Теория систем Основы теории систем. Соотношение принципа системности, системного (комплексного) подхода и системного анализа

+Лекция 2. Теория систем Основы теории систем. Соот ношение принципа системност и, системного (комплексного) подхода и системного анализа. • • Структура системных исследований • Системный поАКОА представляет собой общенаучную методологию качественного исследования и моделирования различных объектов и процессов как систем. Большинство исследователей, особенно в прикладном аспекте, подчеркивает именно методологическую роль системного подхода, его качественный • Предметом исследований в рамках общей теории является изучение: • —различных классов, видов и типов систем; • —основных принципов и закономерностей поведения систем; • —процессов функционирования и развития систем. • Системные исследования представляют собой совокупность научных концепций, теорий, методологий и методов, в которых сложный объект исследования или моделирования рассматривается как система. Кроме того, это особая форма научнотехнической деятельности, ориентированная на специфические методы описания, познания и создания (конструирования) сверхсложных объектов как систем. Классическая» теория систем. • «Эта теория использует классическую математику и имеет цели: установить принципы, применимые к системам вообще или к их определенным подклассам (например, к закрытым и открытым системам); разработать средства для их исследования и описания и применить эти средства к конкретным случа­ям. Учитывая достаточную общность получаемых результа­тов, можно утверждать, что некоторые формальные сис­темные свойства относятся к любой сущности, которая является системой (к открытым системам, иерархическим системам и т.д.), даже если ее особая природа, части, отно­шения и т.д., не известны или не исследованы. Классическая» теория систем • Примерами могут служить: обобщенные принципы кинетики, применимые, в частности, к популяциям молекул или биологических существ, т.е. к химическим и биологическим системам; урав­нения диффузии, используемые в физической химии и для анализа распространения слухов; понятия устойчивого равновесия и модели статистической механики, применимые к транспортным потокам; аллометрический анализ биологических и социальных систем. Использование вычислительных машин и моделирование. • Системы дифференциальных уравне­ний, применяемые для «моделирования» или специфика­ции систем, обычно требуют много времени для решения, даже если они линейны и содержат немного переменных; нелинейные системы уравнений разрешимы только в не­которых частных случаях. По этой причине с использова­нием вычислительных машин открылся новый подход к системным исследованиям. Дело не только в значительном облегчении необходимых вычислений, которые иначе по­требовали бы недопустимых затрат времени и энергии, и замене математической изобретательности заранее установленными последовательностями операций. Важно еще и то, что при этом открывается доступ в такие области, где в настоящее время отсутствует соответствующая математическая теория и нет удовлетворительных способов решения. Использование вычислительных машин и моделирование. • Так, с помощью вычислительных машин могут анализировать системы, по своей сложности далеко превосходящие возможности традиционной математики; с другой стороны, вместо лабораторного эксперимента можно вос­пользоваться моделированием на вычислительной машине и построенная таким образом модель затем может быть проверена в реальном эксперименте. Таким способом Б. Гесс, например, рассчитал 14-звенную цепь реакций гликолиза в клетке на модели, содержащей более 100 нелинейных диф­ ференциальных уравнений. Подобный анализ стал обычным делом в экономических разработках, при исследовании рын­ка и т. д. Теория ячеек • Одним из аспектов системных иссле­ дований, который следует выделить, поскольку эта область разработана чрезвычайно подробно, является теория яче­ек, изучающая системы, составленные из под единиц с определенными граничными условиями, причем между этими под единицами имеют место процессы переноса. • Такие ячеечные системы могут иметь, например, «цепную» или «сосковую» структуру (цепь ячеек или центральную ячейку, сообщающуюся с рядом периферийных ячеек). Вполне понятно, что при наличии в системе трех и более ячеек математические трудности становятся чрезвычайно большими. В этом случае анализ возможен лишь благода­ря использованию преобразований Лапласа и аппарата теорий сетей и графов. Теория множеств. • Общие формальные свойства систем и формальные свойства закрытых и открытых систем могут быть аксиоматизированы в языке теории мно­жеств. По математическому изяществу этот подход выгодно отличается от более грубых и специализированных формулировок «классической» теории систем. Связи ак­сиоматизированной теории систем с реальной проблема­тикой системных исследований пока выявлены весьма слабо. Теория графов. • Многие системные проблемы относятся к структурным и топологическим свойствам систем, а не к их количественным отношениям. В этом случае используется несколько различных подходов. В теории графов, особенно в теории ориентированных графов (диграфов), изучаются реляционные структуры, представляемые в топологическом пространстве. • Эта теория применяется для исследования реляционных аспектов биологии. В магматическом смысле она связана с матричной алгеброй, но своими моделями — с тем разделом теории ячеек, в котором рассматриваются системы, содержащие частично «проницаемые» подсистемы, а вследствие этого — с тео­ рией открытых систем. • Теория сетей. Эта теория, в свою очередь, связана с теориями множеств, графов, ячеек и т. д. Она применя­ется к анализу таких систем, как нервные сети. • Кибернетика. В основе кибернетики, т.е. теории систем управления, лежит связь (передача информации) между системой и средой и внутри системы, а также управление (обратная связь) функциями системы относительно среды. Кибернетические модели допускают широкое применение, но их нельзя отождествлять с теорией систем вообще. В биологии и других фундаментальных науках кибернетические модели позволяют описывать формальную структуру механизмов регуляции, например, при помощи блоксхем и графов потоков • Использование кибернетических моделей позволяет установить структуру регуляции системы даже в том случае, когда реальные механизмы остаются неизвестными и система представляет собой «черный ящик», определяемый только его входом и выходом. Таким образом, одна и та же кибернетическая схема может применяться к гидравлическим, электрическим, физиологическим и другим системам. Тщательно разработанная техническая теория сервомеханизмов применяется естественным системам в ограниченном объеме. • Теория информации. По К. Шеннону, математическое выражение для понятия информации изоморфно выражению для негэнтропии в термодинамике. Считается, что понятие информации можно использовать в качестве меры организации. Хотя теория информации имеет большое значение для техники связи, ее применение в науке весьма незначительно. Главной проблемой остается выяснение отношения между информацией и организацией, между теорией информации и термодинамикой. Теория автоматов. • Это так называемая теория абстрактных автоматов, имеющих вход, выход, иногда способных действовать методом проб и ошибок и обучаться. Общей моделью теории автоматов является машина Тьюринга, которая представляет собой абстрактную машину, способную печатать (или стирать) на ленте конечной длины цифры 1 и 0. • Можно показать, что любой сколь угодно сложный процесс может моделироваться машиной Тьюринга, если этот процесс можно выразить конечным числом операций. В свою очередь, то, что возможно логически (т.е. в алгоритмическом символизме), может также быть сконструировано — в принципе, но не всегда практически — автоматом (т, е. алгоритмической машиной). • Теория игр. Несмотря на то, что теория игр несколь­ко отличается от других рассмотренных системных подходов, все же ее можно поставить в ряд наук о системах. В ней рассматривается поведение «рациональных» игро­ков, пытающихся достичь максимальных выигрышей и ми­нимальных потерь за счет применения соответствующих стратегий в игре с соперником (или природой). Следова­тельно, теория игр рассматривает системы, включающие антагонистические силы. Теория решений. Теория очередей. • Теория решений. Эта математическая теория изучает условия выбора между альтернативными возможно­стями. • Теория очередей. Рассматривает оптимизацию об­служивания при массовых запросах. • Несмотря на неоднородность и явную неполноту проведенного рассмотрения, отсутствие достаточной четкости в различении моделей (например, моделей открытой системы, цепи обратной связи) и математических формализмов (например, формализмов теорий множеств, графов, игр), такое перечисление позволяет показать, что существует целый ряд подходов к исследованию систем, а некоторые из них обладают мощными математическими методами. • Проведение системных исследований означает прогресс в анализе проблем, которые ранее не изучались, считались выходящими за пределы науки или чисто философскими. • проблема соответствия между моделью и реальностью чрезвычайно сложна. Нередко мы располагаем тщательно разработанными математически­ми моделями, но остается неясным, как можно применять их в конкретном случае. Для многих фундаментальных проблем вообще отсутствуют подходящие математические средства. Чрезмерные ожидания привели в последнее вре­мя к разочарованию. • Так, кибернетика продемонстриро­вала свое влияние не только в технике, но и в фундамен­тальных науках; построила модели ряда конкретных яв­лений, показала научную правомерность телеологического объяснения и т.д. Тем не менее кибернетика не создала нового широкого «мировоззрения», оставаясь скорее рас­ширением, чем заменой механистической концепции. Те­ория информации, математические основы которой детально разработаны, не смогла построить интересных приложений в психологии и социологии. • Многие теории, получившие огромное влияние в науке, явля­ются нематематическими по своему характеру (например, психоаналитическая теория), а в других случаях лежащие и их основе математические конструкции осознаются по­зднее и охватывают лишь отдельные аспекты соответству­ющих эмпирических данных (как в теории отбора). • Математика, по сути дела, сводится к установлению (алгоритмов, которые более точны, чем алгоритмы обычного языка. • Вероятно, лучше иметь сначала какую-то нематематическую модель со всеми ее недостатками, но охватывающую некоторый не замеченный ранее аспект исследуемой реальности и позволяющую надеяться на по­следующую разработку соответствующего алгоритма, чем начинать со скороспелых математических моделей. • Таким образом, модели, выраженные в обычном язы­ке, оставляют себе место в теории систем. Идея системы сохраняет значение даже там, где ее нельзя сформулировать математически или где она остается скорее направля­ ющей идеей, чем математической конструкцией. • В рамках системного подхода существуют и механистические, и организмические тенденции и модели, пытающиеся познать системы либо с помощью таких понятий, как «анализ», «линейная (включая круговую) причинность», «автомат» и т.д., либо при помощи понятий «целостность», «взаимодействие», «динамика» и им подобных. Эти два типа моделей не исключают друг друга и даже могут использоваться для описания одних и тех же явлений. • Системные исследования — вся совокупность научных и технических проблем, которые при всей их специ­фике и разнообразии сходны в понимании и рассмот­рении исследуемых ими объектов как систем, т. е. множества взаимосвязанных элементов, выступающих в виде единого целого. • Соответственно этому системный подход — эксплицитное (разъяснительное) выражение процедур представления объектов как систем и способов их описания, объяснения, предвидения, конструирования и т. д. • Общая теория систем, таким образом, выступает в этом случае как обширный комплекс научных дисциплин. Следует, однако, отметить, что при таком истолко­ вании в известной мере теряется определенность задач теории систем и ее содержания. Строго научной кон­цепцией (с соответствующим аппаратом, средствами и т.д.) можно считать лишь общую теорию систем в узком смысле. • Что же касается общей теории систем в широком смысле, то она или совпадает с общей теорией систем в узком смысле (один аппарат, одни исследовательс­кие средства и т.д.), или представляет собой действи­ тельное расширение и обобщение общей теории систем в узком смысле и аналогичных дисциплин, однако тогда встает вопрос о развернутом представлении ее средств, методов, аппарата и т.д. • Центральным моментом общей теории систем является идентификация (определение) системы как объекта теоретического исследования (в частом случае — объекта исследования). В теоретических построениях «система» это абстрактный объект, в определенной мере отражающий системные качества, присущие реальным предметам и явлениям. В конструктивном плане такой объект чаще всего представляют моделью. • Модель есть отображение (вербальное, концептуальное, информационное, математическое, физическое или другое) структуры, форм и процессов деятельности реальной системы, взаимоувязанных между собой общей целью.