1.3. Обобщенная структура системного анализа и синтеза

Краткое знакомство с основными положениями общей теории систем и системной динамики позволяет обосновать выбор тех основных моделей и методов, которыми следует пользоваться не только при системном анализе интересующих нас (наиболее опас­ ных) процессов в техносфере, но и в ходе синтеза системы обес­ печения их безопасности. Дело в том, что к этому нас подготовил накопленный к настоящему времени опыт научных исследований и приведенные ниже обобщенные принципы применения сис­ темного подхода к рассматриваемым здесь проблемам. I

28

1. При интерпретации объекта как системы каждый элемент яедует описывать не как таковой, а с учетом его места в системе.

2. Исследование системы необходимо проводить неотделимо от исследования окружающей ее среды.

\ 3. Центральным моментом системного исследования должно &ыть изучение порождения свойств целого из свойств элементов

наоборот.

4. В системном исследовании следует стремиться устанавливать це только чисто причинные объяснения функционирования и развития объекта, но и их целесообразность. и 5. Источник преобразований системы следует искать в ней са­рмой; нередко он связан с ее самоорганизацией и самонастрой-

*кой.

6. Необходимыми частями системного исследования нужно счи-; тать выявление целостности объекта, изучение его внутренних и внешних связей, структуры и функций, определение системооб­разующих факторов, интегральных свойств и показателей.

Наиболее полно предъявленным требованиям удовлетворяет системно-целевой подход, названный «system engineering"» одним из уже упомянутых основателей общей теории систем Л.Берта-ланфи. Такой подход базируется на основополагающих принци­пах общей теории систем и системной динамики, а также всеоб­щей теории управления (кибернетики) и теории самоорганиза­ции и эволюции сложных систем (синергетики). Однако его сущ­ность связана преимущественно с системным анализом и сис­темным синтезом, широко используемыми при исследовании и совершенствовании больших и/или сложных систем, в том чис­ле при разработке и реализации в техносфере крупных научно-технических проектов.

Учитывая отсутствие в настоящее время общепринятого тол­кования только что упомянутых категорий системного исследова­ния, остановимся на уяснении их содержания подробнее. Начнем с того, что подчеркнем неразрывную связь и органическое един­ство системного анализа и системного синтеза как двух частей познания и преобразования мира.

В самом деле, изучая какой-либо сложный объект, мы его вна­чале нередко расчленяем, выделяя и рассматривая отдельные ча­сти, т. е. анализируем, а затем устанавливаем связи между зафик­сированными сторонами этого объекта, т. е. синтезируем его ин­тегральные свойства. Другими словами, если анализ делает извес­тными отдельные признаки сложного объекта как целостного об­разования и свойства его частей как самостоятельных предметов,

* Корректный перевод этого (и «safety engineering») термина — «системная инженерия» и «инженерия (а не техника) безопасности». Его и будем придержи­ваться в последующем, тем более что есть точные переводы и других подобных словосочетаний, например «генная инженерия».

29

то их синтез уже систематизирует представления, добытые в ре­зультате анализа. При этом именно анализ выделяет и рассматри­вает те отличительные признаки и отношения между компонен­тами объекта, в силу которых они могут считаться частью какого-то целостного образования, и которые, следовательно, являются существенными для синтеза.

Вот почему системный анализ полезен с точки зрения его спо­собности выделять и рассматривать отличительные свойства, делающие их частью конкретной совокупности предметов, а сис­темный синтез, в свою очередь, — для выделения этой совокуп­ности как взаимодействующих компонентов некоторого целост­ного образования. Не зря же эти категории системного исследова­ния объектов иногда правомерно соотносить с понятиями «часть» и «целое», уже упомянутыми при формулировании принципов общей теории систем.

Таким образом, под системным анализом здесь будет подразу­меваться одно из направлений системного подхода к изучению больших и/или сложных систем, предполагающее мысленное рас­членение сложного объекта (целого) для выявления его наиболее существенных частей — компонентов и свойств. Системным же синтезом следует считать второе направление системного подхо­да, концентрирующее внимание на органическом соединении различных частей рассматриваемого сложного объекта в единое, целостное образование, уже обладающее качественно новыми свой­ствами, включая и способность к самоорганизации путем услож­нения и дифференциации.

Еще раз подчеркнем — только методология системного ана­лиза и системного синтеза, а не механическое расчленение (ре­дукционизм) и соединение каких-либо компонентов, влечет за собой проявление рассмотренных ранее принципов системности.

Необходимыми же для такого анализа и синтеза условиями следует считать: а) практическую потребность либо теоретичес­кую целесообразность; б) разнородность взаимодействующих ком­понентов и/или дифференцированность окружающей их среды, способствующие их диссимиляции, а затем и ассимиляции в ка­чественно новое и более сложное образование*.

Иначе говоря, системный анализ и системный синтез — это такая форма исследования какого-либо целого и его частей, ко­торая направлена на выявление в них совокупности системообра­зующих компонентов или свойств и устойчивых связей, необхо-

* Под теоретической целесообразностью понимается необходимость учета многообразия тех фактов, которые фиксируют взаимообусловленность элемен­тов некоторой общности, внешне кажущихся расчлененными, а под дифферен-цированностью среды — наличие в ней и разнородных автономных фрагментов, не относящихся к одному целому [Дмитриева Е. К. Синтез: понятие, структура, функции. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. — С. 9.]

30

имых для образования уже качественно нового объекта. При этом 1&кие компоненты, свойства и связи должны быть стабильными, |г. е. сохраняться при внешних и внутренних возмущениях. I¹ С онтологической точки зрения результаты системного анали-|а и системного синтеза могут рассматриваться как органическая Совокупность элементов или их свойств, находящихся в отноше­ниях реальной взаимосвязанности и временно видоизмененных. Именно такой подход, акцентирующий внимание соответствен­но на декомпозиции или искусственном расчленении сложных Црбъектов на составные части, а затем на образовании или конст­руировании из этих частей нового целого, и будет использоваться

i последующем.

(Последнее утверждение позволит далее ограничиться лишь по­знавательной и моделирующей функциями системного анализа и системного синтеза сложных процессов в техносфере. Для опреде­ления эвристической ценности представляется достаточным оха-| растеризовать эти два этапа как движение к новым знаниям. А вот [моделирующая функция должна проявляться в таких отношениях между существующими и конструируемыми объектами, которые I будут сопровождаться появлением нового качества. \ При этом моделирование путем системного анализа и синтеза ■ или наоборот — системный анализ и синтез на основе моделиро-\ вания дадут такую возможность конструирования сложных объек-| тов, которая детерминирована конкретным целеполаганием и ожи-\ даемыми результатами, а также их пригодностью к практическо-'■ му использованию. Ярким примером подобного отношения к при­менению системного подхода в прогнозировании может служить зарождение новой области научного знания — глобального моде­лирования.

В данном случае имеются в виду модели, разработанные члена­ми Римского клуба, а также акад. Н.Н.Моисеевым и К.Саганом, и описывающие состояние биосферы Земли в зависимости от тен-; денций развития цивилизации и массового применения ядерного оружия. Разработка таких моделей стала возможной благодаря си­стемному анализу происходящих в ней процессов. А вот систем­ный синтез различных научных школ позволил не только выявить пагубные для человечества перспективы, но и предложить пути решения соответствующих глобальных проблем.

Сделанные выше пояснения позволяют дать следующее рабочее ; определение выбранному здесь научному методу. Системная инже-' нерия — это междисциплинарный подход, в котором гармонично используются методы системного анализа и системного синтеза с целью выявления объективных закономерностей функционирова­ния сложных объектов, а также учета их самых существенных фак­торов при последующем обосновании тех рекомендаций, реализация которых может способствовать повышению качества этих объектов.

31

_т

Общая методология исследования и совершенствования боль­ших и сложных систем методами системной инженерии базирует­ся на их рассмотрении по таким аспектам:

а) системно-элементный, качественно и количественно харак­ теризующий состав системы;

б) системно-структурный, концентрирующий внимание на способах связи и организации взаимодействия ее элементов;

в) системно-функциональный, учитывающий задачи основ­ ных компонентов системы;

г) системно-коммуникативный, рассматривающий ее верти­ кальные и горизонтальные связи с другими объектами;

д) системно-интегративный, определяющий факторы самосох­ ранения и самосовершенствования сложной системы;

е) системно-исторический, выявляющий условия ее возник­ новения, развития и гибели.

Реализованное подобным образом представление исследуемо­го сложного объекта позволяет добиться успеха не только при его системном анализе, но и в процессе последующего системного синтеза. И если анализ непосредственно связан с моделировани­ем, то синтез осуществляется уже путем поиска тех решений (эв­ристически или решением задач нахождения экстремума), кото­рые могут быть положены в основу проектирования новой или улучшенной системы. Последовательно и кратко охарактеризуем самые основные шаги обобщенной процедуры практической реа­лизации системной инженерии, на примере каждого из только что перечисленных этапов этого общенаучного метода познания и преобразования действительности.

Естественно, что начать это рассмотрение целесообразно с уяс­нения особенностей системного анализа и моделирования сложных объектов. Важность первого этапа связана с тем, что их практичес­кое применение в системном исследовании интересующих нас про­цессов в техносфере позволит в последующем обеспечить удовлет­ворение таких важных требований, как: а) поиск ответа не только на традиционные вопросы типа «зачем», «почему», «как», но и «в какой очередности» они происходят; б) учет не всех (что и не нуж­но в принципе), а лишь наиболее существенных их факторов; в) возможность выявления основных закономерностей и прогнозиро­вания соответствующих параметров с помощью моделей.

Уместность и конструктивность выбора моделирования в каче­стве основного аппарата системного анализа (да и системного синтеза тоже) рассматриваемых здесь сложных объектов и про­цессов обусловлены (в сравнении с альтернативными исследова­тельскими инструментариями — статистическим и эксперимен­тальным) по меньшей мере такими тремя аргументами:

а) статистический подход требует отлаженной системы сбо­ра и обработки конкретной информации, а также малоэффекти-

32

вен в тех случаях, когда отсутствуют данные, необходимые для оценки эффективности принципиально новых проектов, и зат­руднителен из-за невозможности учета всего опыта, накоплен­ного в других сложных системах, — по причине их существенно­го различия;

б) экспериментальный же подход не обеспечивает требуемой оперативности выявления интересующих исследователя законо­ мерностей и требует больших затрат на проведение натурных ис­ пытаний; хуже того, он не может быть использован для опасных технологических процессов, поскольку это связано с угрозой здо­ ровью людей, крупным ущербом материальным и природным ресурсам;

в) моделирование лишено части перечисленных недостатков, хотя и требует определенного времени — для подготовки высоко­ квалифицированных специалистов, разработки моделей интере­ сующих их процессов, а затем и для качественного и количествен­ ного анализа этих моделей.

Как показывает опыт исследования сложных систем [6, 9, 35], использование моделирования для системного анализа процессов в техносфере может оказаться вполне оправданным и плодотвор­ным. В то же время не отрицается и применение статистического анализа и непосредственного экспериментирования, поскольку.они могут использоваться как средство получения и обработки исход­ных данных, необходимых для моделирования либо проверки дос­товерности полученных с его помощью результатов.

Основная же особенность моделирования процесса функцио­нирования конкретной системы и любого другого сложного объекта состоит в необходимости их одновременного представления сразу в трех подпространствах:

входы — множество воздействий на объект со стороны внеш­ней среды;

состояния — совокупность его внутренних свойств, определя-? ющих (совместно со входами) выходные реакции объекта;

выходы — множество возможных откликов моделируемого объек-|та. Соответствующие параметры, всех этих пространств в общем |случае считаются факторами, изменяющимися во времени.

33

Естественно, что формализованное представление моделируе-1мых таким образом категорий (объектов, явлений и процессов) ^предполагает их интерпретацию в виде систем. Текущее же состо-• яние конкретной системы должно представляться векторами в Iкаждом из только что перечисленных пространств, а процесс ее (функционирования — движением конца результирующего векто-|ра по некоторой траектории. Эту траекторию лучше всего пред­оставлять в виде совокупности уже упомянутых выше годографов. Вторым (после системного анализа) обобщенным этапом ис-|следования и совершенствования сложных объектов с помощью

12 Белов

инструментария системной инженерии является системный син­тез. Считается, что процедура его практического использования основывается на обосновании и реализации оптимальных (наи­лучших в некотором смысле) или рациональных решений, а ос­новными подходами по их отысканию служат эвристический по­иск и нахождение экстремума методами математического анализа или математического программирования. Кратко охарактеризуем особенности и области применения каждого из этих двух подходов. С определенной условностью, все эвристические приемы поис­ка искомых решений могут быть разделены на интуитивные, де­дуктивные и индуктивные. Принципиальным отличием приемов первого типа является то, что полученные с их помощью резуль­таты не всегда подлежат обоснованию в том смысле, как это при­нято в формальной логике, а потому и не могут быть воспроизве­дены или объективно проверены другими лицами. Напротив, два других способа принятия решений тесно связаны с соответствую­щими логическими методами построения умозаключений. В част­ности, дедуктивный метод использует в качестве исходных посы­лок общепринятые закономерности, а следствий — их проявле­ние в конкретных условиях. Индуктивный же метод базируется на полном или упорядоченном переборе всех тех вариантов искомо­го решения, которые не противоречат объективно действующим законам природы.

Если же провести инвентаризацию известных ныне эвристичес­ких приемов, то оказывается, что их чуть ли не дюжина [11]. В са­мом деле, это аналогия и имитация, призванные пополнить недо­стающую информацию; адаптация и повышение разнообразия — во имя повышения живучести проектируемого объекта; агрегиро­вание, детерминация, декомпозиция, линеаризация и унифика­ция — для упрощения исследуемой ситуации; ранжирование и оптимизация, направленные на компенсацию какой-либо нео­пределенности, и т.п.

Что касается методики поиска экстремальных (наименьших и наибольших) количественных результатов решения оптимизаци­онных задач, то она довольно подробно описана в соответствую­щих учебниках по высшей математике (математический анализ) и ее прикладным разделам (линейное, нелинейное и другие виды математического программирования). Естественно, что здесь не имеет смысла воспроизводить эту методику полностью, хотя не­которые ее моменты и будут изложены ниже — перед решением конкретных задач.

В целом же обобщенная процедура совместного применения методов системного анализа и синтеза сложных объектов может быть представлена так, как это сделано, например, на рис. 1.3.

Подчеркнем совпадение структуры (см. рис. 1.3) с известной формулой трехэтапного познания и преобразования действитель-

34

|jocth: «от живого созерцания — к абстрактному мышлению — и ^т них к практике». Однако эта диаграмма более содержательна, 1К как включает в себе элементы так называемой гибкой сис-гмной методологии. Именно такая методология может оказать­ся конструктивной для системного анализа и системного синте-тех рассматриваемых ниже человекомашинных систем и про­цессов в техносфере, которые относятся к классу плохо структу­рируемых.

Обратим внимание на ряд дополнительных трудностей, сопут-гвующих системному анализу и системному синтезу процессов и тений в таких сложных объектах, как рассматриваемые челове-Цюмашинные системы, не говоря уже о техносфере в целом.

1. Во-первых, это большое число факторов, реально влияющих Жа человекомашинную систему. С некоторым преувеличением мож- яо утверждать, что на процесс ее функционирования влияет бук-

тьно все или почти все. Действительно, ведь то, что влияет на Человека, машину и окружающую их среду, влияет также и на эвокупные свойства всей этой системы.

2. Во-вторых, это дефицит или низкое качество имеющейся 1ныне информации, что делает ее зачастую непригодной для мо- релирования. Указанные причины обусловлены дефицитом моде-

ей, позволяющих сформулировать требования к составу и пара­метрам оперируемых ими исходных данных. Если же нет спроса, нет и целенаправленной работы по накоплению подобной ин-эрмации.

Э мпирический системный анализ исследуемой сферы жизнедеятельности и выявление проблемных ситуаций

Идентификация соответствующих объектов или процессов и уточнение цели их системного исследования

Сбор и обработка информации, декомпозиция цели на задачи и выбор способа решения каждой из этих задач

Разработка моделей выбранных объектов и процессов, проверка их соответствия оригиналам и цели исследования

Проведение модельных расчетов и экспериментов с целью исследования и совершенствования выбранных оригиналов

Т еоретический системный синтез альтернативных рекомендаций и их внедрение в рассматриваемую сферу

Р ис. 1.3. Основные этапы системного анализа и системного синтеза

35

3. Наконец, это «букет» неопределенностей, затрудняющих мо­делирование и принятие решений, основанных на его результатах. Речь идет о таких видах неопределенности, как: а) объективная, связанная со случайностью процессов в рассматриваемых здесь сложных объектах; б) стратегическая, порожденная непредсказу­емостью действий других подобных систем; в) гносеологическая, связанная с нечеткостью представления учитываемых факторов.

Однако перечисленные особенности выбранного здесь объек­та, предмета и метода исследования не должны истолковываться как препятствие на пути к моделированию рассматриваемых про­цессов. Скорее, наоборот: осознание и своевременный учет по­добной специфики сделают предложенные здесь модели и методы более корректными, а значит, и абсолютно необходимыми для всестороннего исследования и совершенствования исследуемых здесь сложных процессов в техносфере.

Контрольные вопросы

1. Что такое система и из чего она состоит?

2. Существуют ли в природе системы как таковые?

3. Что называют структурой и морфологией системы?

4. Какие основные признаки используются для классификации систем?

5. Приведите пример закрытой и изолированной системы?

6. В чем состоят принципиальные отличия между сложными и про­ стыми системами?

7. Какой (гомогенной или гетерогенной) системой является фабрика?

8. Почему система может находиться в сравнительно небольшом чис­ ле состояний?

9. Можно ли по внешнему виду судить о предназначении системы?

10. Почему люди объединяются в малые и большие группы?

11. Какое содержание имеет термин «эмерджентность»?

12. Какие выводы следует сделать из принципа, утверждающего о том, что причиной большинства проблем является сама система?

13. В чем проявляется сущность «принципа несовместимости» для слож­ ных и больших систем?

14. Как называется выбранный здесь метод системного исследования и совершенствования сложных объектов и процессов?

15. Укажите связи между системной инженерией, системным анали­ зом и системным синтезом?

16. Как соотносятся между собой системный анализ и моделирова­ ние?

17. Перечислите основные способы поиска оптимальных и рациональ­ ных решений, реализующих системный синтез?

15. Что такое эвристика и каково ее место в системном синтезе?

19. В чем состоит отличие между эвристическими, дедуктивными и

индуктивными решениями?

20. Что означает «гибкая системная методология» и какова ее связь с известной формулой познания и преобразования действительности?

36