Теория систем и системный анализ

ТЕОРИЯ СИСТЕМ  
И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ 

Учебник

Москва 
Берлин 
2019 

УДК 303.732(075) 
ББК 13я73 
 Т33 

Рецензенты: 
Петровский Алексей Борисович, доктор технических наук, профессор. 
Главный научный сотрудник, руководитель отдела теории принятия решений Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» РАН; профессор Волгоградского государственного технического 
университета, профессор Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 
Заболеева-Зотова Алла Викторовна, доктор технических наук, профессор. 
Начальник управления Российского фонда фундаментальных исследований; профессор Московского физико-технического института (национального исследовательского университета). 

       Теория систем и системный анализ : учебник / под ред. 

Т33    С. И. Маторина. — Москва; Берлин: Директмедиа Паб
лишинг, 2019. — 508 с. 

ISBN 978-5-4499-0675-5 

В учебнике рассмотрены системные исследования как самостоятельное научное направление. Выделены основные виды системного подхода. 
Предложен оригинальный системно-объектный подход, позволяющий построить оригинальную теорию систем. Изложены основные положения, 
функциональные возможности и приложения новой теории систем. Дано 
формальное описание системы в терминах «Узел-Функция-Объект». Представлены известные и новые системно-объектные средства графоаналитического моделирования и анализа сложных систем. Показаны примеры 
практического применения нового инструментария.  
Для студентов и аспирантов университетов, обучающихся по направлениям «Системный анализ и управление», «Прикладная информатика», 
«Бизнес-информатика», «Информационные системы и технологии». Книга 
будет также полезна консультантам по принятию решений, бизнес-аналитикам, ИТ-специалистам. 

УДК 303.732(075) 
ББК 13я73 

ISBN 978-5-4499-0675-5 
© Авторский коллектив, текст, 2019 
© Издательство «Директмедиа Паблишинг», оформление, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................ 7 

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 8 

I. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД ....................................................................... 10 

1. Системные исследования (системный подход, теория систем,
системный анализ).............................................................................. 10 

1.1. Структура системных исследований как самостоятельного 
научного направления .................................................................... 12 

1.2. Основные принципы системного подхода и их эволюция ...... 17 

1.3. Проблемы традиционного системного  
(системно-структурного) подхода и системно-структурного 
анализа ........................................................................................... 21 

2. Основные варианты системного подхода ...................................... 33 

2.1. Системно-структурный подход ................................................ 33 

2.1.1. Структурно-функциональный подход ............................... 33 

2.1.2. Процессный подход .......................................................... 35 

2.2. Объектно-ориентированный подход ....................................... 39 

2.2.1. Основные понятия и особенности объектноориентированного подхода ........................................................ 39 

2.2.2. Соотношение объектно-ориентированного 
и системно-структурного подходов ............................................ 46 

2.3. Системно-объектный подход ................................................... 48 

2.3.1. Основные понятия и особенности 
системно-объектного подхода ................................................... 48 

2.3.2. Детерминантный анализ как составная часть 
системно-объектного подхода ................................................... 55 

2.3.3. Соотношение системно-объектного и объектноориентированного подходов ...................................................... 63 

2.3.4. Синтез системного и объектно-ориентированного 
подходов ..................................................................................... 68 

2.3.5. Связь понятий системно-объектного подхода 
с понятиями теории организации, логистики  
и инжиниринга бизнеса .............................................................. 75 

3

II. ТЕОРИЯ СИСТЕМ ............................................................................... 79 

1. Начала теории систем, основанной на системно-объектном
подходе ............................................................................................... 79 

1.1. Структура и функции научной теории ..................................... 79 

1.2. Структурные элементы и основные положения теории, 
основанной на системно объектном подходе ................................ 81 

1.3. Обоснование представления системы в виде элемента 
«узел-функция-объект» .................................................................. 85 

1.4. Алфавит элементов «узел-функция-объект» .......................... 97 

1.5. Учет концептуальных систем средствами 
системно-объектного подхода...................................................... 100 

2. Функциональные возможности теории систем, основанной
на системно-объектном подходе ...................................................... 107 

2.1. Учет и обоснование взаимосвязей общесистемных 
закономерностей .......................................................................... 108 

2.1.1. Учет общесистемных закономерностей системамиявлениями ................................................................................ 108 

2.1.2. Учет общесистемных закономерностей системамиклассами ................................................................................... 122 

2.2. Системно-объектная картина мира ....................................... 127 

2.3. Системно-объектное понимание эволюции общества ......... 131 

2.4. Системно-объектный подход к личной жизни ....................... 147 

3. Формализация теории систем, основанной
на системно-объектном подходе ...................................................... 154 

3.1. Формальное описание системы как элемента 
«узел-функция-объект» ................................................................ 154 

3.2. Исчисление систем как функциональных объектов .......... 160 

3.2.1. Общие понятия и определения ...................................... 160 

3.2.2. Элементарные структурные операции 
исчисления систем ................................................................... 166 

3.2.3. Основы моделирования функционирования системы 
во времени................................................................................ 174 

3.3. Применение исчисления систем как функциональных 
объектов для описания их состояния, создания библиотек 
системных элементов и оптимизации системно-объектных 
моделей ........................................................................................ 180 

3.3.1. Состояния потоковых объектов, мера системности ...... 180 

4

3.3.2. Состояния узловых объектов ......................................... 189 

3.3.3. Библиотеки узловых объектов ....................................... 195 

3.3.4. Оптимизация системно-объектной модели ................... 201 

4. Приложения теории систем, основанной
на системно-объектном подходе ...................................................... 204 

4.1. Создание онтологии на основе системно-объектной 
УФО-модели ................................................................................. 204 

4.2. Моделирование административных процедур ..................... 213 

4.2.1. Системно-объектный подход к моделированию 
административных процедур ................................................... 213 

4.2.2. Формализованное описание системно-объектных 
моделей административных процедур .................................... 218 

4.2.3. Методика преобразования системно-объектных  
моделей административных процедур в описания на языке 
исполнения бизнес-процессов ................................................. 231 

4.3. Системно-объектный метод представления знаний ......... 237 

4.3.1. Графические средства описания структурных 
характеристик организационных знаний.................................. 239 

4.3.2. Графические средства описания функциональных 
характеристик организационных знаний.................................. 241 

4.3.3. Графические средства описания объектных 
характеристик организационных знаний.................................. 247 

4.3.4. Формализация системно-объектного метода 
представления знаний ............................................................. 250 

4.3.5. Метода вывода на системно-объектных 
графоаналитических моделях организационных знаний, 
представляемых средствами СОМПЗ ..................................... 274 

4.4. Моделирование финансовых систем .................................... 279 

III. ТЕХНОЛОГИИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ....................................... 301 

1. Структурно-функциональное (процессное) моделирование ....... 301 

1.1. Нотация DFD .......................................................................... 301 

1.2. Стандарт IDEF0 ..................................................................... 322 

1.3. Стандарт IDEF3 ..................................................................... 335 

2. Объектно-ориентированное моделирование ............................... 341 

2.1. Язык UML ............................................................................... 341 

2.1.1. Сущности: структурные; поведенческие; 
группирующие; аннотационные ............................................... 342 

5

2.1.2. Отношения ...................................................................... 346 

2.1.3. Диаграммы ...................................................................... 347 

2.2. Требования к объектному моделированию 
организационных систем .............................................................. 352 

2.2.1. Внешняя модель бизнес-системы .................................. 355 

2.2.2. Внутренняя модель бизнес-системы.............................. 359 

2.2.3. Пример UML-модели бизнес-системы ........................... 362 

3. Нотация BPMN .............................................................................. 365 

3.1. Диаграммы бизнес-процессов (BPD) ..................................... 366 

3.2. Элементы потока ................................................................... 367 

3.3. Соединяющие элементы ....................................................... 370 

3.4. Зоны ответственности и артефакты ...................................... 371 

3.5. Правила соединения элементов потока................................ 373 

3.6. Примеры моделей в нотации BPMN ..................................... 374 

3.7. Недостатки моделирования в нотации BPMN....................... 377 

4. Системно-объектное моделирование .......................................... 382 

4.1. Структурное системно-объектное моделирование ........... 382 

4.1.1. Нотация и методика структурного 
системно-объектного моделирования ..................................... 382 

4.1.2. Программный инструментарий структурного 
системно-объектного моделирования ..................................... 392 

4.1.3. Представление диаграмм в нотациях DFD, IDEF0 
и BPMN с помощью системно-объектных моделей ................. 411 

4.2. Имитационное системно-объектное моделирование ........... 422 

4.2.1. Нотация и методика имитационного 
системно-объектного моделирования ..................................... 422 

4.2.2. Программный инструментарий имитационного 
системно-объектного моделирования ..................................... 451 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................... 476 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................ 477 

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................... 489 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Целями преподавания дисциплины «Теория систем и системный анализ» являются, по мнению авторов, формирование у обучающихся системного мышления и способности 
проводить системный анализ сложных слабо формализованных предметных областей. Однако достижение этих целей 
заметно осложняется устаревшими представлениями о системных исследованиях, соответствующими раннему этапу 
их развития, которые изложены во многих учебниках и пособиях по данной дисциплине. Предлагаемая работа призвана 
восполнить указанный пробел в высшем образовании по 
многим направлениям подготовки. 
В учебнике рассмотрен оригинальный, сформировавшийся в нашей стране уже в XXI веке системно-объектный 
подход, который позволяет построить новую теорию систем, 
учитывающую принципиальное отличие понятия «система» 
от понятия «множество». Изложены основные положения, 
функциональные возможности и приложения новой теории 
систем. Дано формальное описание системы в терминах 
«Узел-Функция-Объект». Описаны хорошо известные и новые системно-объектные средства графоаналитического моделирования и анализа сложных систем, что позволяет сформировать у читателей достаточно полное представление о 
всей учебной дисциплине. 
Новый системно-объектный подход зародился под влиянием личного общения некоторых авторов с выдающимися 
отечественными 
учёными — 
Г. П. Мельниковым 
и 
Ю. А. Шрейдером. Содержащиеся в книге материалы являются результатами многолетней исследовательской и преподавательской деятельности членов авторского коллектива в области системных исследований. Авторы выражают 
свою благодарность Российскому фонду фундаментальных 
исследований, поддержавшему значительную часть научных 
работ грантами по проектам 18-07-00310, 18-07-00355, 1907-00111, 19-07-00290. Авторы признательны также профессору А. Б. Петровскому и профессору Е. Г. Жилякову за поддержку работ в научной и образовательной сферах, без которой бы этот учебник не появился.

ВВЕДЕНИЕ 

Во второй половине XX века в обиход учёных, инженеров, 
аналитиков прочно вошли такие понятия как «системный 
подход», «теория систем», «системный анализ», ядром которых является понятие «система». Интенсивно проводимые в 
первое время системные исследования сменились этапом 
осмысления полученных результатов. Основными причинами стали отличия в объяснении разными исследователями свойства системности вплоть до утверждения об отсутствии у понятия «система» онтологического статуса. 
Отсутствие общепринятого понимания и четкого определения системы привело к торможению системных исследований, которые в настоящее время свелись, в основном, к переписыванию полученных в прошлом результатов. Создание 
же конструктивной, а не описательной теории систем отложено на неопределённое время. 
Основная идея книги — показать общую картину системных исследований, провести анализ накопившихся проблем, 
затрудняющих получение новых результатов; представить 
новый системно-объектный подход, позволяющий получить 
нетривиальные результаты и заложить основы конструктивной теории систем; описать известные и новые системнообъектные средства моделирования и анализа сложных систем; дать примеры практического использования теоретических результатов. Книга состоит из трех частей. 
В первой части «Системный подход» описана суть системных исследований как самостоятельного научного 
направления. Выделены основные виды системного подхода. Предложен оригинальный системно-объектный подход, позволяющий построить новую теорию систем.  
Во второй части «Теория систем» рассмотрены начала 
новой теории систем, основанной на системно-объектном 
подходе. Показаны функциональные возможности теории, 
позволяющие учитывать общесистемные принципы и закономерности, объяснять сложные явления природы и общества. 
Изложены подходы к формализации систем. Приведены примеры использования теории для представления знаний, моделирования административных процедур, финансовых систем. 

8

В третьей части «Технологии системного анализ» представлены известные и новые средства графоаналитического 
моделирования и анализа систем. Описаны хорошо известные средства структурно-функционального моделирования: 
нотация DFD, стандарты IDEF0 и IDEF3. Описаны относительно новые средства объектно-ориентированного моделирования: язык моделирования UML, нотация моделирования 
бизнес-процессов BPMN. Подробно рассмотрены оригинальные графоаналитические средства структурного и имитационного системно-объектного моделирования: программный 
инструментарий для моделирования в терминах «УзелФункция-Объект», соответствующие Интернет-ресурсы. 
Особенностью книги является системное изложение материала, что позволяет сформировать у читателя целостное 
представление о системных исследованиях с учётом особенностей всех частей этого научного направления. Читатель 
имеет возможность полноценно освоить графоаналитические средства системного анализа, широко используемые, 
например, при организационном проектировании и реинжиниринге бизнес-процессов, проектировании информационных систем. Текст книги, кроме разделов, связанных с формализацией, написан достаточно простым языком, доступным 
для читателей с различными профессиональными интересами и уровнями подготовки. 
Представленный в учебнике материал прошел апробацию при чтении курсов лекций по дисциплинам «Теория систем и системный анализ», «Системный подход и системное 
моделирование», «Современные проблемы системного анализа и управления» в бакалавриате, магистратуре и аспирантуре по направлениям подготовки «Системный анализ, 
управление и обработка информации», «Прикладная информатика», «Бизнес-информатика», «Информационные системы и технологии». Системно-объектный подход, теоретический и программный инструментарий были использованы 
авторами при выполнении бизнес-проектов, диссертационных исследований, научных работ, поддержанных грантами 
Российского фонда фундаментальных исследований. 

I. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

1. Системные исследования (системный подход,
теория систем, системный анализ) 

Системные исследования представляют собой совокупность 

теоретических построений, концепций и методов, в которых объект исследования рассматривается как система. 

Очевидно, что в этом определении и, таким образом, во 
всех системных исследованиях ключевым понятием является понятие «система». Оно, естественно, будет подробно 
рассмотрено в дальнейшем. В данном разделе рассмотрим 
особенности системных исследований в целом, их составные 
части и структуру.  
Как относительно молодое научное направление «системные исследования» окончательно еще не сформировалось. В связи с этим разные представители научного сообщества (и связанные, и не связанные с этими исследованиями) 
воспринимают и оценивают их по-разному. От полного 
неприятия системности как явления действительности до 
включения в круг системных исследований научных теорий 
ничего общего с ними не имеющих. С точки зрения авторов 
это связано с тем, что в современном обществе до конца еще 
не сформировано системное мышление. Данное обстоятельство обуславливает необходимость целенаправленного обучения системному подходу и системному мышлению. 
Опустим историю возникновения системных исследований, так как этот вопрос многократно освещен в различных 
публикация, включая Интернет (например, см. Википедию). 
Отметим только, что общие представления о системности в 
человеческом обществе и сознании возникли очень давно в 
рамках размышлений о сущности вещей и явлений. Например, еще Будда учил своих учеников пониманию сущности 
вещей, предлагая им разбирать и собирать колесницу 
и выяснить, таким образом, что делает колесницу колесницей, т. е. в чем ее сущность. По сути дела, он говорил о системном 
эффекте, 
возникающем 
у 
целого 
объекта 
при 

10

взаимодействии его частей (теперь это называется «эмерджентность»), и прививал своим ученикам системное мышление. Таким образом, история возникновения и развития 
системных исследований показывает, что системный подход 
есть результат отражения в сознании людей существующей 
системности реальной действительности. 
Из множества существующих описаний системных исследований наиболее содержательным является, по мнению авторов, выделение в них трех следующих аспектов:  
− разработка теоретических основ системного подхода;
− построение адекватного системному подходу теоретического аппарата (теории систем); 
− приложение системных идей и методов (системный
анализ). 
Принцип системного исследования объекта состоит, вопервых, в выявлении его эмерджентных свойств (целостных, 
не сводимых к свойствам частей) и, во-вторых, в рассмотрении его с позиции системы большего масштаба. 
Цель системного исследования — выявление целостных 
свойств объекта, причины их возникновения и механизмов 
обеспечения. 
Содержание системного исследования заключается в решении двух основных проблем: 
− проблемы системного выделения объекта, изучения
взаимосвязей его элементов, эмерджентных свойств, механизмов его функционирования и развития; 
− проблемы системного моделирования объекта по некоторым заданным свойствам; решение этой проблемы необходимо для создания новых или преобразования существующих систем. 
Системное исследование реализуется посредством системного подхода, теоретических системных построений и 
системного анализа. 

11

1.1. Структура системных исследований как самостоятельного научного направления 

Для понимания структуры собственно системных исследований рассмотрим основные компоненты любого самостоятельного научного направления и их взаимодействие, обеспечивающее его функциональную целостность. 
Схема взаимодействия компонент самостоятельного 
научного направления представлена на рисунке 1.1. Описание схемы заимствовано из работ Г. П. Мельникова. На схеме, 
кроме блоков (компонент научного направления или научной дисциплины), представлено еще два типа связей между 
этими компонентами. Связи типа «что» или «по данным», по 
которым осуществляется информационное взаимодействие 
компонент (обмен знаниями), изображены одинарными 
стрелками. Связи типа «как» или «по управлению», по которым осуществляется методологическое или методическое 
управление компонентами, изображены двойными стрелками. 
 

 

Рис. 1.1. Схема взаимодействия компонент самостоятельного 
научного направления 
 

12

Цель 
исследовательской 
деятельности — 
познание 
наблюдаемых и потенциальных свойств объекта исследований, являющегося первым необходимым компонентом  
научного направления. Результат исследовательской деятельности — знания его (объекта) текущего состояния, 
предыстории становления и умения на достаточно серьезных основаниях прогнозировать его будущее и делать выводы о его поведении, в том числе и в необычных для него 
условиях. 
При рассмотрении научной дисциплины как системы в ее 
структуре функционально выделяется два вида знаний, обеспечивающих взаимодействия ее компонент. Во-первых, это 
феноменологические знания, основанные на учете того, что 
дано непосредственно в наблюдении за объектом исследования как явлением, феноменом. Во-вторых, это логические знания, вырабатываемые на основе феноменологических, с учетом знания законов, отражающих причинно-следственные 
связи явлений. При равной степени полноты и достоверности 
знаний об изучаемом объекте предпочтительнее тот путь исследования, который позволяет обойтись меньшей долей феноменологически получаемых знаний и, соответственно, 
большую долю знаний об объекте получать логически. 
Отработанные приемы наблюдения и эксперимента для 
получения новых феноменологических, эмпирических знаний об объекте представляют собой методики исследований, также являющиеся необходимым компонентом самостоятельного научного направления. 
Получение на основании феноменологических знаний новых логически устанавливаемых (выводных) может быть 
обеспечено только с помощью опорных, априорных знаний 
более универсального характера. Накопление, хранение и передачу таких знаний об объекте обеспечивает еще один необходимый компонент — концепция или теория, обслуживающая данное научное направление. 
Выведение на основе новых феноменологических знаний и 
ранее установленных концептуальных знаний новых логически устанавливаемых знаний о данном объекте обеспечивается 
следующим компонентом научной дисциплины — методом 

13

исследования. Метод представляет собой способ теоретического освоения наблюдаемого и выявленного в эксперименте, ориентированный на определенную феноменологию 
и концепцию. 
Любое самостоятельное научное направление, представляя собой определенную целостность конкретно-научных 
знаний, не существует, тем не менее, сама по себе. Она функционирует в среде общенаучных знаний, которые периодически привлекаются данной дисциплиной, что обеспечивает 
формирование навыков и приемов философского осмысления и анализа специальных концепций, теорий, методов и 
методик данной науки. Эти специфические навыки, возникающие из потребностей философского осмысления проблем 
конкретной науки и конкретно-научного осмысления философских категорий и законов, формируют особый компонент 
данной науки — методологию. Методология обеспечивает 
эффективность всей научной деятельности за счет согласования и усовершенствования всех ее компонентов, особенно 
в «нештатных» ситуациях. 
О существовании самостоятельной научной дисциплины 
(научного направления) можно говорить в тех случаях, когда 
достаточно четко сформировались границы ее объекта, сложились методики получения новых феноменологических 
знаний, существует концепция или теория данной дисциплины. Для существования самостоятельной научной дисциплины, кроме того, должен существовать метод (или набор 
методов) данной научной дисциплины и должна сформироваться определенная методология. Лишь в этом случае возможна эффективная исследовательская деятельность, имеющая в своем составе все необходимые компоненты: объект, 
методики, метод, теорию или, хотя бы, концепцию и методологию. 
Рассмотрим теперь структуру собственно системных исследований как самостоятельного научного направления, 
впервые предложенную в работе [Бондаренко, 1998] и уточненную в работе [Маторин, 2016, 1].  
Схема на рисунке 1.2 иллюстрирует функции каждого из 
компонент 
современных 
системных 
исследований 
по 

14