Основы теории систем и системного анализа

«Основы теории систем и  системного анализа»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

1. Особенности системного подхода к решению задач управления

1.1. Общие понятия теории  систем и системного анализа

1.2. Сущность и принципы  системного подхода

1.3. Моделирование как метод системного анализа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Впечатляющие успехи в развитии науки и техники  на какое-то время создали иллюзию  полной независимости человека от природы, подвластности всего окружающего  человеку. В последнее время на смену таким представлениям приходит общественное осознание кровной заинтересованности человечества во всем, что происходит в окружающем его мире живого, познание необходимости не «покорения природы», а разумной ее эксплуатации. Характерной чертой новой системы взглядов на взаимоотношения человека с природой является понимание возможности необратимых последствий нашей деятельности и вытекающая отсюда острая потребность в прогнозировании, предсказании непосредственных и более отдаленных результатов нашего вмешательства в «естественный порядок вещей».

 

 Существует несколько  подходов к предсказанию поведения  сложных систем: использование интуиции  и богатого опыта исследователя,  сравнение с данными экспериментов,  проделанных на тождественных  или похожих системах, и, наконец, математическое моделирование. В экологических исследованиях должны использоваться — и используются — все возможные подходы. Однако в наше время масштабы и характер вмешательства человека в природные экосистемы столь беспрецедентны, что интуиция исследователя сплошь и рядом отказывает. Возможности же экспериментирования с природными экосистемами по понятным причинам более чем ограниченны. Отсюда ясными становятся важность и актуальность математического моделирования в экологии.

 

Вообще говоря, системный подход не является строго методологической концепцией: он выполняет эвристические функции, ориентируя конкретные экологические исследования в двух основных направлениях. Во-первых, его содержательные принципы позволяют фиксировать недостаточность старых, традиционных методов изучения экосистем для постановки и решения новых задач их целостного исследования. Во-вторых, понятия и принципы конструктивного системного подхода помогают создавать новые программы изучения, ориентированные на раскрытие сущности процессов трансформации энергии, передачи вещества и информации в экосистемах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основы теории систем и системного анализа Системы и закономерности их формирования и развития

 

1. Система.  Простые и сложные системы.  Классификация систем

 

«Система» (от греч. systema - целое, составленное из частей) считается  одним из ключевых философско-методологических и специальных научных понятий. Система -совокупность элементов со связями между ними. Элемент системы  из-за иерархической структуры мира сам оказывается системой со своими элементами. Фиксация системы делит мир на две части - на систему и среду. При этом подчеркивается большая сила связей элементов внутри системы по сравнению с силой связей с элементами среды.

 

 Для идентификации систем необходимо задать еще один критерий, который Ю.А. Урманцев назвал «законом композиции». Выбор закона композиции даст возможность объединить те же объекты в разные системы.

 

 Каждая система  определяется некоторой структурой (элементы и взаимосвязи между ними) и поведением (изменение системы во времени).

 

^ Сложность системы  на «структурном уровне» задается  числом ее элементов и связей  между ними. Дать определение  «сложности» в этом случае  чрезвычайно трудно: исследователь  сталкивается с так называемым «эффектом кучи» (один шар - не куча, два шара - не куча, три - не куча, а вот сто шаров - куча, девяносто девять - куча; так где же граница между «кучей» и «не кучей»?).

 

 Определить, что такое  «сложная система на «поведенческом  уровне» представляется более реалистичным.

 

 Б.С. Флейшман (1978, 1982) предложил пять принципов усложняюиегося  поведения систем, представленных  на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Принципы усложнения систем на поведенческом уровне

 

 Системы, включающие в себя  в качестве хотя бы одной  подсистемы решающую систему (поведению которой присущ акт решения), называют сложными (системы 3-5 уровней; такие системы изучает системология). Классификация систем представлена на рисунке 2.

 

2. Иерархия уровней  организации

 

Иерархия — это «расположение  ступенчатым рядом». На каждой ступени, или уровне, в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы.

Рис. 2, Иерархии природных систем

 

 Под системой подразумевают  также «упорядоченные взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое»; в соответствии с другой точкой зрения система - это «набор взаимосвязей, составляющий поддающуюся идентификации единицу, реальную или концептуальную». Системы, содержащие живые компоненты (биологические системы или биосистемы) показаны на рисунок 3.

Рис. 3. Иерархия биосистем

 

 Экология изучает системы,  расположенные в правой части  этого спектра, т.е. системы  выше уровня организма. В экологии  значение термина популяция, первоначально обозначавшего группу людей, расширено и обозначает группы особей любого вида организмов. Сообщество включает все популяции, занимающие данный участок. Сообщество и неживая среда функционируют совместно, образуя экологическую систему, или экосистему. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термины биоценоз и биогеоценоз (буквально жизнь и земля, функционирующие вместе). Биом — крупная региональная или субконтинентальная биосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта. Самая крупная и наиболее близкая к идеалу в смысле «самообеспечения» биологическая система, которую мы знаем, — это биосфера, или экосфера; она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли как единое целое, чтобы поддерживать эту систему в состоянии устойчивого равновесия, получая поток энергии от Солнца, ее источника, и переизлучая эту энергию в космическое пространство. Под устойчивым равновесием мы понимаем способность саморегулируемой системы возвращаться в исходное состояние по крайней мере после небольшого отклонения.

 

3. Иерархический,  сетевой и реляционный подходы  к анализу систем

На самых верхних и самых  нижних этажах экологической иерархии иерархический принцип классификации работает неплохо. Традиционно выделяемые в экологии группы продуцентов, редуцентов и консументов (экоцарства) достаточно легко и естественно делятся на экотипы.

 

 С другой стороны,  выделив эковиды как совокупности  экологически однородных особей, занимающих элементарные фундаментальные  ниши, мы можем достаточно уверенно  объединить их в экороды. Ведь  для выполнения одной и той  же роли в реальных экосистемах  имеется, как правило, несколько эковидов, различающихся оптимальными условиями своего существования.

 

 Но на уровне  экосемейств, экоотрядов и экоклассов  возможно построение нескольких  иерархий, в основе которых лежат  различные экологические признаки. Поэтому внутри отдельных экотипов возможно построение самых разных иерархий, сам иерархический подход на этих уровнях теряет свою руководящую роль, уступая место подходу сетевому. Если иерархическая структура древовидна, то в сетевых структурах любой элемент может быть в принципе связан с любым другим элементом.

 

 Однако, классификацию,  построенную по сетевому принципу, можно эффективно применять на  практике лишь с помощью компьютерной  техники. Реляционный подход позволяет  свести всю переработку информации, заложенной в классификационной схеме, к манипуляциям с матрицами. Каждая двумерная таблица, называемая реляцией или отношением, наглядно представляет наложение любых двух иерархий, входящих в сетевую структуру, на определенном их уровне, что позволяет последовательно просматривать все возможные варианты.

 

4. Основные  принципы системологии

 

Принцип эмерджентности. По мере объединения компонентов, или подмножеств, в более крупные функциональные единицы, у этих новых единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Эмерджентные свойства экологической единицы нельзя предсказать, исходя из «свойств компонентов, составляющих эту единицу. При каждом объединении подмножеств в новое множество возникает по меньшей мере одно новое свойство.

 

^ Принцип иерархической организации (или принцип интегративных уровней Одума): позволяет соподчинить друг другу как естественные, так и искусственные системы.

 

^ Принцип несовместимости  Л. Заде: сложность системы и точность, с которой ее можно анализировать, связаны обратной зависимостью.

 

Принцип контринтуитивного  поведения Дж. Форрестера: дать удовлетворительный прогноз поведения сложной системы на достаточно большом промежутке времени, опираясь только на собственный опыт и интуицию практически невозможно.

 

^ Принцип множественности моделей В.В. Налимова: для объяснения и предсказания структуры и (или) поведения сложной системы возможно построение нескольких моделей, имеющих одинаковое право на существование.

 

^ Принцип осуществимости  Б.С. Флейшмана: мы не надеемся на везение и у нас мало времени. Системология рассматривает только те модели, для которых алгоритм осуществим, т.е. решение может быть найдено с заданной вероятностью р0 время to.

 

^ Принцип Формирования  законов: законы системологии носят дедуктивный характер и никакие реальные явления не могут опровергнуть или подтвердить их справедливость.

 

^ Принцип рекуррентного  объяснения свойства систем данного  уровня иерархической организации  мира объясняются, исходя из постулируемых свойств элементов этой системы и связей между ними.

 

^ Принцип минимаксного  построения моделей: теория должна состоять из простых моделей (min) систем нарастающей сложности (max).

 

 

2. Элементы системного анализа в экологии и охране окружающей природной среды

 

Концепция экосистем  по Ю. Одуму является главенствующей в современной экологии. Любая биосистема, включающая все совместно функционирующие организмы на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой в неживой частями, представляет собой экосистему. Экосистема — основная функциональная единица в экологии.

1. Структура  экосистемы

 

 С точки зрения трофической  структуры (от греч. trophe — питание)  экосистему можно разделить на  два яруса: 1) верхний автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения или их части, содержащие хлорофилл, где преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений, и 2) нижний гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т. д., в котором преобладают использование, трансформация и разложение сложных соединений. С биологической точки зрения в составе экосистемы удобно выделять следующие компоненты: 1) неорганические вещества (С, N, С02, Н20 и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы; 4) продуцентов, автотрофных организмов, в основном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; 5) макроконсументов, или фаготрофов (от греч. phagos— пожиратель),— гетеротрофных организмов, в основном животных, питающихся другими организмами или частицами органического вещества; 6) микроконсументов, сапротрофов (от греч. sapros — гнилой), деструкторов, или осмотрофов (от греч. osmos— толчок, давление),— гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапротрофами из растений и других организмов.

 

 Для функционирования  экосистемы и поддержания ее  структуры необходимо взаимодействие  трех основных компонентов, а  именно сообщества, потока энергии  и круговорота веществ.

 

2. Гипотеза однонаправленности потока энергии

 

^ ГИПОТЕЗА ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ  ПОТОКА ЭНЕРГИИ - представление  о потоке энергии через продуценты  к консументам и редуцентам  с падением величины потока  на каждом трофическом уровне (в результате процессов жизнедеятельности). Часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток).