это устойчивость и характеристики состояний системы.
2. Свойства, характеризующие внутреннее строение системы (структура). Структура систем любой природы может изменяться как в результате взаимодействия с внешней средой, так и в результате протекания внутренних процессов. Параметром, характеризующим изменение структуры во времени, является энтропия. В открытых системах энтропия может не только увеличиваться, но и уменьшаться за счет ее увеличения во внешней среде.
3. Интегральные свойства, описывающие поведение системы. К ним относятся полезность, эффективность, надежность, управляемость, безопасность, живучесть и др. Одни свойства системы наследуются от свойств входящих в нее элементов, другие определяются как некоторая комбинация свойств элементов, ряд свойств системы — это новые свойства, отсутствующие у ее элементов. В общем случае интегральные свойства сложной системы не являются суммой свойств ее частей (нарушение принципа суперпозиции).
Системный подход к проектированию заключается в рассмотрении всего комплекса проблем, возникающих в течение жизненного цикла исследуемой системы. Основные аксиомы системного проектирования:
1. Из неразрешимости общей задачи проектирования вытекает необходимость ее декомпозиции на совокупность локальных задач, упорядоченных многоуровневой параллельно-последовательной логической схемой проектирования.
2. Из неопределенности исходных данных и ограничений в общей задаче проектирования вытекает необходимость их прогнозирования и обмена проектными решениями между функциональными ячейками системы проектирования в соответствии с определенной логической схемой.
3. Из логической противоречивости общей задачи проектирования вытекает необходимость организации итерационных циклов, которые определяют сходимость системных решающих процедур.
4. Из невозможности сконструировать априори «сквозное» правило предпочтения следует необходимость «индивидуального» построения многоуровневого критерия оценки проектных решений, который может быть получен эвристически только в конце итерационного цикла.
Построение формального описания сложной системы является необходимым этапом исследования. Формальные модели нужны для изучения внутреннего строения систем, для прогнозирования, а также для определения оптимальных режимов, функционирования. Наиболее высокий уровень абстрагирования имеют лингвистический и теоретико-множественный способы описания систем.
Лингвистический подход к описанию систем исходит из «характерных черт» системы. Этот подход весьма привлекателен, так как знания в виде высказываний являются наиболее доступным видом информации. Лингвистический подход уступает теоретико-множественному способу описания в плане компактности. Алгебраический подход к описанию систем, развитый Месаровичем и Тахакарой, во многих случаях позволяет получить полезные результаты, но существуют задачи, для которых более естественными являются описания других типов.
На сегодняшний день самый распространенный способ описания — теоретико-множественный. При этом наиболее развитым направлением теории систем является феноменологическое, которое основано на представлении системы S как некоторого преобразования входных воздействий Х в выходные величины Y.
В условиях неопределенности традиционным приемом является усиление степени размытости языка описания, поэтому часто в таких случаях переходят от рассмотрения входных и выходных величин к рассмотрению подмножеств их элементов. Это приводит к вероятностным и нечетким описаниям систем.
Характерная черта систем, в которых участвует человек (антропогенные системы), — это стремление к определенной цели (целенаправленность). Для описания целенаправленных систем применяется подход, отличный от феноменологического. Он заключается в том, что система описывается с помощью некоторой задачи принятия решений (ЗПР).
Любую систему преобразования входов в выходы можно формально представить как систему принятия решений и наоборот, поэтому для конкретной системы можно получить как феноменологическое, так и целенаправленное описание, если определена цель.
Существуют разные подходы к формированию целей проектирования. Сложившийся на практике стереотип — ясно поставленная цель есть главнейшее условие успеха — противоречит опыту специалистов по системному анализу, утверждающих, что цель создания системы и ее составляющие уточняются в ходе работы. Цель деятельности формируется на начальных стадиях проектирования, а достигается в момент времени t = Т, поэтому в процессах проектирования необходимо осуществлять исследование и разработку образов будущего на интервале 0 < t < Т. В связи с этим одним из условий, обеспечивающих успех любого проекта, является построение следующих прогнозов:
─ прогноз состояния или поведения внешней среды (надсистемы), взаимодействующей с исследуемой системой (объектом);
─ прогноз изменения целей функционирования и структуры исследуемой системы;
─ прогноз развития конкурирующих или противоборствующих подсистем, их характеристик и стратегий поведения.
Взаимодействие системы со средой, а также элементов системы друг с другом может быть представлено моделями структуры и моделями функционирования. Модель структуры в зависимости от цели исследования может иметь следующие разновидности:
─ внешняя модель — система представляется в каноническом виде, а ее связи с внешней средой выражаются посредством входов и выходов;
─ иерархическая модель — система расчленяется по уровням согласно принципу подчинения низших уровней высшим;
─ внутренняя модель — отражает состав и взаимосвязь между элементами системы.
Функционирование системы может быть представлено:
─ моделью жизненного цикла системы, характеризующей процесс существования системы от ее замысла до гибели;
─ операциональной моделью системы, представляющей совокупность процессов ее функционирования по основному назначению.
Существуют различные подходы к моделированию сложных систем.
Статистический подход основан на построении макромоделей больших систем, которые могут использовать различные типы описаний: теоретико-множественный, лексикографический, топологический и др. Макромодели дают представление о зависимости состояния системы от поведения человека и среды, но не учитывают состязательный характер развития и не содержат представлений об эффективности.
Структурно-функциональный подход связан с построением модели структуры, элементами которой являются функции. Для построения механизма, порождающего функции, используют теоретико-множественный аппарат и математико-лингвистические средства.
Ситуационное моделирование разработано для задач динамического управления сложными системами в условиях неопределенности. Система описывается конечным набором возможных ситуаций и соответствующих им управленческих решений. Главным условием применимости этого подхода является возможность классификации ситуаций.
Имитационное моделирование основано на использовании субъективных предположений исследователей о динамике рассматриваемых процессов. При моделировании динамики сложных систем дифференциальные уравнения можно составить только для идеализированной структуры при усредненных значениях параметров. Примерами могут служить модели системной динамики Дж. Форрестера. Разработанные им точечные модели дают хорошие результаты в тех случаях, когда они достаточно просты и когда оперируют с большими пространствами усреднения переменных. Усложнение обычно сопровождается переходом к моделям, распределенным в пространстве. При этом возникают серьезные затруднения с заданием граничных условий, определением неизвестных коэффициентов уравнений, а также сложности вычислительного характера.
Имитационное моделирование дискретных систем и процессов до недавнего времени было связано в основном с разработкой специализированных языков (SIMULA, GPSS и др.). Основная сфера их приложения — моделирование технологических процессов производства, а также моделирование функционирования организационных систем. Развитие технологий программирования и искусственного интеллекта значительно облегчило процесс разработки имитационных моделей. Появились языки и системы интеллектуального имитационного моделирования, доступные широкому кругу пользователей. На рынке программного обеспечения популярны визуальные пакеты системной динамики Ithink, ReThink, PowerSim и т. д.
Синергетический подход к моделированию сложных систем учитывает нелинейность сложных систем, одним из проявлений которой является нарушение принципа суперпозиции. В данном подходе используется динамическая имитационная модель системы, описывающая процесс ее развития. Основополагающие понятия в теории развития — информация и энтропия. Наиболее полное выражение идея о связи энтропии и информации получила в виде негэнтропийного принципа Бриллюэна: «Энтропия есть мера недостатка информации о действительной структуре системы». Для эволюции существенно не количество информации, а ее ценность, которая непосредственно связана со степенью использования информации в системе. Ценность информации оказывается тем больше, чем меньше существует способов выполнить нужную функцию без данной информации. Другими словами, ценность характеризует незаменимость информации. В процессе использования информации происходит отбор тех элементов-признаков, которые дают преимущества в ходе развития.
Согласно концепции И. Пригожина абсолютно устойчивая система не способна к развитию, так как она подавляет любые отклонения от устойчивого состояния.
Задачи проектирования систем всегда предполагают решение задач синтеза, которые в зависимости от исходных данных разделяют на три класса:
1. синтез структуры системы при заданных алгоритмах функционирования;
2. синтез оптимального поведения и алгоритмов функционирования системы при известной структуре;
3. синтез структуры и алгоритмов функционирования системы, распределение функций по элементам и определение их оптимального состава.
Требования, предъявляемые к синтезируемым системам, зависят от конкретных условий и определяющим образом влияют на качество получаемых решений.
Проблема выбора оптимальных решений из множества синтезированных объектов осложняется по следующим причинам:
─ объекты выбора (альтернативы) реально не существуют;
─ отсутствует возможность количественного или объективного измерения свойств проектируемой системы;
─ представление о «наилучшем решении» может отсутствовать или быть неоднозначным и противоречивым;
─ необходим учет многих критериев в процессах принятия решений;
─ требования к проектируемой системе изменяются с течением времени.
Задача структурного синтеза считается наиболее трудной для формализации проектной процедурой. Для синтеза необходима информация о базовых элементах системы, макроэлементах (типовая совокупность взаимосвязанных элементов) и обобщенных структурах проектируемого объекта. Автоматизация структурного синтеза, как правило, сопряжена с разработкой интеллектуальных систем. Для представления знаний об объектах синтеза обычно используются объектно-ориентированные модели. Распространенным средством представления обобщенных структур являются И-ИЛИ-деревья. Известны следующие подходы к алгоритмизации структурного синтеза:
─ перебор законченных структур;
─ наращивание структуры;
─ выделение варианта из обобщенной структуры;
─ трансформация готовых описаний.
Отсутствие строгого общего решения задачи синтеза сложной неоднородной системы обусловлено следующими причинами:
─ начальная информация о составе элементов и отношений между ними ограничена, различным уровням описания системы соответствуют свои составы элементов;
─ возможны альтернативные способы членения сложной системы на элементы;
─ не все свойства системы можно получить суммированием свойств ее частей;
─ в процессе формализации связи между элементами обычно выражаются через бинарные отношения или отношения, сводимые к бинарным, но известно, что система, будучи целостной организацией, не сводима к бинарным отношениям;
─ проектирование новых систем часто является поиском принципиально новых решений, следовательно, эффективный метод решения задачи должен включать процессы, ведущие к образованию новых структур с новым составом элементов и отношениями между ними.
Для моделирования и проектирования сложных систем широко применяются средства компьютерной поддержки автоматизированного проектирования, имеющие статус методик и стандартов, в частности, наиболее известны методики функционального, инфологического и поведенческого проектирования, закрепленные стандартами серии IDEF (Icam DEFinition). Методика Structured Analysis Design Technology (стандарт IDEF0) ориентирована на построение функциональных моделей систем управления производством, бизнесом и т. п., которые затем анализируются различными специалистами и используются при разработке структурных и имитационных моделей. Поведенческое моделирование (стандарты IDEF2, IDEF3) основано на построении имитационных моделей сложных систем с использованием теории массового обслуживания, сетей Петри и конечных автоматов. Методики инфологического проектирования (стандарты IDEF1, IDEF1X) ориентированы на поддержку создания баз данных на основе ER-моделей (сущность — связь). Главным результатом применения этих средств является экономия времени, которое затрачивается на преобразование описаний и форматов данных, используемых на разных этапах и в различных задачах проектирования.