Етапи і послідовність системного аналізу

При вивченні системного підходу утворюється такий образ мислення, який, з одного боку, сприяє усуненню зайвої ускладненості, а з іншого – допомагає керівнику з'ясовувати суть складних проблем і ухвалювати рішення на основі чіткого уявлення про навколишнє оточення. Важливо структурувати завдання, обкреслити межі системи. Але також важливо врахувати, що системи, з якими керівнику доводиться стикатися в процесі своєї діяльності, є частиною більших систем, можливо, що включають усю галузь або декілька, інколи багато компаній і галузей промисловості або навіть все суспільство в цілому. Далі необхідно зазначити, що ці системи постійно змінюються, створюються, діють, реорганізуються і іноді ліквідовуються.

У більшості випадків практичного застосування системного аналізу для дослідження властивостей і подальшого оптимального управління системою можна виділити такі основні етапи:

• 1. Змістовна постановка завдання.
• 2. Побудова моделі системи.
• 3. Відшукання розв'язання задачі за допомогою моделі.
• 4. Перевірка розв'язання за допомогою моделі.
• 5. Підстроювання розв'язання під зовнішні умови.
• 6. Здійснення розв'язання.

У кожному конкретному випадку етапи системного займають різну "питому вагу" в загальному обсязі робіт за тимчасовими, витратними і інтелектуальними показниками. Дуже часто важко провести чіткі межі – вказати, де закінчується даний етап і починається черговий.

Системний аналіз не може бути повністю формалізований, але можна вибрати деякий алгоритм його проведення.

Системний аналіз може виконуватися в такій послідовності:

• 1. Постановка проблеми – відправний момент дослідження. У дослідженні складної системи йому передує робота за структуризацісю проблеми.
• 2. Розширення проблеми до проблематики, тобто знаходження системи проблем, істотно пов'язаних з досліджуваною проблемою, без урахування яких вона не може бути вирішена.
• 3. Виявлення цілей: цілі вказують напрям, в якому треба рухатися, щоб поетапно вирішити проблему.
• 4. Формування критеріїв. Критерій – це кількісне віддзеркалення ступеня досягнення системою поставлених перед нею цілей. Критерій – це правило вибору переважного варіанта рішення з ряду альтернативних. Критеріїв може бути декілька Багатокритеріальність є способом підвищення адекватності опису мети. Критерії повинні описувати по можливості всі важливі аспекти мети, але при цьому необхідно мінімізувати число необхідних критеріїв.
• 5. Агрегація критеріїв. Виявлені критерії можуть бути об'єднані або в групи, або замінені на узагальнювальні критерії.
• 6. Генерування альтернатив і вибір із використанням критеріїв якнайкращої з них. Формування безлічі альтернатив є творчим етапом системного аналізу.
• 7. Дослідження ресурсних можливостей, включаючи інформаційні ресурси.
• 8. Вибір формалізації (моделей і обмежень) для вирішення проблеми.
• 9. Побудова системи
• 10. Використання результатів проведеного системного дослідження.

Схема алгоритму розв'язання задач системного дослідження конкретної проблеми наведена на рис. 3.1.

На рис. 3.2 наведені можливі етапи системного аналізу для розв'язання практичних екологічних задач. Пунктирні лінії свідчать про те, що іноді необхідно та можливо повернення до якогось попереднього етапу – тобто якщо виникли труднощі на попередніх етапах, вони призведуть до неправильного розв'язку. Обговоримо стисло кожний із цих етапів.

Рисунок 3.1 – Узагальнений алгоритм розв'язання задач системного дослідження конкретної проблеми

Етап 1. Вибір проблеми

Цей етап передбачає вибір правильного методу дослідження для вирішення актуальної екологічної проблеми. Як показує досвід, на практиці часто не враховуються істотні практичні аспекти екології, з одного боку; а з іншого – ряд уявлень про екологічні процеси настільки поширений, що їх можна використовувати без додаткових обґрунтувань. Тому, з одного боку, можна узятися за вирішення проблеми, непіддатливої системному аналізу, а з іншого – вибрати проблему, яку можна економніше вирішити, не використовуючи всю потужність методів системного аналізу. Така подвійність першого етапу робить його критичним для успіху (або невдачі) всього дослідження.

Етап 2. Постановка завдання і обмеження ступеня її складності

Коли існування проблеми буде усвідомлене, потрібно спростити завдання настільки, щоб вона мала по можливості аналітичне вирішення, зберігаючи в той самий час усі ті елементи, які допускають змістовну практичну інтерпретацію. Це теж критичний етап, характерний для будь-якого системного дослідження, на якому успіх або невдача багато в чому залежать від тонкої рівноваги між спрощенням і ускладненням – рівноваги, при якій збережені всі істотні зв'язки з початковою проблемою, і при цьому можна одержати рішення, що піддається якісному аналізу і що має наочну інтерпретацію.

Рисунок 3.2 – Принципова схема системного аналізу для вирішення екологічних задач

Етап 3. Встановлення ієрархії цілей і завдань

Після постановки завдання і обмеження ступеня її складності (як правило, розумного спрощення) можна розпочинати встановлення цілей і завдань дослідження. Як правило, цілі і завдання вибудовують у деякий ланцюжок (утворюють ієрархію) за ступенем їх можливості; при цьому проводять розподіл (декомпозицію) основних завдань на ряд простіших (другорядних). Проте тут необхідно мати на увазі, що завдання, важливі з погляду отримання наукової інформації, у ряді випадків досить слабо впливають на вигляд рішень, що приймаються щодо дії на екосистему і управління нею. Тому встановлення пріоритетності тих або інших завдань в ієрархічному ланцюжку – одна з центральних проблем системного аналізу. Особливо це проявляється при ситуації, коли дослідник свідомо обмежений певними формами управління і концентрує максимум зусиль на завданнях, безпосередньо пов'язаних з самими екологічними процесами.

Етап 4. Вибір шляхів рішення задач

На цьому етапі можна вибрати декілька шляхів рішення проблеми. У загальному випадку природно шукати найбільш загальне аналітичне рішення, оскільки це дозволить максимально використовувати результати дослідження аналогічних завдань і відповідний математичний апарат. При цьому вибір сімейства, в рамках якого проводиться пошук аналітичного рішення, багато в чому залежить від фахівця із системного аналізу. Як правило, аналітик розробляє декілька альтернативних рішень і вибирає з них те, яке краше підходить для досліджуваного завдання.

Етап 5. Моделювання

Після того як проаналізовані відповідні альтернативи розпочинають важливий етап моделювання складних динамічних взаємозв'язків між різними аспектами проблеми. Тут необхідно зазначити, що модельованим процесам, а також механізмам зворотного зв'язку властива внутрішня невизначеність, що значно ускладнює розуміння як самої системи, так і можливостей її керованості.

Етап 6. Оцінка можливих стратегій

Коли моделювання доведене до стадії, на якій модель можна (принаймні заздалегідь) використовувати, починається етап оцінки потенційних стратегій, одержаних із моделі. У ході оцінки досліджується чутливість результатів до припущень, зроблених при побудові моделі. Якщо виявиться, що основні припущення некоректні, можливо, доведеться повернутися до етапу моделювання і скоригувати модель.

Як правило, це пов'язано із дослідженням моделі на "чутливість" до тих аспектів проблеми, які були виключені з формального аналізу на другому етапі, коли ставилося завдання і обмежувався ступінь її складності.

Етап 7. Впровадження результатів

Завершальний етап системного аналізу є застосуванням на практиці результатів, одержаних на попередніх етапах. Якщо дослідження проводилося за описаною вище схемою, то кроки, які для цього необхідно зробити, будуть досить очевидними. В той самий час саме на останньому етапі може виявитися неповнота тих або інших стадій або необхідність їх перегляду, унаслідок чого доведеться скоригувати модель і знову пройти якісь із уже завершених етапів.

У цілому вивчення конкретної проблеми необхідно розпочинати з визначення концепції щодо цієї проблеми та розроблення робочої гіпотези її суті. Після цього розпочинають визначення рамок проблеми, концептуалізації і формалізації задачі, вивчення наявної інформації та формування бази даних.

Концепція – певний спосіб розуміння, трактування якогось предмета, явища, процесу, основна точка зору на предмет та ін., керівна ідея їх систематичного висвітлення.

Гіпотеза – наукове припущення або передбачення, істинне значення якого не визначене. Як метод розвитку наукового знання гіпотеза включає висунення та наступну експериментальну перевірку передбачень.

Формалізація – відображення результатів мислення у точних поняттях або твердженнях.

Можна виділити три етапи системного підходу до вивчення конкретної проблеми із застосуванням елементів моделювання.

І етап. Ідентифікація (визначення) проблеми

• 1. Який клас задач необхідно вирішувати експертові (експертам) або даній аналізуючій системі?
• 2. Як ці задачі можуть бути охарактеризовані або визначені?
• 3. Які існують важливі підзадачі (ієрархічний ряд)?
• 4. Які концепції можуть бути використані при вирішенні дано) проблеми?
• 5. Які є важливі поняття і які Їх взаємозв'язки?
• 6. Який вигляд повинен мати розв'язок?
• 7. Які аспекти досвіду експерта (експертів) є суттєвими при вирішенні цієї проблеми?
• 8. Яка природа і який обсяг знань, необхідних для вирішення цієї проблеми?
• 9. Які можливі ситуації, що можуть стати перешкодою під час реалізації задачі?
• 10. Як ці перешкоди будуть впливати на експерта (експертів) або аналізуючу систему та на виконання задач з вирішення проблеми?
• 11. Які є дані, як вони отримуються, чи достаньо їх?
• 12. Які типи даних є дефіцитними, яка доступність до необхідної інформації?
• 13. Які питання необхідно вирішити, щоб їх отримати?
• 14. Яка вартість отримання даних?

II етап. Концептуалізація

• 1. Які є типи даних?
• 2. Що задано і що повинно бути виведено?
• 3. Чи мають підзадачі назви і які вони?
• 4. Чи мають стратегії назви і які вони?
• 5. Чи є зрозумілі часткові загальновизнані гіпотези і які вони?
• 6. Як зв'язані між собою об'єкти предметної області?
• 7. Чи можна відобразити ієрархічну структуру задачі і показати причинно-наслідкові відношення, родовидові зв'язки, відношення типу "частина–ціле" і т.ін.? Який вид має ця структура?
• 8. Які процеси беруть участь у розв'язанні задачі?
• 9. Які обмеження накладено на ці процеси?
• 10. Як реалізується передача інформації?
• 11. Чи можна визначити та розділити знання, які необхідні для отримання результату, і знання, які використовуватимуться для обґрунтування результату?

IIІ етап. Формалізація

• 1. Чиє невизначеність у даних?
• 2. Чи залежить логічна інтерпретація даних від порядку їх появи у часі?
• 3. Які характеристики проблеми можна отримати на базі вибірки із постійного потоку даних? Які конкретні показники, властивості тощо можуть бути отримані із графіків та рисунків?
• 4. Чи є дані надійними, точними, однозначними (стійкими), чи вони ненадійні, неточні, неоднозначні (розмиті)?
• 5. Чи не викликають отримані дані протиріч, чи повні та достатні вони для розв'язання поставленої задачі?
• 6. Який тип формалізації і який понятійно-термінологічний апарат найбільш адекватно віддзеркалюють цю проблему?
• 7. Який вибрати тип моделювання (моделі) та прогнозу?

Загальна схема процесу системного дослідження, яке організується при вирішенні конкретної задачі із використанням методів інформатики, моделювання, спостереження та експериментування, показана на рисунку 3.4.

Рисунок 3.3 – Схема процесу системного дослідження (за Федоровим та ін.)

При вивченні природних об'єктів або процесів взаємодії природи і суспільства розгляд певних рівнів організації екосистем набуває практичного значення, оскільки інформаційне забезпечення модельних побудов безпосередньо пов'язане з розмірністю, а отже, і з особливостями географічної організації природного об'єкта Однією із проблем вивчення екосистем є визначення необхідної і достатньої кількості показників (та їх інформативності) для адекватного опису поведінки екосистем на кожному ієрархічному рівні. В цілому при ландшафтному підході вважають, що розмірність геосистем визначається "особливостями кругообігу субстанції" (тобто речовини). Для вивчення та контролю загроз щодо біорізноманітності цей принцип можна перефразувати так: розмірність території (таксон ландшафту як екосистеми), необхідної для вирішення конкретної задачі, визначається масштабом явища (антропо-техно генної специфічної загрози, дії визначального негативного чинника). Наприклад, ерозійні процеси в агроландшафту доцільно вивчати у рамках площі поверхневого водозбору (за Чеботарьовим); трансформації гідроекосистем – у межах площі басейну даного гідрологічного об'єкта (за Чеботарьовим); аеротехногенне забруднення природних екосистем – з урахуванням умов, що визначають розподіл домішок у просторі: фізичних та хімічних властивостей аерополютантів, метеорологічного режиму місцевості тощо. Наразі вже напрацьовано методи моделювання розподілу забруднювачів у просторі та їх міграції у природних екосистемах, а також визначено принципи розподілу ефекту наслідків за структурно-функціональними компонентами екосистем.

Основним критерієм вибору необхідної площі дослідження є визначення розмірів екосистеми, яка перебуває під найбільшою загрозою (чи кількох екосистем – залежно від ситуації), та виділення екосистеми-господаря (середовища існування) вибраної нами екосистеми. Саме ця більша територія екосистеми-господаря повинна бути об'єктом для початку дослідження з метою встановлення зовнішніх зв'язків при описі вибраної нами екосистеми (рис. 3.4). Як правило, в результаті рекогносціювальних обстежень території із використанням експрес-методів вдається звузити задачу до найбільш значущих в цих умовах елементів явища та елементів екосистем. Приклади таких розв'язків задач показано нижче у підрозділах, присвячених діагностиці трансформацій екосистем та вивченню конкретних специфічних загроз.

Рисунок 3.4 – Концептуапізація зовнішніх зв'язків при описі екосистеми (за Федоровим та ін.)

При постановці задачі моделювання природних систем необхідно вирішити два завдання: 1) визначити "паспортні" (або незамінні) дані чи характеристику екосистем та 2) визначити інформаційний фон. Якщо не вистачає частини характеристики об'єкта дослідження, то це не дозволить точно описати предмет (явище, процес). При відборі даних для "паспорта" завжди прагнуть мінімізувати число показників, але це потрібно робити не за рахунок зменшення повноти опису предмета дослідження (явища, процесу). Ці дані повинні бути найбільш інформативними для даного ієрархічного рівня. Тут дотримуються такого принципу: якщо характеризується підсистема у межах великої системи, то в наборі "паспортних даних" можуть бути загальні показники. Однак для різних ієрархічних рівнів набір показників характеристики повинен бути різним, оскільки неадитивність більш високих рівнів стосовно нижчих уже закладає появу нових властивостей, які не характерні для нижчих рівнів (принцип емерджентності).

У цілому при вивченні впливу антропогенного навантаження на певну територію (екосистему) необхідно починати з побудови логічних моделей, які віддзеркалюють структуру ландшафтно-геохімічних систем та їх підсистем до рівня елементарних ландшафтних одиниць. У практиці структуру природних екосистем вивчають до рівня, необхідного для вирішення конкретної екологічної задачі. Перш за все виділяють основні блоки, з яких будується модель. Такими блоками можуть бути організми, популяції, трофічні рівні, структурно-функціональні компоненти екосистеми, цілі екосистеми (компоненти ландшафту). Обов'язкові деталі моделі – потоки речовини (у т. ч. агентів збурення екосистеми) та енергії. Структура моделі та її масштаб залежать від типу екосистеми, яка вивчається, та характеру антропогенного впливу.