Исследование сложных систем и процессов

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

Т.И. Булдакова 

Исследование сложных систем и процессов 

Учебное пособие 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

УДК 303.732 
ББК 32.817 
 
Б96 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/117/book1598.html 
Факультет «Информатика и системы управления» 
Кафедра «Информационная безопасность» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Рецензент 
профессор кафедры «Информационная безопасность  
автоматизированных систем» СГТУ им. Гагарина Ю.А.,  
д-р техн. наук, А.А.Терентьев 
 
 
Булдакова, Т. И. 
Б96   
Исследование сложных систем и процессов : учебное пособие / Т. И. Булдакова. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2017. — 164, [2] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4511-0 
Пособие посвящено актуальным проблемам исследования сложных 
систем и подходам к их решению. Особое место занимают вопросы, связанные с моделированием систем, диагностированием системных проблем, 
выбором рационального подхода к их решению, в том числе при многокритериальном выборе. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Информационная безопасность автоматизированных систем». 
Может быть полезно студентам других специальностей, магистрантам и 
аспирантам, интересующимся вопросами исследования сложных систем 
и процессов. 

 
 УДК 303.732 
 
 ББК 32.817 
 
 
 
 

 
 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
 
 © Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4511-0 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 

Предисловие 

Учебное пособие предназначено студентам, обучающимся по 
специальности «Информационная безопасность автоматизированных систем», и магистрантов, обучающихся по направлению 
«Информационная безопасность», в учебных планах которых 
предусмотрено изучение дисциплины «Теория систем и системный анализ». 
Теория систем и системный анализ — это динамично развивающиеся направления исследований. Их становление обусловлено 
многими факторами, в том числе усложнением производственных 
и информационных процессов, развитием наукоемких технологий, 
потребностью в решении сложных комплексных задач, в том числе в условиях неполных данных. 
Объектом исследования теории систем являются сложные системы. Она устанавливает общие принципы и законы функционирования систем, способы их классификации и роль в выборе методов моделирования конкретных объектов, а также свойства и общесистемные закономерности. 
Теория систем изучает различные явления без учета конкретной природы и основывается лишь на формальных взаимосвязях 
между различными составляющими факторами и на характере их 
изменений под влиянием внешних условий. При этом результаты 
всех наблюдений объясняются лишь взаимодействием компонентов, например, характером организации и функционирования, а 
не с помощью непосредственного обращения к природе вовлеченных в явления механизмов (будь они физическими, биологическими, экологическими, социологическими или чисто концептуальными) [23]. 
На первый взгляд, каждая сложная система имеет свою, только 
ей присущую организацию, для которой характерны некоторые 
общие закономерности, позволяющие организации изучаться независимо от конкретного содержания и назначения сложной систе

мы. Типичные абстрагированные свойства организации — это 
наличие между элементами отношений подчиненности, чередование и упорядоченность процедур, согласование событий и целей, 
своевременная передача информации и управления, влияние на 
направленность процессов, приемы учета неопределенностей и 
многое другое [38]. 
Одновременно со становлением теории систем потребности 
практики привели к возникновению направления, получившего 
название системные исследования. Возник и ряд родственных 
направлений: имитационное моделирование, ситуационное управление, структурно-лингвистическое моделирование, информационный подход и др. Их появление обусловлено тем, что исследование сложных систем, особенно в условиях неполных данных, 
основывается на наблюдении и изучении различных процессов, 
связанных, например, с функционированием систем, переходом из 
одного состояния в другое, преобразованием в системах входных 
потоков информации, ресурсов и энергии в выходные потоки, 
управлением системами с помощью внешних воздействий. 
Сущность системного подхода к исследованию сложных объектов различной природы заключается в том, что все элементы системы и операции в ней должны рассматриваться как одно целое, 
только в совокупности, исключительно во взаимосвязи друг с другом. При этом основная трудность системных исследований связана с нахождением адекватных понятийных средств представления 
изучаемых объектов как систем. Результатом применения системного подхода являются системные описания исследуемых или 
проекты создаваемых объектов. 
Наиболее конструктивным из направлений системных исследований считается системный анализ, занимающийся применением методов и моделей теории систем для ее практических приложений к задачам управления. Фактически системный анализ — это 
синтез идей и принципов теории систем, кибернетики и возможностей вычислительной техники. 
Его следует рассматривать как методику проведения исследования сложных процессов и систем с применением системного 
подхода, в ходе которого последовательно применяются формализованные и неформализованные методы. Первая группа включает 
в себя как общенаучные методы, так и специальные приемы изучения поведения конкретного класса систем. Вторая группа пред

назначена для активизации интуиции и опыта специалистов. Она 
включает совокупность приемов организации работы исследователей и экспертов, которая позволяет составить описание изучаемой 
системы и подготовить материал для применения формализованных 
методов. Поэтому можно сказать, что системный анализ разрабатывает способы исследования разнообразных сложных систем или 
процессов при нечетко поставленных целях (критериях). Такие исследования необходимы для определения научно обоснованной 
программы действий с учетом не только объективной, но и субъективной информации. 
В настоящее время сфера действия теории систем и системного 
анализа весьма разнообразна и постоянно расширяется: от постановки научных исследований и теоретических обобщений до проектирования технических объектов и управления предприятиями и 
организациями. 
Развитие навыков системного мышления у будущих инженеров 
приобретает особую значимость. Здесь можно выделить два аспекта [35]. Во-первых, «Теория систем и системный анализ» как 
учебная дисциплина является основой для последующих специальных курсов, посвященных изучению систем различной природы: измерительных, промышленных, транспортных, экономических, социальных и т. д. Во-вторых, системный анализ как научное 
направление тесно связан с теориями информации, управления, 
принятия решений, проблемами искусственного интеллекта и т. п. 
В-третьих, системный подход — это жизненная философия, владение которой позволяет успешно решать повседневные задачи, 
находить нестандартные решения, придерживаясь золотой середины и избегая крайностей. 
Дискуссионным остается вопрос о месте дисциплины «Теория 
систем и системный анализ» в структуре учебного процесса будущих специалистов. Неясно, что более эффективно: преподавать 
дисциплину на младших или на старших курсах. 
Студенты младших курсов не знают особенностей изучаемых 
систем и предметной области в целом, что не позволяет приводить 
примеры из соответствующей предметной области, дисциплины 
которой преподаются на старших курсах. Студенты же старших 
курсов не владеют системным подходом, не могут выделить общесистемные закономерности при изучении предметной области. Вероятно, целесообразно выбрать золотую середину и преподавать 

дисциплину на 2-м или 3-м курсах, приводя примеры из окружающей жизни или изучаемой предметной области на уровне, доступном студентам младших курсов. 
Кроме того, учебное пособие может быть полезно для магистрантов и аспирантов, у которых системная аналитическая работа 
является важной составляющей будущей профессиональной деятельности. 
В главе 1 представлены общие сведения о системах как объектах исследования, рассмотрены свойства и принципы классификации систем. 
В главе 2 выделены общесистемные закономерности, сформулированы особенности сложных систем и поставлена проблема их 
исследования в условиях неполных данных. 
В главе 3 обсуждаются методы структурного анализа и проектирования систем, подробно рассмотрена методология IDEF0. 
В главе 4 представлены методы создания моделей сложных систем по неполным данным о внутренней динамике. 
Глава 5 посвящена процессу принятия решений в сложных системах. 
Приведенные в конце каждой главы контрольные вопросы и 
задания могут быть использованы для самопроверки полученных 
знаний. 
В учебном пособии рассмотрены теоретические и практические вопросы исследования сложных систем, способствующие 
развитию навыков системного мышления у студентов, которые в 
дальнейшем планируют профессионально заниматься системной 
аналитической работой. 
 

1. СИСТЕМЫ И ИХ СВОЙСТВА 

1.1. Возникновение и развитие  
системных представлений 

Формирование системных представлений происходило в процессе развития человеческого общества достаточно медленно. 
Здесь можно выделить разные периоды возникновения и развития 
системных идей и сгруппировать их в три важнейших этапа [40]: 
I этап — начался в глубокой древности и завершился к началу 
ХХ в.; 
II этап — продолжался с начала ХХ в. до его середины; 
III этап — начался со второй половины 50-х годов ХХ в.  
Первый этап — самый длительный, заключающийся в возникновении и развитии системных идей, которые накапливались в 
практической и познавательной деятельности людей, шлифовались 
философией, носили разрозненный характер. В это время возникали и оформлялись отдельные идеи и понятия. 
На втором этапе происходили теоретизация системных идей, 
формирование первых системных теорий, широкое распространение системности во все отрасли знания. Системность превратилась 
в научное знание о системах, оформилась как инструмент познавательной деятельности. 
Третий этап характеризуется тем, что происходит превращение 
системности в метод научных исследований, аналитической деятельности. Он связан с началом научно-технической революции, 
которая максимально использовала системный метод для научных 
открытий, осуществления технологических разработок. На этом 
этапе системность становится всеобщим мировоззрением, которое 
используют специалисты всех отраслей. 
Становление философских основ системного подхода представляет собой длительный процесс. Слово «анализ» греческого 
происхождения и состоит из двух слов:  («ана») — вверх и 

 («лио») — разделяю, что означает выявление первоосновы, 
сущности явлений окружающего мира. 
Понятие «система» (сочетание, организация, союз) появилось в 
Древней Греции 2–2,5 тыс. лет назад. В его первооснове лежит целостное мифологическое восприятие людьми всего сущего. Также 
это понятие выражало некоторые акты деятельности (нечто, поставленное вместе, приведенное в порядок), связанные с формами 
социально-исторического бытия. 
Истоки системного анализа восходят к трудам греческих философов Пифагора (570–490 гг. до н.э.), Демокрита (460–370 гг. до 
н.э.), Платона (428–347 гг. до н.э.), Аристотеля (384–322 гг. до н.э.), 
Цицерона (106–43 гг. до н.э.) и других. 
Системность как видение мира в целостности взаимосвязанных 
элементов складывалась в процессе эволюции человеческой практики и мышления. Именно в античной философии был сформулирован тезис «целое больше суммы его частей». 
Известны гениальные догадки античных философов о системности мира. Так, Демокрит выдвинул идею атомного строения, 
взаимосвязи, уподобив образование сложных тел из атомов с образованием слов из слогов. Демокрит впервые четко сформулировал 
принцип каузальности (причинной обусловленности), означающий, что все происходящее представляет собой движение атомов, 
различаемых по форме, размерам, расположению и другим характеристикам. 
Аристотель создал первую философскую систему, в которой 
упорядочил знания античного мира. Важнейшей составляющей 
мировоззрения Аристотеля является учение о космосе, который 
воспринимался им как «порядок», «гармония», «закономерная 
Вселенная». 
Цицерон неоднократно подчеркивал, что мировой организм 
есть неразрывное целое и все элементы мироздания гармонично 
связаны между собой. 
В формировании основных категорий философии системного 
видения мира немаловажную роль сыграла средневековая философия, которая проделала огромную интеллектуальную работу в 
возникновении категорий «целостность», «часть» и «целое» [40]. 
Идеи системности получают особенно интенсивное развитие в 
эпоху Ренессанса, когда начинает возрождаться на новой основе 
мировоззрение целостного восприятия человеком действительно

сти. Единство и целостность природы — основополагающий тезис 
философских доктрин этой эпохи. 
В философских работах нового времени делается попытка 
придания понятию «система» четкости и привязки его к определенной области знания. Под системой тогда понимали чаще всего 
систему знаний. Так, И. Кант (1724–1804) понимал под системой 
единство многообразных знаний, связанных общей идеей. 
Выдающийся немецкий философ — представитель классического идеализма И. Г. Фихте (1762–1814) — развил систему категорий бытия и мышления и в качестве метода познания видел 
субъективную интеллектуальную интуицию. Он разработал проект 
устройства немецкого буржуазного общества в форме «замкнутого 
торгового государства» и признавал системность научного знания, 
но сводил ее к системности формы, а не содержания. 
Обогащению категории «система» в немалой степени способствовал Г. Гегель (1770–1831), у которого системность обрела методологический характер. Он довольно четко понимал систему как 
развивающуюся внутри себя целостность, связывал ее с самодвижением, применял эту категорию к объектам природы, общества и 
к знанию. 
Параллельно с формированием философских основ системного 
подхода развивались идеи, связанные со всеобщей организованностью Вселенной, системным видением мира. 
В развитии нового системного видения Вселенной значительную роль сыграли немецкий ученый И. Кеплер (1571–1630), установивший законы движения планет вокруг Солнца, французский 
ученый П. С. Лаплас (1749–1827), разработавший основы небесной 
механики и обосновавший гипотезу возникновения Солнечной системы из газовой туманности, ранее высказанную Кантом, и многие другие выдающиеся исследователи. 
Принцип каузальности, сформулированный Демокритом, нашел 
воплощение в создании первой естественно-научной (механической) картины мира Г. Галилея (1564–1642), Р. Декарта (1596–1650), 
И. Ньютона (1642–1727). 
Более того, И. Ньютон настаивал на необходимости строго механистического, каузального и математического объяснения природных явлений. Такая концепция мироздания вытекала из открытого им закона всемирного тяготения. С ее помощью долгое время 

объяснялись многие закономерности не только физического, но и 
социального уровней мироздания. Следует отметить, что его концепция не потеряла актуальности до сих пор и во многом определяет методологию современной науки. 
Французский философ Ж.О. Ламетри (1709–1751) в качестве 
свойств материи выделил не только протяженность (как у Декарта), но и способность приобретать двигательную активность,  
а также чувствовать. Он впервые в мире дал иерархическую схему 
уровней самоорганизации материи [16]: 
1) движение материи лишено целесообразности (объекты неживой природы); 
2) наличие организации, регулирующей движения тел, направляющей их к самосохранению; на этом уровне нет ни чувствительности, ни субъективных состояний (растения); 
3) существование нервной системы и связанных с ней ощущений и чувств (животный мир); 
4) благодаря усовершенствованию мозга материя мыслит (человек). 
Ламетри отмечал, что переход от одного уровня к другому, 
многообразие форм живой и неживой природы имеет в своей основе присущее на всех уровнях универсальное свойство самодвижения. Это положение было сформулировано за 100 лет до выхода 
в свет работ Ч. Дарвина. 
Выдающийся английский ученый Ч. Дарвин (1809–1882) на 
основе разнообразных фактов создал концепцию, которая объяснила происхождение видов благодаря естественному отбору,  
согласно которому выживают и оставляют потомство наиболее 
приспособленные к существующим условиям особи. В своей 
книге «Происхождение видов» он осмысливал влияние среды  
на организмы, процессы естественного отбора, адаптации и эволюции. 
Начиная с конца XIX в., системная проблематика постоянно 
находилась в поле зрения науки. Дальнейшее развитие естественно-научных знаний неизменно придерживалось концепции системного строения Вселенной. В качестве иллюстрации этого 
можно привести множество примеров практически из всех отраслей научного знания: от открытия Д.И. Менделеевым периодической системы элементов до теории относительности А. Эйнштейна [16].