Системный анализ и моделирование процессов в техносфере

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. А. Волкова, В. Г. Шишкунов

СиСтемный анализ 
и моделирование процеССов 
в теХноСФере

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки
20.03.01 — Техносферная безопасность

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 502.1-047.44(075.8)
ББК 20.18в6я73
          В67
Рецензенты:
канд. экон. наук, директор УрМФ ФГБУ «ВНИИ труда» Минтруда России С. М. Ильин; 
д-р экон. наук, генеральный директор Уральского центра энергосбережения и экологии В. П. Ануфриев

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. О. Хоменко

 
Волкова, А. А.
В67    Системный анализ и моделирование процессов в техносфере : 
учеб. пособие / А. А. Волкова, В. Г. Шишкунов. — Екатеринбург : 
Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 244 с.

ISBN 978-5-7996-2600-6

Учебное пособие соответствует курсу «Системный анализ и моделирование процессов в техносфере». Приведены основные понятия системного анализа, характеристики методических подходов, используемых при 
моделировании процессов в техносфере. Описаны различные модели математической экологии и методы их построения, основанные как на популяционном, так и на экосистемном подходе. Теоретический материал дополнен контрольными заданиями, которые могут быть использованы при 
проведении практических занятий и для самостоятельной работы студентов.

Библиогр.: 13 назв. Табл. 2. Рис. 43.

УДК 502.1-047.44(075.8)
ББК 20.18в6я73

ISBN 978-5-7996-2600-6 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2019

Введение

С

истемный анализ является прямым продолжением 
и дальнейшим развитием такой науки, как кибернетика. Существует большое количество различных ее 
определений.
Академик А. И. Колмогоров писал, что «кибернетику определяют как науку о способах восприятия, хранения, переработки и использования информации в машинах, живых организмах и их объединениях» [1]. Другие определения дали видные 
российские ученые, академики: А. И. Берг — «наука об управлении сложными динамическими системами и процессами», 
В. М. Глушков — «наука об общих законах преобразования информации в сложных управляющих системах».
Каждое определение подчеркивает тот или иной аспект науки, а вместе взятые они отражают многообразие конкретных 
областей ее применения. Обобщая различные определения, 
можно прийти к такому заключению: кибернетика — это наука 
об общих закономерностях, принципах и методах управления 
в различных областях материального мира — в технике, биологии, обществе.
Управление здесь рассматривается в информационном 
аспекте, поэтому во многих определениях кибернетика представляется как наука об информации и общих законах ее преобразования. Прикладные аспекты науки можно отнести к любой 
области исследований: к технике и биологии, физике и социологии и т. п. Теоретическим содержанием этой науки является 
общая теория управления, не связанная непосредственно ни с одной прикладной областью, но применимая в любой из них.

Введение

Многообразие изучаемых объектов, общий характер разрабатываемых идей и обширная сфера применения оказали свое 
влияние на развитие кибернетики. Появившись в результате 
интеграции на стыке многих наук, кибернетика в ходе своего 
развития начала дифференцироваться, делиться на ряд частных наук в соответствии с областью проводимых исследований 
и использования их результатов. В настоящее время существует 
уже не единая наука кибернетика, а несколько самостоятельных кибернетических наук: теоретическая, техническая, биологическая, медицинская, психологическая, правовая, педагогическая, нейрокибернетика и др. В последние десятилетия 
разрабатываются теоретические основы управления безопасностью жизнедеятельности.
Системный анализ расширил сферу исследования кибернетики, включив в рассмотрение сложные, многоуровневые системы. Такие системы чаще всего бывают слабо структурированы и в значительной своей части не могут быть полностью 
представлены формализованным описанием.
Системный анализ изучает и такие основополагающие вопросы, как закономерности образования и функционирования 
сложных многоуровневых систем. Помимо строго формализованных (кибернетических) методов, системный анализ разрабатывает и предлагает для практического применения эвристические и содержательные методики, которые позволяют 
не только исследовать и проектировать сложнейшие системы, 
но и эффективно управлять ими [1].
Таким образом, системный анализ вобрал в себя лучшие достижения кибернетики: основные понятия динамических систем, методологию моделирования, строгую математизацию 
описания систем и т. д. Вместе с тем системный анализ внес 
современные подходы в исследование систем, их проектирование и управление: теорию измерений, экспертные оценки, 
теорию и практику принятия решений.

Глава 1.  
Основы системного подхода

1.1. Место системного анализа в системе наук
Мы 

живем и действуем в мире систем, перемещаясь 
из одной в другую, и являемся при этом сами 
весьма сложной системой. Изучением принципов строения и механизмов функционирования систем самого различного рода занимается область знаний и их практических приложений, называемая системным анализом (анализом 
систем). Иногда совокупность исследований и методологических приемов по изучению систем называют также системным 
подходом. Это направление разрабатывалось многими отечественными и зарубежными учеными: Б. Трентовским, Е. Г. Федоровым, А. А. Богдановым — в конце XIX и начале XX в., Н. Винером, Л. Берталанфи, И. Месаровичем [2], Н. Н. Моисеевым 
и многими другими в наше время [1].
Системный подход является современным принципом исследования и решения задач, но становление его следует рассматривать и в историческом плане. Представления античных 
ученых о природе, человеке и обществе, дошедшие до нас в мифах и философских трудах, уже отличались достаточно сложной 
и удивительно органичной системностью. В этих представлениях находила отражение сложность и взаимосвязанность многочисленных явлений, фактов и свойств окружающего мира. 
Но эти представления имели не только созерцательный харак

Глава 1. Основы системного подхода 

тер, с ними люди прошлого жили и добивались поразительных 
успехов в технике, экономической жизни, военном деле.
Стремительное развитие естественных наук в средние века, 
их дифференциация и специализация, тщательное изучение отдельных явлений и фактов означали наряду с прогрессом отход 
от принципа системности. Это привело к развитию элементаристского подхода, который глубоко внедрился в научную методологию и практику решения задач.
В наше время, уже на новом уровне познания мира, необходимость возврата к системному подходу как всеобщему методологическому принципу стала ощущаться особенно остро 
в связи с увеличением числа практических задач анализа, проектирования и управления сложными системами в технике, 
производстве, экономике и обществе и совмещением в технических решениях принципов различных областей науки. Для 
работы с простым объектом вполне достаточно содержательного (предметного) знания и здравого смысла. Для объектов 
сложных этого недостаточно, необходимо применять еще специальную методологию.
Методология системности включает системный анализ, системный подход и теорию систем [1, 3].
Системный анализ возник в ответ на требование практики, 
поставившей нас перед необходимостью изучать и проектировать сложные системы, управлять ими в условиях неполноты 
информации, ограниченности ресурсов, дефицита времени. 
Другими словами, cистемный анализ можно считать и наукой, 
и искусством, и технологической дисциплиной в зависимости 
от того, с какими системами мы имеем дело (в том числе социальными и социотехническими, где решающую роль играют люди).
Системный анализ является меж- и наддисциплинарным 
курсом, обобщающим методологию исследования сложных систем: технических, природных, социальных.

1.2. Системность как форма существования материи

1.2. Системность как форма существования материи

Любая деятельность может быть более или менее системной. Появление проблемы — признак недостаточной системности; решение проблемы — результат повышения системности, переход на новый, более высокий уровень системности 
в нашей деятельности. Поэтому системность не столько состояние, сколько процесс. Системность есть всеобщее свойство материи, форма ее существования.
Принцип системности рассматривает явления в их взаимной связи, как целостный набор или комплекс.
Признаками системности являются:
· структурированность системы;
· взаимосвязанность составляющих ее частей;
· подчиненность организации всей системы определенной 
цели.
Эти признаки легко обнаружить в нашей практической деятельности:
1) всякое наше осознанное действие преследует определенную цель;
2) в любом действии легко увидеть его составные части, более мелкие действия;
3) эти составные части должны выполняться не в произвольном порядке, а в определенной последовательности.
Это и есть та самая определенная, подчиненная цели взаимосвязанность составных частей, которая и является признаком системности (алгоритмичность).

1.3. Системность практической деятельности

Понятие алгоритма возникло сначала в математике и означало задание точно определенной последовательности однозначно 
понимаемых операций над числами или другими математиче

Глава 1. Основы системного подхода 

скими объектами. В последние годы стала осознаваться алгоритмичность любой деятельности: говорят об алгоритме принятия управленческих решений, обучения, игры в шахматы и даже 
об алгоритмах изобретательской деятельности или композиции 
музыки. При этом отходят от математического понимания алгоритма: сохраняя логическую принудительность последовательности действий, мы допускаем, что в алгоритме данной 
деятельности могут присутствовать и такие действия, которые 
не формализованы: важно лишь, чтобы этот этап успешно выполнялся человеком, хотя и неосознанно.
Существует мнение, что «…подавляющее большинство элементов творческой деятельности, выполняемых человеком 
“легко и просто”, “не думая”, “по интуиции”, на самом деле 
является неосознанной реализацией определенных алгоритмизируемых закономерностей, реализацией неосознаваемых, 
но объективно существующих и формализуемых критериев красоты и вкуса».
Подведем итог.
1. Любая деятельность алгоритмична.
2. Не всегда алгоритм реальной деятельности осознается 
(композитор сочиняет музыку, шофер мгновенно реагирует 
на изменение дорожной обстановки, летчик, когда ведет самолет на посадку, решает «в уме» систему из 20 дифференциальных уравнений и т. п.).

3. В случае неудовлетворенности результатом деятельности 
возможную причину неудачи следует искать в несовершенстве 
самого алгоритма.
«Если не получаете желаемого — измените свои действия», — 
гласит старинная китайская поговорка.
Это означает необходимость пытаться выявить алгоритм, исследовать его слабые места, устранять их, т. е. совершенствовать 
алгоритм, повышать системность деятельности.
Таким образом, явная алгоритмизация любой практической 
деятельности является важным средством ее развития.

1.4. Внутренняя системность  познавательных процессов

1.4. Внутренняя системность  
познавательных процессов

Сам процесс познания системен, и знания, добытые человечеством, также системны.
Некоторые ученые-философы в дальнейшем развили последовательность познания и предложили трехступенчатую диалектическую теорию познания, которая состоит:
1) из феноменализма — ступени наблюдения;
2) номинализма — ступени формулировки теорий;
3) ступени выявления фундаментальных принципов [4].
На первой ступени происходит сбор информации, когда каждое явление или эксперимент описывается самостоятельно. 
В развитии механики Ньютона такой ступени соответствуют 
наблюдения Тихо Браге.
На второй ступени формируется внутренняя структура, 
в процессе чего формулируются законы теории. Этой стадии 
соответствуют законы Кеплера.
Третья ступень выявляет наиболее общие законы, которым 
подчиняются изученные явления. Этой стадии соответствует ньютоновский закон движения [4]. Такая трехступенчатая 
теория показывает, что ее диалектическое развитие основано 
на следующих фактах:
1) природа сама по себе имеет многоуровневую структуру;
2) научное познание есть не что иное, как погружение в более глубокие слои этой структуры, то есть механизм диалектического познания вытекает из диалектической 
структуры самой природы.
Особенностью познания, которая позволяет поэтапно разрешить противоречия между неограниченностью желаний человека познать мир и ограниченностью существующих возможностей сделать это, между бесконечностью природы 
и конечностью ресурсов человечества, является наличие ана