УДК 004.41

РОЛЬ СИСТЕМНОГО МЫШЛЕНИЯ В СИСТЕМНОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Щукова Кристина Борисовна
Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Аннотация
Системная инженерия - новая наука, которая зародилась в военной области при создании сложных систем. Постепенно методы системной инженерии стали применять в других областях для успешного создания систем на основе методов системной инженерии. В статье рассмотрены подходы к определению "системное мышление", роль системного мышления в системной инженерии. Изложены принципы и инструменты системного мышления. Описаны методологии мягких и жёстких систем.

Ключевые слова: методология жёстких систем, методология мягких систем, системная инженерия, системный подход


THE ROLE OF SYSTEMS THINKING IN SYSTEMS ENGINEERING

Shchukova Kristina Borisovna
National Research Tomsk Polytechnic University

Abstract
The system engineering is the new branch of science that has been appeared in the military field while developing complicated systems. The methods of the system engineering had gradually become in other fields in order to develop successful systems. The paper considers the term 'system thinking' and its role in system engineering. The basic principles and tools of system thinking are described. Besides, the metodologies of soft and hard systems are considered.

Библиографическая ссылка на статью:
Щукова К.Б. Роль системного мышления в системной инженерии // Современная техника и технологии. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/12/8888 (дата обращения: 28.05.2017).

Термин «системный подход» и «системное мышление» получил широкое распространение в современной технической и научной литературе [1, 65 с.]. Данная статья посвящена рассмотрению сущности, основных концепций, принципов и свойств системного подхода и мышления, а также примеров его использования в современном мире.

Взгляды на системный подход

Системный подход – это способ рассмотрения сложных проблем. Американский учёный в области теории систем Рассел Аккоф считал, что существует три способа рассмотрения проблем:

1. Проблемы могут быть решены частично. Для решения проблемы достаточно найти удовлетворительный ответ.

2. Проблемы могут быть устранены. Для устранения проблемы и достижения поставленных целей необходимо изменить ситуацию таким образом, чтобы проблема исчезла.

3. Проблемы могут быть решены полностью. Для решения проблемы необходимо найти точный ответ, так же как при решении уравнения.

В основном большая часть людей решает проблемы частично, зачастую имея дело с признаками проблемы, а не с ее корнями. Иногда они вынуждены принимать решения в отсутствии  полных знаний о проблеме. Удовлетворительный ответ не рассматривается как плохой, более прагматичный. Иногда нахождение удовлетворительного решения проблемы приводит к увеличению знаний о реальной проблеме, что позволяет в дальнейшем найти более удовлетворительный ответ и еще больше расширить знания о проблеме, таким образом, достигая  полного решения проблемы.

Некоторые системные инженеры выбирают третий способ рассмотрения проблемы. Они ищут наилучшее, или оптимальное решение сложной проблемы посредством достижения такого баланса между взаимодействующими компонентами и взаимосвязанными процессами системы решения сложных проблем, который позволяет получать наилучшие результаты.

Системный подход вошел почти в каждую сферу деятельности, включая социальные науки, науки о жизни, а также в биологию, где не существует альтернатив такому подходу. В частности, теория управления и организаций заимствовала системный подход [2, 17 c.].

Австрийский учёный Людвиг фон Берталанфи во введении к книге «Общая теория систем», написанной в 1968 году, охарактеризовал системный подход следующим образом: «Дана конкретная цель. Для нахождения способов и средств ее осуществления необходим системный специалист или группа специалистов, которые рассмотрят альтернативные решения и выберут оптимальное решение с минимальной стоимостью и максимальной эффективностью в огромных сложных системах взаимодействий». Он отнёс к системному подходу следующие элементы: теория классических систем (дифференциальные уравнения), компьютеризация и моделирование, теория классификаций, теория множеств, теория графов, теория сетей, кибернетика, теория информации, теория автоматов, теория игр, теория принятия решений, теория систем массового обслуживания и модели на естественном языке [2].

Роль системного подхода в современной науке

Современные исследования показывают, что системный подход играет важную роль в правильной постановке научных проблем. Однако, применение системного подхода в решении уже поставленных задач менее эффективно по сравнению с непосредственной постановкой задач. Это связано с отсутствием в системном подходе универсальных и эффективных методов решения проблем. Поэтому если рассматривать любое системное исследование, то системная постановка проблем в дальнейшем основывается на несистемных средствах исследования. Кроме того, системный подход играет незначительную роль в организации процесса исследования. Однако, значительный вклад системный подход вносит в решение задач, которые связаны с методологическим самосознанием науки и использованием методологических средств. Большая часть методологической литературы по системному подходу посвящена данной проблеме [1, 72 c.].

Системный подход в системной инженерии

Согласно [2] сущность системного подхода заключается в определении и понимании сложных проблем и возможностей, синтезе возможных альтернатив; анализе и выборе наилучших альтернатив; реализации и утверждении решения, а также создании, использовании и поддержке инженерных системных решений. Активное участие заинтересованных лиц во всех видах деятельности  системного подхода является ключом к успешности системного подхода. В контексте инженерных систем системный подход – это целостный подход, охватывающий весь жизненный цикл системы. Однако, он обычно применяется на стадиях разработки, функционирования и сопровождения жизненного цикла [2].

На рисунке 1 представлена высокоуровневая структура видов деятельности и принципов, объединенных на основе составляющих системного подхода. Успешные системные практики предполагают применение системного мышления не только для создаваемой системы, но также и для рассмотрения способа планирования и осуществления работ [2].

Рисунок 1. Системная инженерия и системное мышление

Системный подход тесно связан с системным мышлением и с тем, каким образом системное мышление помогает в руководстве системной деятельностью.  В системном подходе система может рассматриваться в виде «холона» – такая сущность, которая сама по себе является целой системой, взаимодействующая с другими холонами во внешней среде.

Таким образом, системный подход может быть охарактеризован путем того, как рассматриваются проблемы, решения и непосредственный процесс разрешения проблем:

Он включает в себя следующее:

  • целостное рассмотрение проблем, установление границ проблемы путем понимания естественных взаимосвязей системы и попытки предотвращения нежелательных последствий;
  • создание решений, основанных на фундаментальных системных принципах, в частности  создание структур системы, которые уменьшат сложность организации и число нежелательных возникающих свойств системы;
  • понимание, оценка и применение моделей как при рассмотрении проблемы, так и при создании ее решения, учитывая ограничения таких моделей и представлений [2].

Согласно [2] выделяют следующие основные группы методологий:

  • методологии жёстких систем направлены на выбор эффективных средств для достижения заранее определенных и согласованных целей;
  • методологии мягких систем являются интерактивными и коллективными подходами, оказывающими помощь группам отдельных участников для облегчения интересующей сложной проблемной ситуации;
  • методологии критического системного мышления направлены на создание среды, в которой  соответствующие мягкие и жёсткие методы могут применяться в зависимости от исследуемой ситуации [2].

Британский учёный Питер Чекленд предложил следующую классификацию методологии жёстких систем:

  • Системный анализ – это систематическая оценка затрат и других последствий выполнения определённого требования различными способами.
  • Системная инженерия – это совокупность видов деятельности, направленных на создание сложного техногенного объекта и (или) процедур, а также информационных потоков, связанных с его работой [2].

Изначально системная инженерия была направлена на создание, модификацию и поддержку жёстких систем. Впоследствии системная инженерия включила проблемно-ориентированное мышление и гибкие подходы к решению задач.

Во всех вышеуказанных жёстких методах может применяться системное мышление для обеспечения законченных и жизнеспособных решений, созданных как часть процесса оптимизации решения.

        Мягкие системы и проблемно-ориентированные методы

Проблемно-ориентированные методы являются интерактивными подходами, оказывающими помощь группам из различных участников для того, чтобы облегчить интересующую сложную проблемную ситуацию [2].

Создание ряда жёстких и мягких методов обычно приводит к возникновению вопроса о том, какой метод применять в конкретных обстоятельствах. Критическое системное мышление направлено на решение данного вопроса [2].

Принципы системного мышления

Основные принципы системного мышления представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные принципы системного мышления [2]

Название базового термина

Содержание принципа

Абстрактность Ориентация на основные характеристики играет важную роль в решении проблем, поскольку она позволяет игнорировать несущественные проблемы, таким образом, их упрощая.
Ограниченность Граница или оболочка позволяет изолировать систему от внешнего мира. Она служит для взаимодействия внутри системы, обеспечивая обмен с другими системами.
Изменяемость Изменения необходимы для роста и адаптации. Их следует принимать и планировать как часть естественного порядка вещей, а не избегать, игнорировать или запрещать.
Дуализм Необходимо понимать двойственности и рассмотреть, каким образом они должны или могут быть гармонизированы в контексте надсистемы.
Инкапсуляция Сокрытие внутренних частей системы и ее взаимодействий от внешней среды.
Эквифинальность В открытых системах одно и то же конечное состояние может быть достигнуто из различных начальных условий и различными способами. Такой принцип может использоваться, в том числе и для систем целевого назначения.
Целостность Система должна рассматриваться в качестве единого целого, а не только как набор отдельных частей.
Взаимодействие Свойства, возможности и поведение системы возникают из ее частей, взаимодействий между этими частями и с другими системами.
Уровневая иерархия Иерархичная структура сложных систем (в том числе и устойчивых промежуточных форм) способствует их эволюции, а их иерархическое описание помогает понять такие системы.
Эффект рычага Необходимо достичь максимального эффекта рычага. Благодаря достижению общего компромисса эффект рычага может быть достигнут посредством полного решения (эффективность) узкого класса проблем или при помощи частичного решения широкого класса проблем (универсальность).
Модульность Несвязанные части системы должны быть отделены, а связанные части системы должны быть сгруппированы вместе.
Сетевая структура Сетевая структура является одной из основных топологий систем, являющейся основой для объединения, связи, динамического взаимодействия частей, которые определяют поведение сложных систем.
Экономичность мышления Необходимо выбирать простейшее объяснение явления, для которого требуется наименьшее количество предположений. Это относится не только к выбору проектирования, но и операциям, а также требованиям.
Закономерность Системная наука должна уметь находить и устанавливать закономерности в системах, так как они способствуют пониманию систем и системной деятельности.
Связи Система характеризуется ее связями – взаимосвязями между элементами. Обратная связь является одной из таких типов связей. Совокупность связей определяет сетевую структуру системы.

Разделение проблем

Более крупную проблему можно решить эффективнее благодаря ее декомпозиции на ряд небольших проблем.

Сходства и различия

Как сходство, так и различия в системах должны признаваться и приниматься в их исходном виде. Необходимо избегать применения одного и того же подхода ко всем видам систем и рассмотрения любых объектов системы в качестве совершенно уникальных.

Стабильность и изменчивость

Системы меняются с разной скоростью, и сущности или концепции в устойчивом диапазоне могут или должны использоваться для обеспечения руководства быстро изменяющимися сущностями в неустойчивом диапазоне. Изучение сложных адаптивных систем может помочь в руководстве поведением системы и ее разработке в изменяющихся средах.
Синтез Системы могут быть созданы посредством правильного выбора (замысел, разработка, выбор) правильных частей, а также объединения их вместе для правильного взаимодействия и управления этими взаимодействиями, чтобы создать необходимые свойства целого с целью обеспечения их функционирования с оптимальной эффективностью в рабочей среде, таким образом, решая определенную проблему.
Представление Множество различных представлений, основанных на различных системных аспектах, играют важную роль в понимании сложной системы или проблемной ситуации. Важнейшим представлением является связь проблемы со свойствами целого.

 

Существуют инструменты системного мышления:

1. Нотация диаграмм причинности.

2. Диаграмма потоков и накопителей [8, 14 c.].

Диаграмма цикличной причинности является важным инструментом для представления структуры обратной связи систем. Данная диаграмма подходит для:

  • быстрого фиксирования гипотез о причинах динамики;
  • выявления и формирования ментальных моделей отдельных лиц или групп;
  • обсуждение  важных обратных связей.

Причинно-следственная диаграмма состоит из переменных, связанных стрелками между собой, указывающими на причинно-следственную связь между ними. В диаграмме также присутствуют важные циклы обратной связи.

Каждой причинно-следственной связи соответствует полярность – положительная или отрицательная для указания того, каким образом меняется зависимая переменная при изменении независимых переменных.

Диаграммы цикличной причинности подходят для представления взаимозависимостей и процессов обратной связи.

Их эффективно использовать на начальном этапе проекта моделирования для получения ментальной модели. Однако, такие диаграммы имеют ряд ограничений. Главным ограничением таких диаграмм является отсутствие возможности получения структуры потоков и накопителей системы. Потоки и накопители, в том числе и обратная связь, являются центральными понятиями в динамической теории систем [8, 191 c.].

Структура накопителей и потоков состоит из следующих элементов:

  • Накопители представлены в виде прямоугольников.
  • Входящие потоки представлены в виде стрелки, направленной к накопителю.
  • Исходящие потоки изображаются в виде стрелок, направленных от накопителя.
  • Регуляторы контролирует потоки.
  • Облака представляют собой источники потоков [8, 192 c.].

Диаграммы влияния, а также цикличной причинности помогают в изучении сложности систем. Зачастую диаграмма влияния является эффективным средством для определения соответствующей системы для исследуемой проблемы.

Однако, в некоторых случаях диаграмма влияния не является подходящим инструментом для однозначного и точного определения структуры задачи принятия решения. В этом случае можно использовать другие виды диаграмм для более подробного рассмотрения проблемы и ее структуры [9, 98 c.].

Блок-схемы представляют еще один вид диаграмм, позволяющий представлять конкретные аспекты системы, в частности, логическую и временную последовательность некоторого процесса, операции или вида деятельности. Процесс может являться временным потоком материала, проходящим через систему. Он может отражать способ обработки и использования информации, временную последовательность, в которой должны выполняться задачи для завершения проекта, или логическую последовательность, а также проверки в процессе принятия сложных решений [9, 99 c.].


Библиографический список
  1. И. В. Блауберг, Э.Г. Юдин. Становление и сущность системного подхода. – М.: Наука, 1973. – 271 с
  2. Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge. Systems Thinking [Электронный ресурс]. URL: http://sebokwiki.org/wiki/Systems_Thinking  (дата обращения: 21.12.2015).
  3. Leveson. Engineering To A Safer World. Systems Thinking Applied to Safety. – The MIT Press Cambridge, 2011. – 555 p.
  4. Alexander Kossiakoff, William N. Sweet, Samuel J. Seymour, Steven M. Biemer. Systems Engineering: Principles and Practices. – John Willey & Sons, 2011. – 559 p.
  5. Derek K. Hitchins. Systems Engineering. A 21st Century Systems Methodology. – John Willey & Sons, 2007. – 532 p.
  6. John Boardman, Brian Sauser.  Systems Thinking: Coping With 21st Century Problems. – CRC Press Taylor & Francis Group, 2004 – 242 p.
  7. Lars Skyttner. General Systems Theory. – World Scientific Publishing, 2005. – 535 p.
  8. John D. Sterman. Business Dynamics Systems Thinking and Modeling for a Complex World. – The MIT Press, McGraw-Hill Companies, 2000. – 1008 p.
  9. Hans G. Daellenbach, Donald C. McNickl. Management Science. Decision Making Through System Thinking. – PALGRAVE MACMILLAN. – 2005, 615 p.


Все статьи автора «Щукова Кристина Борисовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: