Системный подход в научных исследованиях (системный анализ)

Рассмотрим значения ключевых понятий системного подхода. Как очевидно, основным является определение системы. ^ Определений системы вероятно столько же, сколько и специалистов, которые используют системный подход как основу научных исследований. К примеру, приведем одно из них.

Система – это совокупность взаимосвязанных элементов, образующих единое целое и имеющих единое назначение или цель. В общем смысле, систему можно определить как принятую в целом совокупность элементов, которые различимы в пределах действительности. Элементы внутри системы связаны между собой. Отношения элементов формируют структуру системы. Но отношения элементов системы не исчерпываются только внутренними отношениями, т.е. включены отношения с элементами вне системы, а именно с окружающей средой. Это означает, что система имеет определенный набор постоянных свойств, которые остаются таковыми, несмотря на изменения внешней среды. То есть, система представляет собой скорее порядок, чем хаос, скорее последовательность, чем непоследовательность в решениях и действиях.

Система имеет статическую и динамическую составляющие, поскольку она изменяется при взаимодействиях с окружающей средой. ^ Часто открытые системы снаружи кажутся достаточно устойчивыми. Эта стабильность желательна, но в реальности она трудно достижима. Поскольку, если стремиться к тому, чтобы все элементы и их взаимосвязи долгое время оставались постоянными, то случайное изменение в одном из элементов или отношений, должны обязательно быть скомпенсированы за счет изменений где-нибудь ещё. Таким образом, возникает временная нестабильность – переходный процесс, результатом которого может быть даже разрушение. Поэтому открытая система стремится сохранять равновесие, но это равновесие имеет динамический характер.

Обобщая, приведем более полное, но и более сложное определение системы. Итак, система – это организованное множество элементов (произвольной природы), обладающее относительной целостностью и полифункциональностью, иерархической организацией, включающей в себя составы и структуры (логические, пространственно-временные, стохастические и др.); динамикой, охватывающей функционирование и развитие; особенностями и условиями существования других систем.

^ Важнейшими характеристиками любой системы являются функция, цель и структура. Под функцией системы понимают такие действия системы, которые выражаются в изменении возможных её состояний. Во время функционирования совершается переход системы из одного возможного состояния системы в другие. Множество всех возможных состояний системы определяется числом её элементов, их свойствами и разнообразием связей между ними. Поэтому функцию системы характеризует её как единое целое, как результат взаимодействия её элементов между собой и с внешними системами.

^ Целью системы называется определенное (заданное извне или устанавливаемое самой системой) наиболее предпочитаемое конечное состояние (например, параметры выходных характеристик), т.е. некоторое подмножество значений функций системы.

^ Структура системы определяется расположением и взаимосвязями между составляющими – элементами системы, которые образованы для выполнения системой своей функции, т.е. зависит от величины и сложности системы. Величина системы характеризуется числом её элементов и количеством связей между ними, а сложность – многообразием элементов, неоднородностью их свойств и разным качеством связей.

^ Большим и сложным системам присущи свойства целостности и эмерджентности.

Целостность системы означает, что все её части служат общей цели и способствуют формированию наилучших результатов в смысле принятого критерия эффективности.

Эмерджентность (от англ. возникновение, появление нового) означает, что большие и сложные системы обладают такими свойствами, которые не присущи ни одному из её элементов. Эмерджентные или системные качества кардинально отличают системы от не систем, поэтому остановимся на этом более подробно. Другими словами объединение подсистем с различной природой (например, экономической, технической, социальной), структурой и валентностью в сложные системы происходит при их взаимовлиянии друг на друга, что и создает новое системное качество, которое не присуще не одной из подсистем. Чем больше система и разница в размерах целого и частей, тем вероятнее различие в их свойствах и, следовательно, тем труднее согласовывать цели их функционирования. Английский кибернетик С. Бир наиболее ярко выразил суть эмерджентности: “Оптимальное функционирование частей не исключает гибели целого”.

Обобщая, можно сформулировать основное требование системного подхода как необходимость комплексного исследования больших и сложных объектов в совокупности с параметрами внешней среды, в которые встроена эта система. Изучать системы необходимо как единое целое, т.е. с учетом функционирования всех её элементов и частей. Исходя из этого принципа, нужно изучить каждый элемент системы в его связи и взаимодействии с другими элементами, выяснить влияние свойств отдельных частей системы на поведение системы в целом, установить эмерджентные свойства системы, а также определить оптимальный режим её функционирования.

Системный анализ – это совокупность методов, позволяющих реализовывать системный подход при исследовании больших и сложных объектов. К таким методам относятся, прежде всего, анализ и синтез, математическое моделирование и оптимизация с использованием вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения. При применении системного анализа требуется максимальный учет взаимосвязей и взаимовлияния всех элементов системы (человека на уровне его особенностей, параметров технических устройств, природных условий и ресурсов).

С усложнением задач и объектов исследования возникает необходимость деления систем на подсистемы – системы более низкого иерархического уровня, которые исследуются автономно, но при этом обязательно предполагается согласование частных целей подсистем с общей целью системы. Таким образом, декомпозиция системы предопределяет создание иерархической структуры с такими преимуществами для исследования, как резкое снижение размерности системы, улучшение надежности её функционирования, увеличение структурной гибкости системы и др.

По существу декомпозиция – это операция анализа системы. Естественно, что исследование менее сложных систем нижнего уровня проще и удобнее. Однако последующее согласование функционирования подсистем (операция синтеза) представляет собой гораздо более сложную задачу, чем исследование отдельных подсистем, причем основная трудность связана с эмерджентностью системы.

^ 3.2 Общие характеристики открытых систем.

Несмотря на разнообразие целей, функций и структур множество открытых систем имеет общие характеристики. Следующие десять характеристик отличают все открытые системы.

1. Привнесение энергии. Открытые системы вынуждены потреблять (привносить) определенный вид и количество энергии из окружающей среды. Функционирование системы сильно зависит от постоянного поступления определенных ресурсов из внесистемной среды. Поэтому ни одна реально существующая система не является в полной мере достаточной или замкнутой.

2. Пропускная способность. Открытые системы преобразовывают доступные им ресурсы. Система создает новый продукт, или обрабатывает вещества, или обучает людей, или обеспечивает услуги. Эти виды деятельности включают некоторое преобразование входного сигнала в выходной.

3. Продукт. Открытая система всегда экспортирует в окружающую среду свой продукт. Это может быть, например, изобретение know how или мост, построенный инженерной фирмой. Постоянное производство продукта в системе зависит от восприимчивости окружающей среды. Продукты системы могут быть не востребованы, не иметь относительной полезности, перенасыщать рынок и даже загрязнять окружающую среду.

4. Открытые системы, как циклы событий. Обмен ресурсами с окружающей среды имеет циклический характер. Продукт, экспортируемый в среду, представляет собой в результате обмена будущий источник энергии для воспроизведения цикла. Энергия (ресурс), подкрепляющая цикл, производится посредством эффективности обмена продукта (ресурсной модели) во внешней среде. Этот процесс организован так, чтобы составлять единство и завершенность. Единичный цикл представляет собой простую форму модели. Но такие единичные циклы комбинируются в более крупную структуру событий или системы событий. Система событий может состоять из цикла небольших циклов, каждый из которых влечет за собой другие. Циклы разных типов могут не иметь прямого отношения друг к другу. В этом смысле, основной областью для исследования и построения систем является прослеживание энергетической цепочки событий от момента поступления энергии, её трансформации до окончания цикла.

5. Снижение неопределенности Чтобы выживать, открытые системы должны противодействовать развитию неопределенности (увеличение энтропии). Развитие неопределенности – естественный закон природы, в ходе которого все живые формы движутся к дезорганизации или смерти. Цикл “вход-трансформация-результат” является основным для системы жизнедеятельности, это и есть цикл снижения неопределенности.

Открытые системы отличаются в их способности выживать даже в случае резкого прерывания этого цикла. Для этого важна такая характеристика как способность к аккумулированию, накоплению. В результате того, что организация привнесла энергии больше, чем поставляет в среду, система может аккумулировать энергию и снижать неопределенность в дефиците энергии. Внутри границ своей способности к накоплению, открытая система всегда стремится максимизировать соотношение между привнесенной и поставляемой в среду энергией, чтобы выжить, и даже в периоды кризиса жить за счет полученного взаймы времени.

6. Получение информации, нейтрализация обратной связи и кодирование. Система привносит из среды не только энергию, которую она трансформирует и изменяет в процессе работы, но она получает также информацию и сигналы о среде и о своем собственном функционировании по отношению к среде. Реакция системы на отрицательную обратную связь (нейтрализация обратной связи) позволяет корректировать отклонения от первоначальной цели.

В процессе кодирования информации процесс местоопределения системы упрощается до небольшого количества значимых базовых переменных. Но при этом, очень важно, чтобы при этом упрощении “не потерялась” адекватность и не смещались акценты между переменными среды или системы.

7. Стабильность и динамическое равновесие. Энергия, которая сдерживает рост неопределенности, привносится для того, чтобы поддерживать постоянство и стабильность системы. Стабильность не значит отсутствие действий или постоянного равновесия. В этом случае, существует постоянный приток ресурсов из среды и постоянный экспорт продуктов организационной системы. Стабильность как характеристика системы заключается в том, что пропорция энергетического обмена и отношение между элементами системы сохраняются. Временная схема активности системы, которая может иметь серию подъемов и спадов, в целом, стремится к прямой линии. Более того, система сама по себе находиться в постоянном движении. Её равновесие, это квази-стационарность, основной принцип – сохранение характера системы.

9. Интеграция и координация. В процессе специализации система приходит к объединенному функционированию различных по природе и предназначению элементов. В системах существует два различных пути объединения: координация и интеграция. Интеграция позволяет объединять усилия элементов благодаря совпадению, например, отношение к цели.

Для больших и сложных систем (особенно с участием человека) координация скорее, чем интеграция, является средством обеспечения четкости и систематического объединения усилий – благодаря таким правилам, как установление и регулирование детерминированных операций, синхронизация функций, создание расписания и упорядочение событий.

10. Принцип равных конечных состояний. Открытые системы далее могут быть охарактеризованы посредством принципа равных конечных состояний, принципа, предложенного фон Берталанффи. В соответствии с этим принципом, система может достичь одного и того же конечного состояния при различных начальных условиях и различными путями. В зависимости от того, каким способом система создает регуляторные механизмы, чтобы контролировать свои действия, количество равных конечных результатов может быть сокращено.