Системный анализ как метод научного познания

Мы начинаем рассматривать объект как систему, когда нам нужно познать, иследовать, описать его свойства, ха­рактеристики, функции. Именно тогда мы начинаем снача­ла мысленно разделять объект на составные части (анализи­ровать), а потом смотреть, как эти части соединены в объекте (синтезировать).

Анализ и синтез — две дополняющие друг друга мысли­тельные операции, позволяющие человеку исследовать окружающий мир.

При исследовании объекта как системы на первом шаге — этапе анализа системы — осуществляется разбиение системы на подсистемы, то есть осуществляется декомпози­ция системы в соответствии с той целью, которую поставил перед собой исследователь. Каждая из подсистем рассматри­вается затем как система. Для неё определяются входы, вы­ходы, назначение, параметры. На втором этапе — этапе син­теза — устанавливаются отношения между подсистемами, связывающие входы и выходы каждой подсистемы со входа­ми и выходами других подсистем.

Пример Если для починки будильника его распилить, то снова собрать из полученных «кубиков» работающий будиль­ник вряд ли удасться. Как вы понимаете, операция рас­пиливания будильника на части не является операцией анализа.

Проанализируем некоторые объекты с позиций системно­го подхода.

Пример. Сердечно-сосудистая система:

элементы — сердце, артерии, вены, капилляры и так да­лее;

структура — взаимосвязь элементов в процессе движе­ния крови;

входы — кроветворные органы и органы, обеспечиваю­щие эластичность и другие показатели кровеносных со­судов;

выходы — органы, с помощью которых кровеносная сис­тема воздействует на организм, обеспечивая его жизне­деятельность;

целостность — определяется теми функциями, которые система выполняет в организме; это, в частности, достав­ка тканям питательных веществ и кислорода, удаление продуктов распада, обеспечение теплорегуляции и пр.

Пример. Абстрактная система — теория:

элементы — понятийный аппарат, исходные положения (аксиомы), выявленные закономерности, вытекающие из них следствия;

структура — правила вывода новых положений из уже известных;

входы — постановка исследовательской задачи; выходы — решение задачи;

целостность — определяется той методикой исследова­ния, которой придерживается исследователь.

Пример. Электронно-вычислительная система:

элементы — устройства компьютера (аппаратное обеспе­чение), программы (программное обеспечение), данные;

структура — взаимосвязь устройств, определяющая ар­хитектуру компьютера; взаимосвязь устройств и про­грамм, а также программ между собой, обеспечиваемая операционной системой;

входы — устройства и программы, обеспечивающие ввод информации в систему;

выходы — устройства и программы, обеспечивающие вывод информации;

целостность — обуславливается функциями, выполняе­мыми системой по автоматизации информационных про­цессов.

Таким образом, целенаправленное изучение системы бу­дет эффективным в том случае, если каждая из подсистем, полученная в результате анализа, будет существенно проще для рассмотрения, чем исходная система, а число взаимо­связей между подсистемами получится минимальным и обо­зримым.

В научную терминологию прочно вошло понятие «сис­темный подход», с позиций которого в различных областях науки ведется исследование самых разнообразных объектов и явлений. Наиболее полно суть системного подхода сфор­мулирована В. Г. Афанасьевым, выделившим следующие аспекты этого подхода:

• системно-элементный — получение ответа на вопрос, из чего (каких компонентов) образована система;

• системно-структурный — раскрытие внутренней орга­низации системы, способа взаимодействия образующих ее элементов;

• системно-функциональный — определение функций, выполняемых системой и образующими ее компонента­ми;

• системно-комуникационный — раскрытие взаимосвязи данной системы с другими, как по горизонтали, так и по вертикали, иными словами, выявление входов и выходов системы;

• системно-интегративный — определение механизмов, факторов сохранения, совершенствования и развития си­стемы;

• системно-исторический — получение ответа, как воз­никла система, какие этапы в своем развитии проходила, каковы ее перспективы.

Каждый из этих аспектов определяет один из видов ана­лиза системы.

Пример. Рассмотрим электронные таблицы (ЭТ) как систему. Нас интересует в данном случае не то, что изображено на эк­ране дисплея, когда вы производите расчеты с помощью электронных таблиц, а ЭТ как программное средство. В рамках системно-элементного анализа мы можем вы­делить основные элементы системы. Для ЭТ основными элементами являются отдельные программные модули. Системообразующий элемент — головной модуль (для электронных таблиц Excel, например, это excel.exe), ко­торый на время работы размещается в оперативной памя­ти и организует вызов других модулей по мере их необхо­димости.

В рамках системно-структурного анализа мы можем выделить взаимосвязи между модулями ЭТ. Поскольку отдельные программные модули представляют собой процедуры, написанные на каком-либо языке програм­мирования, то связи между модулями задаются форма­льными параметрами, определенными в заголовках про­цедур, глобальными переменными и ссылками на другие процедуры.

В рамках системно-функционального анализа мы можем определить назначение и функции ЭТ, их возможности. К основным функциям большинства ЭТ относятся: вычис­ления по формулам, автозаполнение, форматирование, графическое представление данных, сортировка и филь­трация данных, подбор параметров и многое другое. В рамках системно-коммуникационного анализа необ­ходимо выделить связи с внешней средой, каковой вы­ступают операционная система и другие программные средства, с одной стороны, пользователь — с другой. Связь с пользователем определяется теми возможностя­ми, которые заложены в пользовательском интерфейсе. Например, при работе с Excel пользователь может внес­ти данные и формулы в ячейки таблицы, задать коман­ды с помощью панели инструментов, команд меню или «горячих клавиш». Связь с операционной системой осу­ществляется путем передачи управления тем процеду­рам ОС, которые необходимы для выполнения команд пользователя. Связь с другими программными средства­ми осуществляется, например, через буфер обмена дан­ными (при использовании технологии динамического об­мена данными), позволяющий переносить данные из текстового редактора или базы данных в ЭТ и обратно. Системно-интегративный анализ позволяет определить те модули, которые наиболее часто используются или не используются никем, а также модули, которые было бы желательно добавить, чтобы обеспечить пользователей необходимыми дополнительными возможностями.

Системно-исторический анализ позволяет проследить, как совершенствовались электронные таблицы. Появив­шись в 1983 году, уже к концу 80-х годов они вошли в число наиболее распространенных программных средств. В настоящее время они входят как важный компонент во все офисные пакеты, установлены практически на всех ПК.

При рассмотрении объекта как системы необходимо:

1) сформулировать цель исследования;

2) выделить основные (системообразующие) элементы и подсистемы;

3) определить, как они взаимосвязаны между собой;

4) выявить основные функции каждой подсистемы и сис­темы в целом;

5) определить входы и выходы системы и способы реаги­рования на внешние воздействия, то есть определить, каким образом объект взаимодействует с окружающей средой;

6) выявить системообразующие факторы, обуславливаю­щие сохранение и/или развитие объекта как единого целого;

7) определить системоразрушающие факторы;

8) проанализировать этапы развития системы, ее перс­пективы.

Одним из методов системного анализа является модели­рование, в частности, информационное моделирование. Одна и та же система может быть рассмотрена и описана с разных точек зрения (исходя из разных целей), что выража­ется в выделении разных параметров, характеризующих эту систему. Иными словами, система может быть описана мно­жеством моделей.

Пример Система «водитель-автомобиль» может быть представле­на моделями, отражающими:

• статическое состояние компонентов системы (внутрен­нее устройство двигателя, состав и расположение при­боров на панели управления);

• энергетические процессы (термодинамический цикл в процессе сгорания топлива);

• процесс управления (правила для водителя по управле­нию автомобилем).

Пример Система «человек-компьютер» может быть рассмотрена с точки зрения возможностей по обработке информации, предоставляемых человеку. Параметрами модели систе­мы с этой точки зрения будут производительность цент­рального процессора, объем оперативной памяти, состав периферийных устройств, состав и функции програм­много обеспечения и др. Эта же система может быть опи-

сана с точки зрения взаимодействия ее основных подсис­тем — параметрами в этом случае будут выступать тип пользовательского интерфейса, его «дружественность», опыт и квалификация человека, перечень задач, кото­рые он решает с помощью компьютера и др. Эта же сис­тема может быть описана с точки зрения ее взаимодейст­вия с окружающей средой, в частности, ее места и роли в глобальной компьютерной сети. Параметрами в этом случае являются: характер взаимодействия с сетью — возможно только обращение к ресурсам сети или предо­ставление ресурсов, размещенных на собственном сайте; наиболее часто используемые услуги сети (электронная почта, чат, поисковые системы и пр.); среднее время, проводимое в сети, и пр.

Основными объектами изучения современной науки все чаще выступают большие и сложные системы, то есть сис­темы, состоящие из большого числа элементов, с разнооб­разными связями между ними, выполняющими многочис-леные функции. Их всестороннее изучение требует объединения усилий исследователей разных специально­стей, интеграции знаний, накопленных в различных облас­тях науки и техники.

Пример. Сложной системой является отдельный человек, если рассматривать совокупность его духовных, нравствен­ных, психических, интеллектуальных, эстетических, физических, физиологических качеств.

Пример. Сложными являются практически все социальные систе­мы — нации, государства, партии, производственные и учебные коллективы.

Пример. К классу сложных систем относятся социотехнические (человеко-машинные) системы — производственные пред­приятия, система дорожного движения, система инфор­матизации общества.

Пример. Отдельный компьютер (как совокупность аппаратного и программного обеспечения) и компьютерные (телеком­муникационные) сети также относятся к классу слож­ных систем.

Изучение систем необходимо для того, чтобы:

• понимать закономерности их развития и не выступать (вольно или невольно) разрушающим, дестабилизирую­щим фактором;

• знать процессы, происходящие в системе для целенаправ­ленного управления развитием системы и предотвраще­ния нежелательных последствий;

• уметь планировать и осуществлять управляющие воз­действия на систему, с тем, чтобы значения ее парамет­ров были оптимальными с точки зрения выполнения присущих ей функций в рамках всеобщих систем, таких как общество, государство, биосфера, ноосфера, Вселен­ная, мироздание.

Системный подход является закономерным результатом развития методов научного познания. Системные представ­ления существовали в науке задолго до того, как этот тер­мин стал широко использоваться. Уже древние космогони­ческие мировоззренческие модели рассматривали окружаю­щий нас мир как нечто единое, взаимосвязанное. В истории развития таких наук, как астрономия, химия, физика, био­логия, география, обществоведение можно проследить, как исследователи постепенно стали все прочнее опираться на системный подход.

В современных научных иследованиях системный подход является одним из основных, наряду с такими подходами, как синергетический и информационный. В настоящее время он используется не только для получения новых знаний о за­кономерностях природы и общества, но в большей степени с целью применения научного знания для построения искусст­венных систем, создаваемых трудом и гением человека.

Особенно наглядно это проявляется в технике, где проек­тирование и создание сложных систем требует согласован­ной работы сотен тысяч элементов.

Системная методология — совокупность методов изуче­ния свойств различных классов системных задач, то есть за­дач, касающихся отношений в системе или отношений сис­темы с внешним окружением.

Системный подход — метод исследования какого-либо объекта как системы.

Анализ — выделение составных частей исследуемого объ­екта; переход от общего описания исследуемого объекта к выявлению его внутреннего строения, состава, определению свойств его отдельных элементов, отношений между элемен­тами и пр.

Синтез — составление целостного представления об объ­екте, конструирование новых объектов.

Успешное проведение анализа и синтеза часто позволяет обнаружить не известные ранее свойства объекта.

Целенаправленное изучение системы будет эффективным в том случае, если каждая из подсистем, полученная в резу­льтате анализа, будет существенно проще для рассмотрения, чем исходная система, а число взаимосвязей между подсис­темами получится минимальным и обозримым.

Виды системного анализа:

• системно-элементный — получение ответа на вопрос, из чего (каких компонентов) образована система;

• системно-структурный — раскрытие внутренней орга­низации системы, способа взаимодействия образующих ее элементов, построение структурной схемы;

• системно-функциональный — определение функций, вы­полняемых системой и образующиим ее компонентами;

• системно-комуникационный — раскрытие взаимосвязи данной системы с другими, как по горизонтали, так и по вертикали с точки зрения обмена информацией;

• системно-интегративный — определение механизмов, факторов сохранения, совершенствования и развития си­стемы;

• системно-исторический — получение ответа на вопрос, как возникла система, какие этапы в своем развитии про­ходила, каковы ее перспективы.

Основные этапы системного анализа:

1) определение цели исследования объекта;

2) выделение основных (системообразующих с точки зре­ния выбранной цели) элементов и подсистем;

3) определение и моделирование стуктуры системы, то есть способов взаимосвязи элементов и подсистем между собой;

4) выявление функций основных подсистем и системы в целом;

5) определение входов и выходов системы, а также спосо­бов взаимодействия системы с окружающей средой, модели­рование процесса функционирования системы;

6) выявление системообразующих факторов, обуславливаю­щие сохранение и/или развитие объекта как единого целого;

7) определение системоразрушающих факторов и условий их нейтрализации;

8) анализ этапов развития системы и ее перспектив.

В системном анализе широко используется моделирова­ние, в том числе информационное моделирование. Изучение систем необходимо для того, чтобы:

• понимать закономерности их развития и не выступать
(вольно или невольно) разрушающим, дестабилизирую­
щим фактором;

• знать процессы, происходящие в системе для целенаправ­
ленного управления развитием системы и предотвраще­
ния нежелательных последствий;

• уметь планировать и осуществлять такие управляющие
воздействия на систему, чтобы значения ее параметров
были оптимальными с точки зрения выполнения прису­
щих ей функций в рамках таких всеобщих систем, как
Ноосфера, Вселенная, Мироздание.

Задание 1

Определите, в каких случаях осуществляется анализ или синтез, а в каких нет:

а) исследуется назначение каждого из пунктов меню графиче­
ского редактора, а затем с помощью этого редактора создается
изображение;

б) при реставрации книга разделяется на отдельные листы, а за­
тем вновь переплетается;

в) при переводе с иностранного языка каждое слово предложе­
ния переводится на родной язык, а затем формулируется перевод
всего предложения;

г) фраза разбивается на отдельные слова и словосочетания, а за­
тем с помощью их перестановки получают новое предложение
(например, «Казнить нельзя, помиловать» и «Нельзя помило­
вать, казнить»).

Задание 2

Современные историки и литературные критики с позиций сис­темного подхода подходят к изучению исторических событий и литературных произведений. Проведите системно-элементный анализ следующих объектов:

а) сказка Аксакова «Аленький цветочек»;

б) басня Крылова «Квартет»;

в) роман И. С. Тургенева «Отцы и дети»;

г) первая мировая война;

д) вторая мировая война;

е) становление российской государственности.

Задание 3

Проведите системно-структурный анализ следующих объектов (выделите системообразующие элементы и связи):

а) учебник информатики;

б) персональный компьютер;

в) ваша семья;

г) произведение, которое вы изучаете на уроках литературы;

д) город, в котором вы живёте.

Задание 4

Проведите системно-функциональный анализ приведенных ниже систем. Определите, зависят ли функции системы (объекта анализа) от функций ее составных элементов.

а) географический атлас;

б) текстовый редактор;

в) водитель за рулем автомобиля;

г) сеть Интернет;

д) программное обеспечение ПК.

Задание 5

Пусть система состоит из 20 элементов. Предположим, что каж­дый элемент связан с любым другим только одной связью. Сколь­ко будет всего взаимосвязей?

Каждый из 20 элементов связан с 19 остальными. Тогда всего связей 20 х 19 = 380.

Разобъем систему на 4 подсистемы по пять элементов в каждой. Если рассматривать подсистему как отдельный элемент, то чис­ло связей между подсистемами 4 х 3 = 12, число связей внутри каждой подсистемы — 5x4 = 20.В этом случае исследовать не­обходимо всего 12 + 4 х 20 = 92 связи (вместо 380). Таким образом, исследовать систему, разбив ее на подсистемы, как правило, легче. Проведите подобные расчеты, если:

а) в системе 20 элементов и она допускает разбиение на 5 подсис­
тем по 4 элемента в каждой;

б) в системе 100 элементов и она допускает разбиение на 10 под­
систем по 10 элементов в каждой.

Если ученый является приверженцем системного подхода и никогда от него не отступает, может ли это обеспечить ис­тинность выводов, к которым он пришел в результате иссле­дования? Иными словами, всегда ли в результате системно­го подхода мы получаем достоверное знание?

Важность системного подхода была осознана в связи с за­конами сохранения массы и энергии.

Деятельность человека нуждается во все более возраста­ющем количестве вещества и энергии. Отсюда возник во­прос: является ли вещество и энергия неисчерпаемыми? От­ветом на него были два фундаментальных закона сохранения: закон сохранения вещества и закон сохранения энергии: суммарное количество энергии и вещества в зам­кнутой системе остаются постоянными.

Пример. По шероховатой поверхности движется тележка с гру­зом. Известно, что она обладает кинетической энергией. Через некоторое время она остановится. Можно предпо­ложить, что энергия исчезла. Однако, пользуясь зако­ном сохранения, применённым к системе «тележка-по­верхность», можно утверждать, что существует какой-то вид энергии, который позволяет сохранить неизменным общее количество энергии. Это тепловая энергия. Заме­тим, что раньше теплоту не считали энергией. Она рас­сматривалась как некая неразрушимая жидкость — флигостон, которую впитывают материальные тела как губки впитывают воду. Чем больше флигостона впитало тело, тем оно теплее. Однако в XIX веке было показано, что теплота — это один из видов энергии. Таким образом, введение нового вида энергии — тепло­вой — было сделано исключительно исходя из закона со­хранения энергии, то есть исходя из системных сообра­жений.

Пример. Другим примером является история открытия новой элементарной частицы — нейтрино.

В 20-х годах прошлого века физики всего мира интен­сивно занимались изучением радиактивного распада тя­желых ядер атомов. При этом оказывалось, что энергия ядра до распада не совпадала с энергией его «осколков». Чтобы обеспечить выполнение закона сохранения энер­гии 1930 г. физиком В. Паули было сделано предполо­жение, что недостающую энергию уносит неизвестная частица, которая потом и была найдена. Так было от­крыто нейтрино.

Законы сохранения массы и вещества выполняются во всех известных в настоящее время системах, однако их ис­тинного понимания нет до сих пор. Как иронично заметил один известны ученый, физики считают законы сохранения философским постулатом, а философы — эксперименталь­ным физическим фактом.

Законы сохранения вещества и энергии имеют исключи­тельно важные следствия для науки, политики и интеллек­туальной и духовной жизни общества. Например, если ци­вилизация ставит во главу угла непрерывное, все расширяющееся производство, она нуждается в постоянном притоке вещества и энергии, и, как следует из законов со­хранения, в постоянном расширении своих подсистем. В со­циально-экономическом плане это означает необходимость постоянно экспансии, сопровождающейся войнами, револю­циями и пр. История показывает, что подобные экспансии характерны для всех промышленно-развитых стран.

Уточним понятие сложной системы, поскольку систем­ный подход применяется чаще всего именно для исследова­ния систем такого рода.

К характерным особенностям сложных систем относят:

• большое число взаимосвязанных разнородных элементов и подсистем;

• многообразие структуры системы, обусловленное как раз­нообразием структур ее подсистем, так и многообразием способов объединения подсистем в единую систему;

• сложность функций, выполняемых системой и направ­ленных на достижение цели ее функционирования;

• взаимодействие с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов;

• наличие управления, часто имеющего иерархическую структуру, а также разветвленной информационной сети и интенсивных информационных потоков;

• отсутствие возможности получения полной и достоверной информации о свойствах системы в целом по результатам изучения свойств ее отдельных элементов;

• наличие множества критериев оценки качества и эффек­тивности функционирования системы и ее подсистем. Важнейшими способами исследования сложных систем

являются:

• синтез, который состоит в нахождении структуры и опре­деляющих параметров системы цо заданным ее свойст­вам;

• анализ, при осуществлении которого по известным структуре и параметрам системы изучается ее поведение, исследуются свойства системы и ее характеристики. Эти способы взаимосвязаны и используются совместно.

В частности, более сложные задачи синтеза чаще всего ре­шаются с использованием результатов решения задач ана­лиза. Основным инструментом решения задач анализа и синтеза системы является информационное моделирование системы.