5
1. Vymezení okruhu systémové analýzy, systémový přístup a systémové myšlení, základní pojmy teorie systému
ë • • • •
Cíle
Po prostudování této kapitoly budete schopni: vysvětlit co je systémová analýza a co je předmětem jejího zájmu jaké prostředky systémová analýza využívá vysvětlit co je systémový přístup a systémové myšlení vysvětlit základní pojmy teorie systémů
6 Ñ
Doba potřebná ke studiu kapitoly: 120 minut
Klíčová slova kapitoly:
Systémová věda, systémová analýza, systémový přístup, systémové myšlení, systémové inženýrství, systém, tvrdé systémy, měkké systémy, klasifikace systémů, typy systémů, cíl systému, prvek sytému, typy prvků, vazba systému, typy vazeb, struktura systému, okolí systému, chování systému, vlastnosti systému, řízení chování systému.
§
Úvod do problematiky
1.1 Systémová věda Základem mnoha moderních vědních disciplín včetně systémové analýzy je teorie systémů. Systémová věda je samostatný vědní obor, který má svůj předmět zkoumání v systémech a vlastní metody jejich zkoumání. Systémová věda vyvíjí metody pro definování, zobrazování systémů a pro analýzu a optimalizaci jejich struktury a chování. Systémová věda se začala formulovat ve 30. letech, kdy vyvstávala potřeba vypracovat speciální metody pro práci se systémy. Její základy se formulovaly nezávisle na sobě v různých úsecích lidské činnosti (např. v biologii teorie otevřených systémůBertalanffy 1950). Teorie systémů je formální věda o struktuře, vazbách a chování systémů vytváří vlastní terminologii (viz kapitola 1.7 Základní pojmy teorie systémů)
6
Obr. 1: Základní členění systémové vědy a oblasti jejího zájmu.
&
Výklad
1.2 Systémová analýza Systémová analýza zkoumá systémy s cílem je pochopit, vysvětlit, zvládnout, zlepšit a zdokonalit je, odhalení jejich struktury a objevení kritických míst. Jevy nezkoumá jako izolované veličiny, ale snaží se postihnout jejich chování v systému, aniž by se systém (celek) při tom rozpadl na jednotlivé části. Používá k tomu matematické a statistické metody a systémové přístupy, jako jsou operační analýza, systémové inženýrství, kybernetika, obecná teorie systémů. Operační analýza – je souhrn metod, prostředků a postupů (především matematických), které jsou vhodné pro rozhodování ve složitých situacích s mnoha činnostmi a omezeními. Řeší komplikované technické a ekonomické problémy pomocí teorie grafů, statistiky, matematického programování. Kybernetika – je vědní obor zabývající se obecnými zákonitostmi v různých systémech (technických, ekonomických, biologických, společenských, aj.). Obecná teorie systémů – obecný metodologický přístup k postižení nejobecnějších rysů a zákonitostí různých typů systémů na základě jejich vzájemné izomorfie, resp. homomorfie.
7
Čím se zabývá: • definování systémů a jeho okolí • metodami modelování systému • analýzou struktury systému a jeho optimalizací • analýzou chování systému a jeho optimalizací • tvorbou terminologie Systémové inženýrství: • Souhrn prostředků, postupů a metod spojených se zkoumáním, navrhováním, vytvářením a využíváním složitých systémů a s řízením procesů v nich probíhajících. • Zabývá se analýzou, projektováním, provozováním a řízením rozsáhlých složitých systémů a to technického i netechnického charakteru. Etapy postupu řešení úlohy metodami systémového inženýrství: 1. správná definice problému, problémové úlohy 2. stanovení cílů, kterých má být dosaženo 3. konceptuální návrh systému (myšlenka, idea) 4. výběr vhodné varianty řešení (stále na úrovni myšlenky, koncepce) 5. vlastní vývoj systému 6. implementace a provoz systému (zavedení systému u uživatele, školení uživatelů, příručky, apod.)
1.3 Metodické prostředky systémové analýzy Metody používané při analýze systémů můžeme rozdělit do tří skupin. Jsou to skupiny: • Skupina specifických úloh systémové analýzy, tzv. úlohy na systému. Do této skupiny patří především: Ø Metody identifikace systému Ø Úloha o společném rozhraní (interface) zkoumající a zajišťující regulárnost vazeb v systému, tedy zjišťující, do jaké míry je daný systém systémem jaká je jeho skutečná struktura a jak funguje Ø Úloha o analýze struktury systému (úloha o cestách) analyzující strukturu systému z hlediska jejích topologických vlastností, vlastností prvků z hlediska jejich napojení do struktury, složitost (provázanost) systému, existenci a charakter smyček (zpětných vazeb) ve struktuře systému, apod. Ø Úlohy kapacitní zjišťující kapacitu systému s ohledem na jeho prvky a vazby Ø Úlohy na struktuře systému zabývající se redukcí struktury systému, např. prostřednictvím integrace části struktury, nebo naopak rozvojem struktury systému Ø Úlohy o chování systému analyzující chování systému jakožto jev jednoznačně určený vnitřním uspořádáním systému a prostředím (okolím), v němž se systém nachází. Zabývá se vnitřními a vnějšími cíli chování systému, typickým chováním. Ø a další • Skupina univerzálně zaměřených úloh převážně matematického charakteru, jako jsou úlohy operačního výzkumu, matematické analýzy, statistiky, teorie grafů, analýzy shluků, Petriho sítě, atd.
8 •
Skupina speciálních úloh používaná obory, do nichž patří prvky systému svoji věcnou podstatou. Úlohy této skupiny jsou nazývány úlohami v systému.
1.3 Systémové myšlení (přístup) v řešení úkolů nevytržený z reality, ale analyzujeme a uvažujeme i všechny další okolnosti, které s nimi souvisí. v vnímání problému nikoliv vytrženě z reality, ale v souvislostech a to jak vnějších tak i vnitřních. Systémové myšlení se pojí s tzv. měkkými a tvrdými systémy.
1.4 Obecné dělení systémů •
Tvrdé systémy
•
Měkké systémy
Tvrdé (tradiční) systémy – mají dobře strukturované problémy, vztahy mezi vstupy a výstupy lze exaktně vyjádřit, vstupy mají převážně kvantitativní charakter, problémy lze algoritmizovat. • usilují o řešení problémů, které jsou technickými a mohou být dobře vymezeny a popsány •
vyžadují předem definované cíle
•
jsou určeny pro provoz v přesně vymezeném prostředí
•
lze je popsat například matematickými rovnicemi
•
rovnovážný stav je chápán mechanisticky, který můžeme dobře popsat
•
velmi dobře je můžeme řídit, můžeme předikovat (předpovídat) jejich stavy
Měkké systémy – špatně strukturované problémy, vyskytují se v nich neurčitosti, rizika, nejistoty, vstupy nejsou vždy věrohodné, problémy nejsou algoritmizovatelné. •
stochastické systémy
•
sociální systémy, životní prostředí, ekonomické systémy atd.
•
pravděpodobnost (někdy výstupy pouze odhadujeme)
•
člověk jako individualita uplatňuje svoje subjektivní zájmy
9 Pro analýzu chování, eventuelně pro navrhování systému vzhledem k prvotním informacím se rozlišují 4 situace: 1.) Situace jistoty (pojí se s tvrdým systémy) - jsou k dispozici kompletní znalosti o hodnotách výstupu a výskytu jednotlivých stavů. známe vstupy + známe stav systému => známe výstup 2.) Situace rizika - známe hodnoty výstupu, ale máme jen pravděpodobnosti stavu systému. 3.) Situace nejistoty - máme možné hodnoty výstupu systému, ale informace o jednotlivých stavech systému nejsou k dispozici a jsou pouze subjektivně předpovídány. 4.) Situace nejednoznačnosti - velmi nejasně formulovaná situace, mlhavá
1.5 Obecná taxonomie systémů (Ludwig von Bertafanuffy 1954) • •
•
všeobecná teorie - řeší filozofické otázky, vytváří pojmový aparát, definuje systémy matematická teorie- prostředky pro popis systémů. Snaží se o matematickou formulaci systému a popsat jeho chování. Podstatná míra zjednodušení reality (důležité je ani příliš zjednodušit, ani nechat složité). Základními prostředky jsou maticový počet, teorie grafu, množinová a relační algebra, diferenciální počet, atd. kybernetická teorie (W. Ashby) – můžeme jí spojit s teorií automatu. Kybernetický stroj, který v každém okamžiku prochází určitými stavy, ty reprezentují určitý druh chování. o stavová trajektorie (dráha chování stroje): s časovou posloupností (např. automat na jízdenky – tisk, nefunkčnost, příjem mincí, korekce,….) o existence zpětné vazby: systémy řiditelné s cílovým chováním, otázka stability a rovnovážného stavu těchto systémů.
Další teorie, které ještě spadají do obecné: •
Teorie sítí
•
Teorie grafu – studuje strukturu systému, jeho topologické vlastnosti, k modelování systému
•
Teorie maticového počtu – umožňuje popis struktury a chování systému
•
Teorie informace – množství přenesených informací, kódováním informací (cryptogafie)
•
Teorie automatů – zabývá se algoritmy, Turingův automat
•
Teorie her – zkoumáním a řešením konfliktních situací
•
Teorie front (teorie hromadné obsluhy) – např. požadavky pro server
•
Teorie matematického programování
10
1.6 Klasifikace (taxonomie) systémů 1.6.1 Podle P. Checklanda •
Přirozené systémy - základ celého našeho světa (fyzikální, biologické, živé-neživé); hlavně živé a jejich chování (účelné); reakce prvku na nějaký vstupní prvek
•
Navrhované systémy - uměle vytvářené člověkem a to s předem daným a dobře vymezeným záměrem (záměrné systémy). Jedná se o stroje, automobily, počítače, knihy, atd.
•
Systémy lidských aktivit - rozhodující prvky jsou lidé vstupující do vzájemné interakce, jednající s určitými záměry, z čehož plyne jejich chování. Z toho důvodu vykonávají určité činnosti. Např. stát, instituce, organizace, atd.
•
Transcendentální systémy - přesahují lidské chápání např. telepatie apod.
1.6.2 Bouldingova taxonomie
•
Fyzikální systémy (Frameworks) - základní stavební prvky pro všechny vyšší typy systémů. V zásadě mají přírodovědní základ (charakter).
•
Mechanické systémy (Clockworks) - zde už se zajímáme o strukturu. Jedná se o technické systémy, které mohou mít podobu strojů apod.
•
Kybernetické systémy - vyskytují se u nich zpětné vazby. Pomocí nich provádíme regulaci v systémech a zajišťují (udržují) rovnováhu ve vymezených mezích.
•
Otevřené systémy - spojovány s existencí života. Mají alespoň jeden vstup a výstup Za nejjednodušší typ je považována jediná buňka. Významné je okolí systému s kterým interaguje. Tyto systémy přijímají z okolí energii, kterou mohou akumulovat a transformovat (přeměna vstupů a výstupů). Významná je tzv. Ekvifinalita schopnost systému dosáhnut svého cílového stavu z různých počátečních stavů.
11
•
Genetické systémy - mají zřetelně rozlišené funkce jednotlivých prvků, jsou vybaveny řadou receptorů a informačních kanálů. Velmi složitá struktura daná genetickým kódem systému. Společné vlastnosti nějakého druhu, tzv. genotyp. Projevuje se u nich evoluce, mají schopnost učení se.
•
Živočišné (animální) systémy - vykazují vysokou mobilitu a schopnost reakcí.
•
Člověk - má vědomí, záměrné jednání, abstraktní myšlení, převod myšlení v symbolické znaky, schopnost zobecňování.
•
Sociální systémy – pro nás nejvyšší, nejabstraktnější, nejsložitější systém. Interakce mezi lidmi, rozdílnost v uvažování.
•
Transcendentální - přesahují lidské chápání např. telepatie apod.
s • • • •
Kontrolní otázky Vysvětlete pojmy: systémové inženýrství, systémová analýza, systémové myšlení. Co jsou měkké a tvrdé systémy? Uveďte některé z metodických prostředků systémové analýzy. Uveďte jednu z klasifikací systémů
& 1.7
Výklad
Základní pojmy z teorie systémů
1.7.1 Celek, část, systém Celek – soubor vzájemně spolupracujících částí s rozpoznatelnými prvky a vztahy, jejichž sjednocujícím a vymezujícím vnitřním cílem je realizace určité makrofunkce. Část – libovolné seskupení (podmnožina) vzájemně svázaných prvků, které je součástí celku. Objekt – určitá část objektivní reality hmotné nebo nehmotné povahy (na níž je nebo může být identifikován systém). Systémem rozumíme – účelově definovanou množinu prvků a vazeb mezi nimi, které vykazují jako celek určité vlastnosti nebo chování. Prvek chápeme jako nedělitelnou část celku. Vazbu jako přímé spojení mezi dvěma prvky nebo množinami těchto prvků.
