Введение 1 page

В последние десятилетия прошлого века во многих вузовских учебных программах появился курс системного анализа. О чем этот курс и что способствовало его появлению? К ответу на этот вопрос можно подойти по-разному. Вот один из этих ответов, правда, не претендующий на исчерпание проблемы. В школьных курсах при решении тех или иных задач учащийся часто может заглянуть в ответ, чтобы убедиться в правильности решения. В таких ситуациях не возникает сомнений в корректности постановки задачи. В инженерной практике приходится сталкиваться с задачами другого типа. Прежде чем задачу решать необходимо убедиться в ее правильной постановке. Таким образом, реальная задача как бы распадается на две части: на исходную постановку и собственно на ее решение в традиционном смысле.

Ясно, что эти части взаимосвязаны, так что формально верные результаты могут быть обесценены неудачной постановкой проблемы. Это обстоятельство особенно важно иметь в виду при решении сложных и очень сложных проблем, с которыми столкнулась не только инженерная, но и общечеловеческая практика в прошедшем веке. Конечно сразу же возникает вопрос, а можно ли вообще найти нечто общее в практике постановки и решении самых разнообразных по характеру проблем? Современная наука придерживается здесь мнения сдержанного оптимизма, развивая метод системного анализа. Системный анализ это совокупность методов и средств представления объектов исследования как некоторых систем со всеми вытекающими отсюда особенностями. Эти особенности систем вообще и изучают в курсе системного анализа.

Факторы, способствующие появлению системного анализа как университетского курса, следующие:

1. Необходимость формирования современного системного мышления у будущего специалиста или, по крайней мере, формирование понимания его сущности.

2. Необходимость быстрейшего преодоления узкой специализации.

3. Интеграция современного научного знания - наведение мостов между техническими и гуманитарными знаниями.

Настоящее учебное пособие написано на основе опыта преподавания курса "Введение в системный анализ" в Московском государственном университете инженерной экологии. При чтении курса за основу было принято учебное пособие для вузов: Ф.И.Перегудов, Ф.П. Тарасенко. Введение в системный анализ – М: Высшая школа, 1989. – 367 с.

В курсе, читаемом в МГУИЭ, материал смещен в область химической техники и термодинамики. Значительно усилен раздел, посвященный энтропии и информации. На отбор материала повлиял не только объем часов, отводимых в учебном плане (34–51 ауд. часов в зависимости от факультета), но в определенной степени также и научные интересы автора. В частности, для иллюстрации системных свойств объектов технического и природного происхождения достаточно широко используется развиваемая автором нелокальная версия термодинамики (НВТ).

В основном для преподавателей в приложении к пособию изложены основы нелокальной версии термодинамики.

1.СИСТЕМНОСТЬ КАК СВОЙСТВО МАТЕРИИ

1.1. Системный анализ как прикладная диалектика. Во второй половине прошлого века в разных сферах практической деятельности стали появляться научные направления, связанные с решением проблем, характерных для сложных и очень сложных систем. Эти направления получали разное название: в инженерной деятельности – "методы инженерного творчества", "системотехника"; в военной области– "исследование операций"; в научных исследованиях прикладного характера – "имитационное моделирование" и т. д. Впоследствии оказалось, что все эти направления содержат много общего. Формирование этого общего в единую методологию на основе исследования особенностей систем составляет сущность системного анализа.

Остановимся на некоторых особенностях системного анализа как научной дисциплины.

Рис.1.1. Фрагмент структуры научно-технического знания. I – философия; II – естественные науки (физика, химия, биология); III – междисциплинарные науки (математика, кибернетика, теория систем); IV - технические науки (техническая термодинамика, сопротивление материалов, теория механизмов и машин и многие др.); V – системный анализ; VI – теории технических систем;VII – алгоритмы расчета. Программные продукты. VШ – неформальные приёмы проектирования и конструирования

1. Курс системного анализа носит междисциплинарный характер. На рис.1.1 изображен фрагмент иерархической структуры научно-технического знания с указанием места, которое занимает в этой структуре системный анализ. Здесь следует обратить внимание на область наук междисциплинарного характера. Такой классической наукой, как известно, является математика, применимая к любой области знания. Аналогичный статус занимает кибернетика, возникшая в середине прошлого века, а также общая теория систем. К ним же можно отнести и системный анализ, который, используя положения как кибернетики так и общей теории систем, делает, тем не менее, акцент на прикладные вопросы.

2.В инженерной практике системный анализ акцентирует внимание на правильную (системную) постановку задачи, а не только на ее формальное решение. Большое внимание здесь уделяется задачам оптимального проектирования, выбору критериев оптимальности.

3.Своеобразным теоретическим ядром системного анализа являются энтропийно-информационные понятия. В традиционных подходах используется в основном классическая вещественно-энергетическая компонента. "Первое, и быть может главное, отличие подхода к изучению любого объекта как системы, а не просто объекта, и состоит в том, что мы ограничиваемся не только рассмотрением и описанием вещественной и энергетической его стороны, но и (прежде всего) проводим исследование его информационных аспектов: целей, сигналов, информационных потоков, управления, органи-зации и т.д."[1, с.125].

4. Курс системного анализа имеет методологическую направленность, т.е. ориентирует на применение некоторых общих принципов при решении сложных задач, часто не претендуя на однозначность. Очень хорошо иллюстрирует эту особенность шутливое определение системного подхода: "системный анализ это неудовлетворительный метод решения задач в условиях, когда другие методы дают еще худшие результаты". Именно методологическая компонента, содержащая определенную философскую нагрузку, придает курсу междисциплинарный характер и служит связующим звеном между гуманитарными и техническими знаниями, что является одной из задач любого технического университета. Эта же особенность вызывает некоторые трудности в усвоении курса для студентов технических вузов, привыкших преимущественно к формальной (математической) логике.

Авторы первого учебного пособия по системному анализу [1] рассматривают системный анализ как прикладную диалектику. В этой связи полезно напомнить о месте диалектического метода в современной философии. Напомним, что в самой общей формулировке диалектика – это учение о развитии.

Можно выделить четыре главных философских направления в зависимости от характера ответа на два основополагающих вопроса [2].

1. Существует ли что-либо кроме материального мира?

2. Признается ли помимо формально-логического мышления существование также интуитивного мышления?

Положительный ответ на первый вопрос предполагает наличие некоторых сущностей вне материальных объектов (бог, космический разум, высший дух и пр.). Критерии, которым пользуется наука, не позволяют ей дать положительный ответ на первый вопрос: религия покоится на вере, наука же, наоборот, во всем ищет повода для сомнений. Отрицательный ответ на первый вопрос объективно относит исследователя к материализму, а положительный – к идеализму.

Остается теперь два возможных ответа на второй вопрос. Часть ученых придерживается точки зрения, согласно которой только формально-логическое мышление заслуживает доверия в научных доказательствах. Другие не согласны с этим утверждением, – если природа системна, то и мышление человека, даже если оно интуитивно, также системно и может содержать элементы истины. Известно, например, что А.Эйнштейн придавал большое значение научной интуиции.

Эти два разных ответа делят идеалистов на субъективных и объективных позитивистов, а материалистические взгляды приводят к метафизике и диалектике (см. табл.1.1).

Выделим основные признаки системности. К ним, обычно, относят: с труктурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели

В этом несложно убедиться практически на примере любой системы.

Табл. 1.1

Возьмем, например, вуз в качестве такого объекта. Здесь легко выделить структурированность: вуз как целое, факультеты, студенческие группы, учащиеся. Этот же объект можно структурировать по административному признаку: ректорат – административные подразделения. Наличие связей между структурными элементами не вызывает сомнения. Это же можно сказать и относительно цели вуза.

Рассмотрим далее в чем и как проявляются основные признаки системности на примерах, относящихся к человеческой деятельности.

1.2.Системность практической деятельности. Рассмотрим в историческом плане процесс повышения производительности труда и попытаемся найти заложенные в нем признаки системности.

Простейший и исторически первый способ повышения эффективности человеческого труда – механизация. Полезность механизации не требует пояснений. Однако механизация имеет естественный предел. Механизмами надо управлять и, по крайней мере, в некоторых случаях лучше выполняют эту функцию автоматы.

Так появляется новый этап в процессе повышения производительности труда – автоматизация. Автоматизация основана на жестком алгоритме действий, заранее заложенным человеком в автоматизированную систему. В случае нештатной ситуации вмешивается человек. Нельзя ли и в нештатных, т.е. непредвиденных случаях обойтись без человека?

Последнее возможно лишь при наличии "искусственного интеллекта". Такие системы в настоящее время уже создаются, а новый этап в процессе повышения производительности труда называют кибернетизацией.

Таким образом, в эволюции процесса повышения производительности труда мы легко различаем признаки системности – структурированность (механизация, автоматизация, кибернетизация); взаимосвязанность (например, автоматизация не могла возникнуть раньше механизации и т.п.).

Что касается третьего основного принципа системности – "наличия цели", то естественно, что на этапе механизации никто не ставил глобальной цели, связанной, например, с будущей кибернетизацией. К кибернетизации подводит
п р о ц е с с э в о л ю ц и и в сфере производственной деятельности. Таким образом, вопрос о цели или, как выражаются философы, о целеполагании не столь простой, как это представляется на первый взгляд, и он будет рассмотрен отдельно. Здесь же ограничимся замечанием о наличии локальной цели, которую, несомненно, ставит специалист, задумываясь о повышении эффективности того или иного производства.

1.3. Системность познавательной деятельности. С древнейших времен человека интересует устройство мира, в котором он живет. Процессу познания помогает наличие у человека аналитического образа мышления. Сущность анализа состоит в разделении целого на части, в представлении сложного в виде совокупности более простых составляющих, в поиске проявления структурированности. Вспомним примитивные первые представления человека о мире, который образуют земля, вода, воздух, огонь… Но для познания целого необходим и обратный процесс – синтез. Человек, как продукт природы, обладает не только аналитическим, но и синтетическим стилем мышления, которые образуют естественное системное мышление человека. В этом смысле задача курса системного анализа заключается в понимании такой особенности процесса мышления и сознательном повышении уровня его системности.

Сказанное относится не только к индивидуальному мышлению, но и к общечеловеческому процессу накопления знаний вообще. Так, аналитичность человеческого знания находит отражение в существовании различных наук, в их продолжающейся дифференциации, выделении все большего числа объектов для исследования. Например, в последние годы прошлого века из классической механики выделилась квантовая механика, а на ее основе была создана квантовая теория поля, появилась специальная теория относительности как механика околосветовых скоростей; в свою очередь это привело к появлению общей теории относительности, или теории тяготения.

Однако обозначился и обратный процесс – синтеза знаний. Одной из форм его проявления явилось появление так называемых "пограничных наук" о чем свидетельствуют их названия: физикохимия, биохимия, биофизика и др. Другая, более высокая форма организации синтеза знаний, реализуется в появлении наук, отражающих самые общие свойства природы. К ним относятся и системные науки: кибернетика, теория систем, теория организации и др. В них необходимым образом соединяются технические, естественные и гуманитарные знания [1].

1.4. Системность как объект исследования. Обсуждение проблем, близких к системным, уходят в глубь веков. Здесь конспективно отметим лишь исследования, в которых системность в основном увязывается с естественными и техническими науками.

Первым вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил хорошо известный французский физик и математик А.М. Ампер (1775 – 1836). В конце своей жизни он разработал классификацию наук, в которой выделил специальную науку об управлении государством и назвал ее к и б е р н е т и к о й. В кибернетике Ампера впервые подчеркиваются системные особенности предмета исследования.

В 1843г. вышла книга польского философа Б. Трентовского "Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом" Трентовский ставил целью построения научных основ практической деятельности руководителя. Он писал: «Применение искусства управления без сколько-нибудь серьезного изучения соответствующей теории подобно врачеванию без сколько-нибудь глубокого понимания медицинской науки».

Значительный вклад в изучение общих свойств систем внес русский философ, медик по профессии, А.А. Богданов (1873 -1928). В 1911 – 1925 гг. вышли три тома его известной книги «Всеобщая организационная наука (тектология)». Хотя Богданов не дает строгого определения понятия организованности (см. об этом в п.4.6.), тем не менее, отмечает, что уровень любой организации тем выше, чем сильнее свойства целого отличаются от простой суммы свойств его частей. Большое место в тектологии уделяется закономерностям развития организации, взаимодействию собственных целей организации с целями ее соподчиненных частей и др. Об актуальности идей Богданова свидетельствует сравнительно недавнее переиздание тектологии [3].

1948 г. – год начала современного этапа развития системных представлений. Вышла в свет «Кибернетика» американского математика Н.Винера [4]. Первоначально кибернетика Винера вызвала «небольшой шок» среди научной общественности, поскольку претендовала на рассмотрение как технических, так и биологических, экономических и даже социальных проблем. В нашей стране кибернетика была встречена даже враждебно. Этому частично способствовали неосторожные заявления кибернетиков о «мыслящих машинах», что истолковывалось в буквальном смысле. С кибернетикой Винера связаны такие продвижения в развитии системных представлений как осознание понятия информации в качестве всеобщего свойства материи и количественное описание категории информации, выделение принципов оптимальности в проектировании и управлении, развитие методов моделирования на основе «расчетного эксперимента» и др.

В определенной степени независимо от кибернетики в этот же период развивается общая т е о р и я с и с т е м, родоначальником которой считается австрийский биолог Л.Берталанфи. Ему принадлежит начало систематического изучения особенностей о т к р ы т ы х с и с т е м, обменивающихся с окружающейся средой веществом, энергией и информацией (отрицательной энтропией).

К этому же периоду относятся работы канадского биолога и кибернетика Эшби (см. п.4.7).

Исследование открытых систем методами
н е р а в н о в е с н о й термодинамики продолжает бельгийская школа, которую до недавнего времени возглавлял Нобелевский лауреат И.Пригожин. Как считает И.Пригожин в книге с характерным названием «Конец определенности» «За последние десятилетия родилась новая наука – физика неравновесных процессов, развитие которой привело к возникновению таких новых понятий, как самоорганизация и диссипативные структуры, повсеместно используемые ныне в широком спектре дисциплин от космологии, химии и биологии до экологии и социальных наук»[5]. Под диссипативными здесь подразумеваются организованные структуры, которые образуются вдали от термодинамического равновесия.

В кратком обзоре системных исследований следует выделить работы научной школы под руководством академика АН СССР В.В.Кафарова (Московский химико- технологический университет им. Д.И. Менделеева). Они были первыми широкими исследованиями по применению методов кибернетики в химии и химической технологии [6].

Наконец, следует также назвать работы, проводимые в Московском государственном университете инженерной экологии, в которых был сделан переход от классической термодинамики к нелокальной, квантово- релятивистской, версии термодинамики с дискретной пространственно-временной метрикой [7, 8].

Освобождение классической термодинамики от идеализации сплошной, непрерывной среды привело к многочисленным новым следствиям фундаментального и, следовательно, системного характера. Некоторые из этих следствий нашли отражение в содержании настоящего учебного пособия и приложении.

В заключение краткого обзора стоит обратить внимание на разнообразный профиль ученых, принявших участие в формировании системных представлений: философы, математики физики, биологи и др. Последнее вполне логично, если учесть общенаучный характер системных исследований.

На рис.1.2 приведена схема, иллюстрирующая системность как всеобщее свойство природы.

2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ

2.1. Системообразующие характеристики. Cуществует несколько десятков различных определений системы, но отсутствует одно общепринятое. Тем не менее все понимают о чем идет речь. Приведем наиболее часто употребляемые формулировки

Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных единой целью.

Техническая система есть комплекс взаимосвязанных технических средств, обеспечивающих преобразования массы, энергии и информации.

Система в химической технике есть совокупность физико-химических процессов и средств для их реализации. Под средствами подразумевается как аппаратура, так и система управления процессом.

Далее приводится определение, взятое из последнего издания Советской энциклопедии:

«Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которые образуют определенную целостность, единство».

В этом определении под отношением понимается вид связи; примеры отношений: причина – следствие, часть и целое, аргумент и функция и т.д.

На рис.2.1 представлена типичная система из области химической техники – трехколонная ректификационная установка, предназначенная для разделения четырехкомпонентной жидкой смеси на отдельные в достаточной степени чистые компоненты А,В,С,D. На примере этой системы рассмотрим главные системообразующие характеристики, которые в тексте выделены курсивом

Несложно уяснить, что представленная система состоит из трех элементов – ректификационных колонн. Однако понятие элемента условно и зависит от постановки задачи. Например, каждая колонна включает в себя определенное число массообменных устройств – массообменных тарелок. Тогда их можно принять в качестве элементов, а любая ректификационная колонна будет считаться подсистемой.

Иногда полезно кроме тарелок выделить в каждой колонне верхнюю и нижнюю секции, разделенные вводом питания. В этом случае секции станут подсистемами 2-го уровня, а колонна – подсистемой 1-го уровня и т. д.

Определение системы столь же условно, как и определение элемента. Представим, что питание в первую колонну поступает из реактора. Тогда при совместном рассмотрении ректификационной установки и реактора ректификационная установка будет лишь подсистемой соответствующего уровня.

Элементы и подсистемы имеют связи. Связи могут быть материальные, энергетические и информационные.

Составляющие системы вместе со связями образуют структуру системы. Структура может быть однородной, если состоит из однотипных элементов (ректификационная установка), либо неоднородной (ректификационная установка, рассматриваемая совместно с реактором).

Соподчиненность типа элемент – подсистема – система образует иерархию системы; в данном примере с тремя иерархическими уровнями.

В любой системе можно выделить окружающую среду – окружение.

Связь системы с окружением осуществляется через входные и выходные параметры системы. В системах химической техники это обычно параметры, характеризующие входные и выходные потоки в системе. Входные параметры делятся на неуправляющие и управляющие. Значения неуправляющих параметров зависят от окружения, например, от режима реактора. Значения управляющих параметров назначаются в соответствии с требованиями управления. Этими параметрами можно управлять режимами системы. Например, для процесса ректификации управляющими параметрами обычно выступают количество подаваемого пара в кипятильник колонны и количество отбираемого продукта.

Управление увязано с целью системы. В данном случае речь идет о получении продуктов А,В,С,D необходимого качества.

К а ч е с т в о д о с т и ж е н и я ц е л и, т.е. указание на то, с какими затратами достигнута цель, определяет системное понимание эффективности системы.

Типичным системным свойством является понятие эмерджентности, или интегративности – система не повторяет свойства элементов, из которых она состоит. В этом случае говорят, что в системе развиваются присущие только ей системные свойства. Классический пример – такие понятия как температура, давление типичные макроскопические свойства системы многих частиц.

К системным относятся также такие характеристики системы как надежность [9], устойчивость (см. п.2.6), организованность системы (см. п.4.7) и некоторые другие понятия.

2.2. Субъективные и объективные цели. Остановимся подробней на понятии цели системы. Это не столь очевидное понятие, если оно относится к природным системам. Действительно, о какой цели можно говорить, если речь идет о живом организме как некоторой системе. Кто эту цель сформулировал или просто хотя бы имел в виду? Цель и целеполагание это один из вопросов, который упирается в философское мировоззрение. Например, не исключается и такой ответ: «Все природные объекты имеют божественное происхождение», что вполне в духе времени. Такой ответ, однако, не удовлетворит человека, обладающего системным мышлением, поскольку в нем для объяснения привлечен новый объект, который сам требует объяснения (см.п.1.1).

Диалектика развития материального мира такова, что все природные объекты проходят эволюцию. Тогда будущие состояния природных систем можно рассматривать как объективные цели. В такой трактовке цели технических систем, сформулированные человеком, есть субъективные цели.

2.3. Классификация систем. Рассмотрим классификацию систем по основным признакам.

· По природной принадлежности системы можно разделить на естественные, созданные природной эволюцией, и искусственные. К последним относятся все технические системы, созданные человеком. Предлагается также [1] по этому признаку делить системы на природные, технические и социотехнические. Под социосистемами подразумеваются системы, в которых участвуют коллективы людей, чьи интересы существенно связаны с функционированием системы.

· По характеру связи параметров системы с временем различают статические и динамические системы. Параметры первых не изменяются со временем. Характеристики динамических систем, как известно, зависят от времени. Например, выход технологической установки на стационарный режим осуществляется в динамическом режиме. Различают два типа динамики систем: функционирование и развитие. При функционировании цель системы не изменяется. Развитием называют то, что происходит при корректировке целей системы, например процесс перехода от периодического производства к непрерывному. Эволюция природных систем всегда – развитие.

· По характеру связей параметров системы с ее геометрией в области химической техники выделяют системы с сосредоточенными и распределенными параметрами. Типичным примером системы с сосредоточенными параметрами является реактор идеального смешения. Если А есть некоторый параметр такой системы, например температура, то для нее производная ¶А/¶x=0, где х – координата. В системе с распределенными параметрами (например, колонный массообменный аппарат) ¶А/¶x№0, т.е. температура, концентрации компонентов и некоторые другие параметры изменяются по высоте аппарата.

Системы идеального смешения описываются обычными алгебраическими уравнениями. Системы с распределенными параметрами требуют использования для своего описания дифференциальных уравнений.

· По характеру связей между входными и выходными параметрами системы делятся на детерминированные и вероятностные. Детерминированные системы имеют «жесткую», т.е. однозначную связь между входными и выходными параметрами системы. Классическими детерминированными системами являются механические системы. Классическимивероятностными системамиявляются живые организмы. Например, реакцию живого организма (отклик) на внешнее (входное) воздействие можно предугадать лишь приблизительно.