Лектор: Силич Мария Петровна, д.т.н., профессор каф. АОИ 5 семестр 6 семестр Лекции 18 часов 18 часов Практические занятия 36 часов 36 часов Самостоятельная работа 54 часа 54 часа Зачет Экзамен Теория систем и системный анализ Томский университет систем управления и радиоэлектроники
Основная литература: Силич В.А., Силич М.П. Теория систем и системный анализ : Учебное пособие. - Томск: изд-во ТПУ, 2011. -276 с. ( http :// edu. tusur. ru ) Дополнительная литература: Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа: Учеб. пособие. – 3-е изд. – Томск: изд-во НТЛ, 2001. – 396 с. Анфилатов В.С., Емельянов А.А., Кукушкин А.А. Системный анализ в управлении: Учеб. пособие. - М. : Финансы и статистика, 2002. - 368 с. Методические материалы: Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине "Теория систем и системный анализ” для направления «Программная инженерия»(часть I ) / Силич М.П. - Томск: ТУСУР, 201 3. - с. ( http://aoi.tusur.ru ) Методические указания к выполнению самостоятельной работы по дисциплине "Теория систем и системный анализ” для направления «Программная инженерия» / Силич М.П. - Томск: ТУСУР, 201 3. - с. ( http://aoi.tusur.ru ) Вопросы для тестового контроля знаний по дисциплине "Теория систем и системный анализ” для направления «Программная инженерия»/ Силич М.П. - Томск: ТУСУР, 201 3. - с. ( http://aoi.tusur.ru )
Максимальные баллы по видам работ: тесты 27 баллов ( 7 + 7 + 7 + 6 ); практические занятия 40 баллов (5 баллов * 8 работ ); посещаемость 3 балла Общая сумма баллов в семестре 70 баллов Пересчет баллов в оценки за контрольные точки и зачет: 5 (зачтено) 90 % от максимальной суммы баллов 4 (зачтено) от 70% до 89% от максимальной суммы баллов 3 (зачтено) от 60% до 69% от максимальной суммы баллов 2 (не зачтено) < 60 % от максимальной суммы баллов
Кибернетика Н. Винер, У. Эшби Тектология А. Богданов Синергетика И. Пригожин, Г. Хакен Системная философия Э.Ласло, В. Сагатовский Теория систем Л. Берталанфи, М. Месарович Системотехника Ф. Темников, Г. Гуд, Р. Макол Системология Дж. Клир, Б. Флейшман Исследование операций Р. Акоф, М. Сасиени Системный анализ С Оптнер, Ю. Черняк Введение Философия сыграла большую роль в осознании системности материи, сознания и их отношения Кибернетика исследует закономерности управления в системах любой природы (животных, машинах, обществе) Тектология – «всеобщая организационная наука», исследует общие закономерности развития организации Биолог Л. фон Берталанфи выдвинул идею построения общей теории систем, приложимой к системам любой природы Синергетика - междисциплинарная теория, в центре внимания которой находятся явления самоорганизации в живой и неживой природе Исследование операций использует методы оптимизации для решения прикладных задач Системотехника предлагает методы создания, использования и совершенствования сложных технических комплексов (систем «человек – машина») Системология рассматривает онтологические, семиотические и лингвистические аспекты системного подхода В центре внимания системного анализа являются методы ликвидации сложных проблем в условиях неполноты информации и ограниченности ресурсов
Введение Основные понятия, закономерности строения, функционирования и развития систем. базовые модели систем, методы измерения/оценки систем, методы декомпозиции/композиции модели структур Основные положения теории систем и системного анализа Методы и модели теории систем и системного анализа Методологии системного анализа Технологии системного анализа базовая методология системного анализа методологии структурного анализа, методологии логического анализа Прикладные технологии системного анализа ( CASE -, BPR-, САПР-технологии), Объектно-ориентированная технология системного анализа
Тема 1.1. Строение систем Тема 1.2. Функционирование систем Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем Система состоит из частей Примеры определений : «Система есть совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как целое» (Тарасенко Ф.П.) Система - «множество объектов, на котором реализуется определенное отношение с фиксированными свойствами» (Уемов А.И.) «система есть совокупность объектов, свойство которой определяется отношением между этими объектами» ( [ Основы системного подхода ] ) Система - «комплекс взаимодействующих компонентов» (Л. фон Берталанфи) Части находятся во взаимосвязи, что обеспечивает целостность системы и обусловливает свойства системы
Примеры определений : «системой является то, что мы хотим рассматривать как систему» (Дж. Клир) «система есть средство достижения цели» (Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко) «система – это средство решения проблемы» (С. Оптнер ) «система есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания» (Черняк Ю.И.) «система есть конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с определенной целью в рамках определенного временного интервала» ([Основы системного подхода]) Систему выделяет субъект (наблюдатель, исследователь) для определенных целей ( задач) исследования Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем
Определение системы, как совокупности взаимосвязанных элементов: V – множество элементов, R – множество отношений между элементами Если система состоит из элементов различной природы: V i – множество однородных элементов некоторого вида Система как функция выходных объектов от входов: X - множество входных объектов, Y - множество выходных результатов Дополнительно введено множество свойств: Q s – множество свойств системы, Q v – множество свойств элементов Конструктивное определение системы N - наблюдатель Z - цель Расширенное определение: Sr - окружающая среда системы Δ T - время существования системы Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем
1. Целостность. Система выступает, как нечто единое, обладающее общими свойствами и поведением. 2. Делимость. В системе всегда можно выделить составные части. 3. Коммуникативность. Элементы, образующие систему, взаимодействуют друг с другом и со средой. 4. Динамичность. В результате внешних и внутренних взаимодействий, система подвержена постоянным изменениям. 5. Развитие. Открытые системы способны не только стабильно функционировать, но и усложнять свою структуру, развиваться. 6. Целеустремленность. Динамика системы отражает целенаправленность системы. Именно цель определяет и структуру, и функцию системы. Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем
Элементы – это части системы, которые мы рассматриваем, как неделимые. Подсистемы – это части системы, состоящие более чем из одного элемента подсистема 1 подсис-тема 1.2 подсис-тема 1.1 система подсистема 2 подсис-тема 2.2 подсис-тема 2.1 элементы система подсистема 1 подсистема 1.1 подсистема 1. 2 подсистема 2 подсистема 2.1 подсистема 2. 2 Принцип иерархичности : любой компонент системы (и сама система) выступает как часть системы более высокого уровня и одновременно как система для компонент низшего уровня. Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем
Эмерджентность – появление у системы при объединении составляющих ее частей в целое принципиально новых качеств, не имеющихся у отдельных частей Q s – свойства системы, q i – свойства i -го элемента Целое – больше, чем сумма Условия появления эмерджентности : функциональная специфичность элементов и подсистем; принцип взаимодействия : единство обеспечивается взаимодействием частей Пример мануфактуры по производству булавок: 1 рабочий - не более 20 булавок в день. мануфактура из 10 работников - 48000 булавок в день. Свойства – это то, что позволяет отличать объекты друг от друга. Сущность – свойство объекта, от которого зависят все его другие свойства. Явление – форма обнаружения сущности, отражающая внешние свойства. Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем
система Структура = структурные элементы + + связи (информационные, вещественные, энергетические) Отношение – соотнесение объектов друг с другом, установление различия или тождества в определенном смысле. Связь (зависимость) – это такое отношение между объектами, когда изменениям одного из них соответствует изменения другого Совокупность внутренних взаимосвязей составляет структуру системы Целостность системы основана на том, что суммарная сила (мощность) внутренних связей превосходит суммарную мощность внешних связей Свойство системы как целого проявляется во взаимодействии с окружающей средой, но само это свойство возникает лишь благодаря взаимодействию частей. Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем
Среда есть совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы Макросреда Микросреда Технологическое окружение Географическое окружение Политико-правовое окружение Социально-культурное окружение Организация Поставщики Гос. органы Потребители Партнеры Микросреда — объекты, непосредственно связанные с системой материальными или информационными потоками Макросреду составляют объекты, оказывающие опосредованное влияние через более или менее длинные цепочки причинно-следственных связей Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.1. Строение систем
Часть 1. Основы теории систем Системы Естественные Естественные – системы, существующие в живой и неживой природе, возникшие без участия человека. Искусственные Смешанные материальные абстрактные Искусственные – системы, созданные человеком Материальные системы состоят из физических объектов, собранных человеком в систему Абстрактные - системы представлений, созданные средствами мышления (модели) Смешанные — системы, представляющие собой объединения природных и искусственных объектов: эргономические системы ( «человек – машина»), организационные системы (включающие людей, а также технические устройства). Тема 1.1. Строение систем
Часть 1. Основы теории систем Системы Простые Сложные Два подхода к определению сложности: 1. Сложность связана с уровнем знаний о системе «Сложной называется система, в модели которой не хватает информации для эффективного управления» Ф.П. Тарасенко 2. Сложность связывается с особенностями самой системы: многомерность (большое число подсистем, связей); многообразие природы подсистем и связей; многообразие структур ( структур подсистем и системы); многокритериальность (разнообразие целей). Понятия «большая» и «сложная» система – разные. Большую систему отличает только размерность, сложную систему отличает многообразие (видов элементов, связей, структур, целей) Тема 1.1. Строение систем
Часть 1. Основы теории систем Системы Закрытые Открытые Закрытые – изолированные системы, не взаимодей-ствующие со средой. В них наблюдается возрастание энтропии, т.к. состояние равновесия характеризуется максимальной энтропией и минимальным использованием свободной энергии. Закрытые системы имеют тенденцию к разрушению структуры, к иссяканию. Открытые – системы, взаимодействующие со средой, обменивающиеся с ней материей, энергией, информацией. В открытых системах приток энергии предотвращает энтропию и позволяет достигать устойчивого состояния, не сопровождающегося разрушением структуры. При этом использование свободной энергии может быть направлено даже в сторону усложнения системы. Тема 1.1. Строение систем
Часть 1. Основы теории систем Системы стабильные Стабильные – структура и функции практически не изменяются в течение всего периода существования. Качество их функционирования со временем только ухудшается. Развивающиеся Адаптивные Самооргани-зующиеся Развивающиеся – структура и функции с течением времени претерпевают существенные изменения. Качество функционирования со временем может повышаться Адаптивные (самостабилизирующиеся) – в них происходят процессы адаптации, Самоорганизующиеся – происходит развитие. Условия для адаптации и развития: открытость системы, наличие активных элементов. Тема 1.1. Строение систем
Часть 1. Основы теории систем По степени организованности: хорошо организованные, поведение которых можно описать в виде детерминированных зависимостей, плохо организованные ( диффузные ), характеризуемые стохастичностью поведения, нестабильностью отдельных параметров По способу задания целей : системы, для которых цели задаются извне. Как правило, это стабильные системы, неспособные к каким-либо активным изменениям; системы, в которых цели формируются внутри системы. К ним относятся развивающиеся системы, т.к. они способны к выбору своего поведения в соответствии с внутренне присущей (имманентной) целью. По способам управления: Самоуправляемые системы, управляемые извне, с комбинированным управлением. Системы с программным управлением (без обратной связи) и регулируемые (с обратной связью). Системы с управлением по параметрам и с управлением по структуре. Тема 1.1. Строение систем Самостоятельное изучение темы 1.1: [ Силич В.А., Силич М.П. Теория систем и системный анализ, 20 11. – 276 с., п. 1.1, 1.2, 1.5 ]
Траектория конечное состояние параметр 1 начальное состояние параметр 2 Состояние — это множество одновременно существующих свойств системы. Свойства можно описать с помощью параметров (характеристик) Событие — это переход в новое состояние Поведение (функционирование) – совокупность действий, изменений системы, ее всякая реакция на внешние воздействия (изменение, развитие, рост). Поведение проявляется в изменении с течением времени состояний системы. Пространство состояний Параметры – координаты пространства состояний Состояние – точка в пространстве состояний Функционирование – траектория движения в пространстве состояний Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.2. Функционирование систем
Последовательность этапов от возникновения до распада системы называется жизненным циклом. Прохождение системами определенных стадий развития называется закономерностью историчности. Создание Рост Зрелость Упадок Время Эффективность Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.2. Функционирование систем
Равновесие - способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго Статическое равновесие – состояние покоя Динамическое равновесие обусловливается действием факторов, вызывающих в среднем равные и противоположные следствия Под переходным процессом понимается процесс изменения во времени параметров системы, имеющий место при переходе ее из одного равновесного состояния в другое Устойчивость – способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием возмущающих воздействий Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.2. Функционирование систем
Два уровня саморегулирования: самостабилизация (адаптация) – способность системы в ответ на поток возмущений из внешней среды вырабатывать соответствующие корректирующие действия, возвращающие систему в устойчивое состояние динамического баланса с внешней средой; самоорганизация (развитие) – способность системы в ответ на поток возмущений из внешней среды реорганизовать свою внутреннюю структуру Эквифинальность – «способность в отличие от состояния равновесия в закрытых системах, полностью детерминированных начальными условиями, … достигать не зависящего от времени состояния, которое не зависит от начальных условий и определяется исключительно параметрами системы» (Л. Фон Берталанфи) Способность систем к самоадаптации называют законом самосохранения, а способность к самоорганизации – законом развития. Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.2. Функционирование систем
Цель – желаемый результат деятельности системы (модель желаемого будущего) Объективные цели реализует природа, субъективные цели ставит человек. Имманентные цели – внутренне присущей системе. Цель может быть задана в пространстве состояний как: желаемое состояние – точка («увеличить объем выпуска продукции до 100 тыс. шт. в месяц»); диапазон состояний – область («сократить срок изготовления продукта на 25-30%»); желаемое направление – вектор («максимизировать прибыль»). начальное состояние Целевая область z 1 z 2 целевое состояние Цель- вектор Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.2. Функционирование систем
Управление — воздействие на объект для достижения заданной цели. Управляемость — это способность системы определенным образом реагировать на сигналы управления или на управленческое воздействие. Управляющая подсистема Объект управления Выход Управляющее воздействие Вход Обратная связь возмущения Для простых систем достаточно задать нужную программу управления. Такая система называется разомкнутой. Для сложных систем целесообразно использовать информацию о реальном выходе системы для определения дополнительного управления. Такая система называется замкнутой. Передача информации с выхода системы на ее вход называется обратной связью. Принцип обратной связи : управление сложной системой может осуществляться только при условии получения информации о результатах реализации предыдущих управляющих воздействий Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.2. Функционирование систем
Выбор управляющего воздействия зависит от проблемы (ситуации) При наличии случайных возмущений имеется разнообразие проблем Принятие решения, адекватного ситуации, снижает разнообразие проблем Неопределенность управления – разница между разнообразием проблем и разнообразием решений. результат 1 результат 2 решение 1 решение 4 ситуация 2 ситуация 1 решение 3 решение 2 Для управления сложной системой, в которой протекают сложные разнообразные процессы, система управления должна обладать не меньшей сложностью. Закон необходимого разнообразия У.Р. Эшби: Для того чтобы создать систему, способную справиться с решением проблемы, обладающей определенным разнообразием, нужно, чтобы система имела еще большее разнообразие, чем разнообразие решаемой проблемы, или была способна создать в себе это разнообразие. V D – V R V D - разнообразие проблем V R - разнообразие решений Раздел 1. Основы теории систем Тема 1.2. Функционирование систем
Информация в широком смысле – это отражение одного объекта на другой, т.е. когда состояние одного объекта находится в соответствии с состоянием другого. Источник сообщений Передатчик Получатель сообщений Приемник Канал связи Источник помех сообщение сигнал помеха сообщение сигнал + помеха Информация от источника (речь, изображение) преобразуется с помощью передатчика в сигнал (материальный носитель информации - колебания тока, радиоволны). Сигнал передается по каналам связи (электрическим, радиоканалам ) приемнику. Приемник обеспечивает обратное преобразование сигналов в сообщения. Специальные соглашения - код - позволяют получателю понимать смысл информации. При передаче сигнала по каналу связи к полезным сигналам примешиваются помехи (шумы) от различных источников. Тема 1.2. Функционирование систем Раздел 1. Основы теории систем
Кибернетический подход: информация оценивается с точки зрения ее полезности для управления. В случае недетерминированного поведения управляемого объекта и среды получение информации можно интерпретировать как изменение неопределенности в результате приема сообщения Количественной мерой степени неопределенности является энтропия: H ( A ) – энтропия случайного объекта A, принимающего множество возможных состояний А 1, … А n с соответствующими вероятностями p 1, … p n Количество информации о некотором случайном объекте определяется как разность априорной (до получения информации) и апостериорной (после получения информации) энтропий этого объекта: Тема 1.2. Функционирование систем Самостоятельное изучение темы 1.2: [ Силич В.А., Силич М.П. Теория систем и системный анализ, 20 11. – 276 с., п. 1.3, 1.4 ] Раздел 1. Основы теории систем
Модель представляет искусственный, созданный человеком объект любой природы (умозрительный или материально реализованный), который замещает или воспроизводит исследуемый объект. Процесс построения, изучения и применения моделей называется моделированием Модель - упрощенный, приближенный образ, который отражает наиболее существенные (с точки зрения цели моделирования) свойства оригинала. Соответствие модели оригиналу называется адекватностью модели. Адекватность включает требования полноты и точности (правильности). Требования должны выполняться в той мере, которая достаточна для достижения цели Принцип моделирования : замещение исходного объекта аналогом позволяет выделить скрытую от наблюдения сущность оригинала. Модель позволяет в более наглядной, «выпуклой», структурированной форме представить знания. Это способ существования знаний. Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
Для одного и того же объекта может быть построено множество различных моделей, отвечающих различным целям Виды подобия : прямое (макет, фотография), косвенное (подобие по аналогии), условное (на основе соглашений) Процесс моделирования имеет свойство динамичности : модели развиваются, уточняются, переходят одна в другую Тема 1.3. Модели систем Детектор сигнала Усилитель Преобразователь в звук структурная схема радиоприемника Передатчик Приемник модель внешнего вида радиоприемника 750 1000 1100 1400 2000 200 300 400 500 570 Раздел 1. Основы теории систем
Модели Познавательные Нормативные Познавательные ( объяснительные, «как есть», “As is” ) модели отражают уже существующие объекты Нормативные ( прагматические, «как должно быть», “To be” ) модели отражают объекты, которые должны быть осуществлены Статические модели не учитывают временной фактор Динамические модели отражают изменения объекта, происходящие с течением времени Динамическая модель сама может быть статична или находиться в динамике (имитационная модель) Статические Динамические Материальные Абстрактные Материальные модели построены из реальных объектов. Примеры: макеты, манекены, чучела. Абстрактные модели - это идеальные конструкции, выполненные средствами мышления, сознания. Примеры: схемы, чертежи, диаграммы, формулы Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
Модели Декларативные Процедурные Детерминированные Стохастические Формализованные Содержательные Декларативные модели отражают свойства, структуры, состояния объектов Процедурные модели отражают процедурное, операционное знание Детерминированные модели отражают процессы и явления, не подверженные случайностям Стохастические – отражают случайные процессы, описываемые вероятностными характеристиками и статистическими закономерностями В содержательных моделях сохраняется семантика моделируемого объекта Формализованные модели могут не иметь смысловой интерпретации Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
Язык Модель дерева целей естественный «Глобальная цель с кодом c 1 содержит две подцели второго уровня – c 2 и c 3, подцель c 2 содержит подцели c 4 и c 5, подцель c 3 – подцели c 6 и c 7 » графический c 4 c 5 c 6 c 7 c 2 c 3 c 1 теории множеств Множество целей Отношение доминирования: Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
Язык Модель дерева целей математический логический где - предикат, означающий, что цель c i содержит подцель c j произвольный семиотический c 1 ( c 2 ( c 4, c 5 ), c 3 ( c 6, c 7 )), где c i 1 ( c i 2, … c in ) – означает, что цель c i 1 содержит подцели c i 2, … c in. Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
предприятие Окружающая среда материалы продукция заказы энергия Эта модель рассматривает систему как единое целое, о структуре которого в модели нет информации Два аспекта использования модели: 1. В модели фиксируются входные и выходные связи системы с окружающей средой. Дополнительно входы и выходы могут быть описаны с помощью параметров. Параметр I квартал II квартал III квартал Объем производства 240 300 270 Численность персонала 3 3 3 Производительность 80 100 90 Затраты, тыс руб. 65 60 60 Затраты на ед. продукции 0,27 0,2 0,22 Эффективность средняя высокая средняя 2. В модели фиксируются целостные свойства системы в виде качественных и количественных параметров. В случае, если в модели отражаются зависимости между параметрами, то это «серый» («полупрозрачный») или «белый» («прозрачный») ящик Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
В модели фиксируется состав компонент системы – подсистем и элементов. В силу свойства иерархичности систем модель состава неизбежно принимает иерархический вид. Это связано с такими способами познания, как анализ и синтез. Анализ (разложение сложного на более простые компоненты) не позволяет судить о системе, как о целом. Поэтому необходим и обратный процесс – синтез. Сочетание синтетического и аналитического мышления – один из основных принципов системного подхода. Два основных способа построения модели состава: декомпозиция — последовательное расчленение системы на все более мелкие части; композиция — последовательное объединение частей системы во все более крупные подсистемы. Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
Модель структуры строится на основе модели состава системы. В ней фиксируются отношения между подсистемами (элементами) системы: материальные (информационные) потоки, пространственные, временные отношения, - причинно-следственные связи и др. Модели структуры изображают в виде графов. Примеры графов некоторых типовых структур : Древовидные структуры используются: - для модели на основе отношения «целое-часть»; классификаций (отношения типа «общее-частное»); деревьев целей (отношения «цель-средство» ); схем организационного управления (отношения власти/ подчинения). Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
Матричные схемы используются для систем, элементы которых связаны двумя типами связей. Связи одного типа – в виде вертикальных линий, связи другого типа – в виде горизонтальных линий. Примеры: матричные оргструктуры, связи в БД Сетевые структуры чаще всего используются для моделирования процессов. Пример – сетевой график работ. В виде сетей различной конфигурации представляют структуры коммуникаций. Типовые внутригрупповые коммуникационные сети: Самостоятельное изучение темы 1.3: [ Силич В.А., Силич М.П. Теория систем и системный анализ, 20 11. – 276 с., п. 2.1, 2.2 ] Тема 1.3. Модели систем Раздел 1. Основы теории систем
