Раздел 4. Системный подход в задачах анализа логистических систем

4.1. Цели и задачи системного анализа. Этапы системного анализа в приложениях логистики.

Системный анализ – это процесс изучения явлений окружающей действительности, представленных исследователем в соответствии с методологией системного подхода.

Объектом системного анализа являются, таким образом, выявленные исследователем в окружающем мире системы, включая и такие, как процессы подготовки и принятия решений, рассматриваемые как системы правил, процедур и приемов. Последнее особенно важно для задач системного анализа логистических систем.

Предмет системного анализа включает в себя общесистемные характеристики и взаимодействие системы с ее окружением. Системный анализ, в отличие от исследования операций, направлен скорее «вовне» системы, поскольку проводится чаще всего с позиций надсистемы.

Основные методы системного анализа можно объединить в четыре группы:

• эвристические методы;

• семиотический подход;

• методы аналогий;

• аналитические методы;

• имитационное моделирование.

Цель системного анализа – опираясь на принципы системного подхода исследовать свойства изучаемой системы одним или несколькими изложенными выше методами, оценить показатели качества ее функционирования в прогнозируемых условиях, разработать предложения по усовершенствованию системы.

Задачи системного анализа:

• сформировать описание изучаемого объекта в понятиях и категориях системного подхода, представив его как систему;

• классифицировать полученную систему, определить ее назначение, основные функции, области применения, стадии жизненного цикла;

• исследовать структуру, внутренние связи системы и ее связи с внешней средой;

• изучить и выявить внутрисистемные процессы и зависимости, правила функционирования элементов в системе, потребляемые ресурсы, существующие пределы и ограничения;

• определить иерархию системных ценностей и их место в ценностях надсистемы;

• изучить процесс реализации управления в системе, оценить характеристики управляющей подсистемы;

• сформировать систему показателей качества и эффективности функционирования системы;

• выбрать методы и инструменты оценки сформированных показателей;

• определить состав необходимых первичных данных и требования к ним;

• спроектировать и реализовать механизм сбора, хранения и обработки первичных данных;

• построить, верифицировать и откалибровать модель системы;

• исследовать поведение системы на модели в различных условиях;

• разработать предложения по усовершенствованию системы и оценить их эффективность на модели.

Решение этих сложных и взаимосвязанных задач разбивается на этапы. К основным этапам системного анализа относятся:

• подготовительный этап;

• этап макроописания системы;

• этап микроописания системы;

• моделирование и прогноз поведения системы.

Весьма часто задачи системного анализа решаются методом последовательных приближений – сначала весьма упрощенно, потом – с нарастающей степенью детализации и полноты. При этом все указанные этапы циклически повторяются.

Подготовительный этап весьма важен и включает следующие действия:

• четкая формулировка проблем, которые необходимо разрешить в результате анализа;

• определение необходимой степени детализации системы;

• определение границ исследования (временных, стоимостных, границ применения результатов).

Первым уровнем описания системы является макроскопическое описание. Оно заключается в игнорировании детальной структуры системы и наблюдении только общего поведения системы как целого, в оценке ее интегративных характеристик. При таком подходе создается модель системы вида «вход-выход» и изучается взаимодействие системы с внешней средой.

К числу макроскопических характеристик системы относятся:

• тип структуры;

• цели системы;

• системные (интегративные) свойства;

• границы системы;

• характер взаимосвязи «вход-выход» (детерминированная или стохастическая);

• особенности функционирования (дискретное или непрерывное);

• степень организованности и высота организации;

• описание внешней среды.

Системные свойства, как правило, ориентированы на достижение целей системы. Если системные (интегративные) свойства на этапе макроописания определены правильно, то в границы системы необходимо включать те компоненты, без которых системные свойства не могут быть реализованы. Это первое правило определения границ системы.

Полезно также иметь в виду, что если в составе системы удается выделить управляющую компоненту, то все элементы и подсистемы, управляемые этой компонентой, входят в изучаемую систему. Это второе правило определения границ системы.

Оценка степени устойчивости и существенности связей может быть выполнена с использованием понятия мощности связи. Для простейших физических систем оценкой мощности связи может служить количество энергии, затрачиваемое на ее разрушение или формирование. Такой подход применим и для техногенных человекомашинных систем, если вместо энергетической меры использовать величину затрат на установление и поддержание связей. Иногда сравнительно просто оценивается сила экономических связей по величинам взаимных финансовых обязательств, объемам поставок, сбыта и т.п. Мерой мощности связей может, в простейшем случае, служить число внутрисистемных связей компонента и число его внешних связей.

Если удается провести количественную оценку мощности всех связей компонента S, то решение о включении его в изучаемую систему можно принять на основе коэффициента степени включенности u_S:

,

где - мощность i-й внешней связи S –го компонента, - мощность j-й внутрисистемной связи этого же компонента.

Показатель u_S позволяет сформулировать третье правило включения рассматриваемого компонента в систему, основанное на критерии пригодности. Если u_S >0 , значит, мощность внутрисистемных связей превалирует над внешними связями компонента, и он должен быть включен в изучаемую систему. При u_S <0, наоборот, внешние связи оказываются мощнее внутрисистемных, и компонент, скорее всего, принадлежит другой системе. Если же u_S =0, вопрос принадлежности компонента системе следует решать другими способами, учитывая при этом его существенное тяготение к внешней среде.

Описание внешних связей тесно связано с формированием описания внешней среды, которое следует проводить с позиций изучаемой системы (для разных систем описание внешней среды может быть различным). При этом целесообразно группировать объекты внешней среды следующим образом:

• ресурсы, потребляемые системой;

• ресурсы, недоступные системе;

• взаимодействующие компоненты внешней среды (надсистема и другие системы);

• конкурирующие компоненты внешней среды;

• безразличные компоненты внешней среды;

• существенные внешние условия существования системы.

Микроописание системы является следующим этапом системного анализа, основывается на результатах макроописания и связано с детальным описанием каждого компонента системы, всего комплекса внутренних процессов, происходящих в системе. Центральным для микроописания выступает понятие элемента. «Стратами» (срезами) поэтапного изучения являются:

• структурный анализ;

• функциональный анализ;

• информационный анализ;

• процессуальный анализ;

• прагматический анализ.

Структурный анализ является основой для последующих этапов изучения системы. Он направлен на детальное и углубленное изучения состава системы и характера связей между ее элементами. Глубина структурного анализа определяется стоящими задачами исследования, значимостью влияния нижележащих слоев структуры на интегративные характеристики системы, достижимой степенью снятия неопределенности.

Основной задачей функционального анализа является определение поведения системы, ее возможностей и взаимоотношений с другими системами. Функциональное описание, так же как и структурное, имеет иерархическую схему и должно отражать иерархию функций, процедур и параметров системы. Описания более высокого уровня, как правило, основываются на обобщенных и факторизованных переменных низшего уровня. Для развивающихся систем важным аспектом является описание изменчивости функций, что сближает функциональный анализ с процессуальным описанием системы.

Задачи информационного описания заключаются в определении характеристик организации системы и оценке ее сложности. Ведущую роль информация играет и в процессах управления. При проведении информационного анализа следует выделить следующие информационные компоненты:

• потребности элементов и подсистем в информации;

• требования, предъявляемые элементами и подсистемами к качеству информации на различных этапах функционирования системы;

• источники информации;

• подсистемы сбора первичных данных;

• подсистемы хранения;

• подсистемы обработки данных и выделения информации;

• подсистемы передачи информации;

• подсистемы анализа информации.

Следует разделять отчетную, аналитическую, и управляющую информацию, а также ранжировать выделенные информационные потоки по набору критериев (важность, срочность, конфиденциальность и др.). Полезно классифицировать информационные потоки по видам носителей и по качеству информации.

Сформированное информационное описание системы должно быть согласовано со структурным и функциональным описаниями, полученными ранее.

Процессуальный анализ дает представление об особенностях протекания процессов в системе в различных фазах ее существования. Центральным понятием здесь является понятие «жизненного цикла» системы. Как правило, это ретроспективный анализ, проводимый по совокупности данных о системе или ее аналогах, накопленных за обозримый прошлый период ее функционирования.

Прагматический анализ проводится лишь для целенаправленных и ценностно-ориентированных систем, к которым относятся системы логистики. Он предполагает выявление или уточнение назначения, целей системы, определение показателей качества и эффективности ее функционирования, оценку степени оптимальности системы, и должен заканчиваться предложениями по усовершенствованию системы или по замене ее на другую, существующую или перспективную.

Общая задача структурного анализа состоит в том, чтобы, исходя из заданного описания элементов системы и непосредственных связей между ними, сформировать формальную математическую модель ее структуры и получить заключение о структурных свойствах системы в целом и основных ее подсистем.

К основным свойствам, определяющим качество структуры, относятся:

• связность структуры;

• структурная избыточность;

• структурная компактность;

• централизация структуры;

• сложность структуры;

• значимость элементов.

Структурный анализ системы предполагает выполнение следующих действий:

• построение структурной модели системы с помощью ее структурной схемы, позволяющей перейти от содержательного описания системы к математическому;

• выбор показателей качества структуры системы и разработка методики их определения;

• оценивание качества структуры системы, определение значимости элементов системы и связей между ними;

• разработка рекомендаций по совершенствованию структуры системы.

Математическое описание структур систем строится на основе теории отношений, которая, в свою очередь, использует представление отношений между элементами в виде множеств, графов и булевых матриц. Не любое множество элементов образует систему, а лишь то, на котором задано некоторое отношение.

Задать какое-либо отношение из словаря отношений – это значит указать, между какими элементами множества Х оно выполняется. Множество Х, на котором отношение определено, называется областью задания отношения.

Упорядоченные пары элементов , т.е. элементы множества Х_*Х, для которых выполняется заданное отношение, образуют подмножество R прямого произведения Х_*Х. Отсюда следует общее определение: отношение на множестве Х есть подмножество R пар из множества Х_*Х. Содержательный смысл такого определения состоит в том, что выбор подмножества R во множестве Х_*Х определяет, какие пары находятся в данном отношении. Если пара входит в , т.е. , то пишут , что читается так: «x_i находится в отношении R с x_j». Подмножество пар R называют графиком отношения .

Отношение может быть задано на паре множеств Х и Y. График такого отношения имеет вид .

При n =2 отношение называется бинарным. Графики отношений вида и описывают бинарное отношение.

Если множества Х и Y конечны и содержат, соответственно n и m элементов, то могут быть использованы следующие формы представления графика :

• прямое перечисление пар ;

• сеточное представление в виде сетки с m горизонталями, каждая из которых соответствует элементу , и n вертикалями, соответствующими элементам , и помеченными узлами на

а)

б)

в)

Рис.11. Формы представления бинарных отношений

пересечениях i -й горизонтали и j-й вертикали, если имеет место отношение (рис.11а);

• матричное представление в виде булевой матрицы отношений (матрицы инциденций) размерности с единицами и нулями в качестве элементов этой матрицы, при этом наличие единицы на пересечении i -й строки и j-го столбца означает, что имеет место отношение (рис.11б);

• стрелочное представление, в котором стрелки соединяют точки и в том случае, если имеет место отношение (рис.11в).

Отношения могут обладать элементарными и комбинированными свойствами, позволяющими выделять существенные классы отношений.

К элементарным свойствам отношений относятся:

• рефлексивность (антирефлексивность);

• симметричность (антисимметричность);

• транзитивность (антитранзитивность);

• полнота (неполнота);

• цикличность (ацикличность);

• связность (несвязность).

К комбинированным свойствам отношений относятся:

• толерантность;

• эквивалентность;

• порядок (строгий, нестрогий, частичный, линейный и др.).

Наиболее часто используются свойства транзитивности, рефлексивности и симметричности, позволяющие ввести меру расстояния между отношениями.

Бинарное отношение транзитивно, если из и следует . Примерами транзитивных отношений являются отношения строгого порядка (больше, меньше, лучше, хуже). Примерами нетранзитивных отношений являются отношения сходства и несходства. Если свойство транзитивности не выполняется ни для одного сочетания ( ), отношение называется антитранзитивным.

Бинарное отношение рефлексивно, если для любого существует отношение . Если же ни для одного это не выполняется, отношение называется антирефлексивным. Примерами рефлексивного отношения являются отношения нестрогого порядка (не больше чем, не меньше чем, не лучше чем и т.п.) подобия, сходства, а примером антирефлексивного отношения – отношение строгого порядка.

Бинарное отношение симметрично, если для любой пары из задания отношения следует наличие отношения . Если условие не выполняется ни для одной пары , то отношение называется антисимметричным. Примерами симметричного отношения являются отношения подобия, сходства, а антисимметричного – строгий порядок.

Бинарное отношение R называется k-циклическим, если R^k=R.

Цель функционального анализа заключается в иерархическом разделении системы на функциональные элементы, описании их функций и построении функциональной структуры системы.

Функциональный анализ включает следующие этапы:

• формулирование функций;

• выяснение состава функций;

• отнесение функций к основным, вспомогательным и ненужным;

• установление иерархии функций и их взаимных связей;

• построение функциональной структуры системы;

• выявление качества исполнения функций;

• усовершенствование функций.

Функции, которыми обладает или должна обладать анализируемая система как единое целое, называют общесистемными, а функции компонентов системы – внутрисистемными.

Совокупность всех функций системы в целом и ее компонентов вместе с их отношениями образует функциональную структуру системы. Эта структура строится по иерархическому принципу: выполнение функций более высокого уровня обеспечивается совокупностью частных функций предшествующего уровня, которые, в свою очередь, обеспечиваются функциями более низкого уровня и т.д., вплоть до элементарных функций, не подлежащих дроблению.

В качестве примера рассмотрим упрощенный вариант функциональной структуры управляющей системы организации. Присущие ей управленческие функции можно классифицировать следующим образом:

1. Информационно-справочные:

• учет ресурсов;

• документирование;

• делопроизводство.

2. Расчетные:

• распределение ресурсов по заданному плану;

• решение формализованных задач;

• оптимизация.

3. Аналитические:

• анализ и упорядочение данных;

• объединение данных;

• представление данных.

3. Контрольно-учетные:

• сбор и проверка сведений;

• составление отчетов;

• оценка результатов деятельности.

3. Решающие:

• распознавание ситуаций;

• подготовка альтернатив решения;

• выбор решения;

• утверждение решения.

Приведенный набор является полным и должен быть реализован целиком для успешного функционирования управляющей системы. Однако варианты реализации в различных реальных системах существенно отличаются друг от друга. Они зависят, прежде всего, от масштабности управляемых процессов, от располагаемых ресурсов управляющей системы, от квалификации управленческого персонала. Нередко недостатки функциональной структуры, реализованной в управляющей системе, снижают качество управления.

Пусть организационно управляющая система состоит из трех человек – директора, бухгалтера и секретаря (рис.12).

Вариант функциональной структуры, изображенный на рисунке 12, имеет, как минимум, пять недостатков, обусловленных неправильным распределением функций между функциональными элементами.

Рис. 12