Структура системы

Под структурой системы понимается устойчивое множество отношений, которое сохраняется длительное время неизменным, по крайней мере, в течение интервала наблюдения (опять тот же субъективизм, но уже в определении того, что является малым или длительным интервалом времени – пример из сетей связи). Структура системы задает определенный уровень сложности по составу отношений на множестве элементов системы или, что эквивалентно, уровень разнообразий проявлений объекта.

Связи — это элементы, осуществляющие непосредственное взаимодействие между элементами (или подсистемами) системы, а также с элементами и подсистемами окружения.

Связь — одно из фундаментальных понятий в системном подходе. Система как единое целое существует именно благодаря наличию связей между ее элементами, т.е., иными словами, связи выражают законы функционирования системы. Связи различают по характеру взаимосвязи как прямые и обратные, а по виду проявления (описания) как детерминированные и вероятностные.

Сл. 11

• Критерии — признаки, по которым производится оценка соответствия функционирования системы желаемому результату (цели) при заданных ограничениях

• Показатели – числовые характеристики отдельных аспектов функционирования систем

• Эффективность системы — соотношение между заданным (целевым) показателем результата функционирования системы и фактически реализованным

• Функционирование - переработка входных потоков материи, энергии, информации (известных параметров воздействия окружающей среды) в значения выходных потоков материи, энергии, информации (неизвестных параметров) с учетом факторов обратной связи

_ сл.11

Критерии — признаки, по которым производится оценка соответствия функционирования системы желаемому результату (цели) при заданных ограничениях. Нужно обратить внимание, что критерий это не величина, а правило, по которому производится оценка. Критерием является запись вида . Количественные (иногда качественные) характеристики функционирования системы – это показатели.

Показатели – некоторые характеристики отдельных аспектов функционирования систем.

Примеры критерия и показателей.

Эффективность системы — соотношение между заданным (целевым) показателем результата функционирования системы и фактически реализованным. Однако реально эффективность системы характеризуется некоторой абсолютной числовой характеристикой, а не степенью соответствия поставленной цели. Например, в качестве критерия эффективности некоторой экономической системы (предприятия) может выступать чистая прибыль (обычно прибыль или подобные показатели и выступают в качестве критерия, здесь подразумевается максимизация прибыли).

Функционирование любой произвольно выбранной системы состоит в переработке входных (известных) параметров и известных параметров воздействия окружающей среды в значения выходных (неизвестных) параметров с учетом факторов обратной связи.

Здесь обратная связь в явном виде не изображена, мы познакомимся с этим понятием несколько позже, когда будем рассматривать основы теории автоматического управления.

Сл. 12

• Вход — все, что извне влияет на систему (все что меняется) при протекании процесса ее функционирования.

• Выход — результат (конечное состояние) процесса функционирования системы

• Процесс (иногда процессор) — перевод входов системы в выходы

• Ограничение — способ согласования выходов системы и требованиями к ним, как к входу в последующую систему-потребитель, также задают располагаемые для функционирования (создания, развития) ресурсы системы

• Состояние системы - совокупность существенных свойств, которыми система обладает в каждый момент времени

• Состав системы – совокупность элементов (подсистем, компонентов), образующих системы

• Характеристика — то, что отражает некоторое свойство системы

_ сл. 12

Вход — все, что извне влияет на систему (все что меняется) при протекании процесса ее функционирования.

Вообще входы – это воздействия окружающей среды на систему. Различают:

Функциональные воздействия – необходимые для достижения цели системы или обеспечения ее функционирования (например, управляющие воздействия).

Возмущающие воздействия – внешние воздействия, не определяемые необходимостью управления системой или обеспечения ее функционирования

Пример: водитель автомобиля, выбоина на дороге.

Выход — результат (конечное состояние) процесса.

Выходы – воздействия системы на среду:

Целевые воздействия – полезные результаты работы системы, предназначенные для воздействия на среду или для использования во внешней среде, т.е. реализация цели системы.

Вынужденные воздействия – побочные результаты воздействия системы на среду, не связанные с реализацией ее цели

Пример: ТЭЦ: тепло и выбросы в атмосферу продуктов сгорания.

Процесс — перевод входа в выход.

Система осуществляет свою связь со средой следующим образом.

Вход данной системы является в то же время выходом предшествующей, а выход данной системы — входом последующей. Таким образом, вход и выход располагаются на границе системы и выполняют одновременно функции входа и выхода предшествующих и последующих систем.

Управление системой связано с понятиями прямой и обратной связи, ограничениями.

Ограничение — обеспечивает соответствие между выходом системы и требованием к нему, как к входу в последующую систему - потребитель. Если заданное требование не выполняется, ограничение не пропускает его через себя. Ограничение, таким образом, играет роль согласования функционирования данной системы с целями (потребностями) потребителя. Также ограничения задают располагаемые для функционирования (создания, развития) ресурсы системы. Могут иметь место ограничения любой природы: физические, и вообще естественные, временные, финансовые, ресурсные, человеческие, юридические, социальные, политические.

Определение функционирования системы связано с понятием «проблемной ситуации», которая возникает, если имеется различие между необходимым (желаемым) выходом и существующим (реальным) входом.

Проблема — это разница между существующей и желаемой системами. Если этой разницы нет, то нет и проблемы.

Решить проблему — значит скорректировать старую систему или сконструировать новую, желаемую.

Состоянием системы называется совокупность существенных свойств, которыми система обладает в каждый момент времени. Отсюда следует, что состояния системы образуют некоторую траекторию во времени (в общем случае меняющуюся). Здесь термин «траектория» означает некоторую линию в пространстве состояний.

И дополнительно здесь приводятся два термина, которые будут часто встречаться и которые нам просто необходимо однозначно определить (хотя здесь эти термины достаточно хорошо ясны чисто интуитивно).

Основные (общие) свойства систем. Эти свойства присущи любой системе и, следовательно, при исследовании систем они должны обязательно учитываться.

Сл. 13

• Эмерджентность (синергетическое свойство)— свойство систем, обусловливающее появление новых свойств и качеств, не присущих элементам, входящих в состав системы

• Целостность - каждый элемент системы вносит вклад в реализацию целевой функции системы

• Организованность — сложное свойство систем, заключающееся в наличие структуры и функционирования (поведения)

• Функциональность — проявление определенных свойств (функций) при взаимодействии с внешней средой

• Структурность — упорядоченность системы, определенный набор и расположение элементов со связями между ними

Иногда дополнительно выделяют

• Возможность обособления или абстрагирования от окружающей среды, т.е. относительная обособленность от тех факторов среды, которые в достаточной мере не влияют на достижение цели;

• Связи с окружающей средой по обмену ресурсами;

• Подчиненность всей организации системы некоторой цели (как это, впрочем, следует из определения системы);

_ сл. 13

Из определения «системы» следует, что главным свойством системы является целостность, единство, достигаемое посредством определенных взаимосвязей и взаимодействий элементов системы и проявляющиеся в возникновении новых свойств, которыми элементы системы не обладают. Это свойство эмерджентности (от анг. emerge — возникать, появляться).

1. Эмерджентность — степень несводимости свойств системы к свойствам элементов, из которых она состоит.
2. Эмерджентность — свойство систем, обусловливающее появление новых свойств и качеств, не присущих элементам, входящих в состав системы.

Эмерджентность — принцип противоположный редукционизму, который утверждает, что целое можно изучать, расчленив его на части и затем, определяя их свойства, определить свойства целого.

Свойству эмерджентности близко свойству целостности системы. Однако их нельзя отождествлять.

Целостность системы означает, что каждый элемент системы вносит вклад в реализацию целевой функции системы.

!!! Целостность и эмерджентность — интегративные свойства системы.

Наличие интегративных свойств является одной из важнейших черт системы. Целостность проявляется в том, что система обладает собственной закономерностью функциональности, собственной целью.

Организованность — сложное свойство систем, заключающиеся в наличие структуры и функционирования (поведения). Непременной принадлежностью системы является ее компоненты, именно те структурные образования, из которых состоит целое и без чего оно не возможно.

Функциональность — это проявление определенных свойств (функций) при взаимодействии с внешней средой. Здесь же определяется цель (назначение системы) как желаемый конечный результат или как функция системы в целом.

Структурность — это упорядоченность системы, определенный набор и расположение элементов со связями между ними. Между функцией и структурой системы существует взаимосвязь, как между такими философскими категориями как содержание и форма. Изменение содержания (функций) влечет за собой изменение формы (структуры), но и наоборот.

Сл. 14

_ сл.14

Важным свойством системы является наличие поведения — действия, изменений, функционирования и т.д.

Считается, что это поведение системы связано со средой (окружающей), т.е. с другими системами с которыми она входит в контакт или вступает в определенные взаимоотношения.

Процесс целенаправленного изменения во времени состояния системы называется поведением. В отличие от управления, когда изменение состояния системы достигается за счет внешних воздействий, поведение реализуется исключительно самой системой, исходя из собственных целей.

Поведение каждой системы объясняется структурой систем низшего порядка, из которых состоит данная система, и наличием признаков равновесия (гомеостаза). В соответствии с признаком равновесия система имеет определенное состояние (состояния), которое являются для нее предпочтительным. Поэтому поведение систем описывается в терминах восстановления этих состояний, когда они нарушаются в результате изменения окружающей среды.

Еще одним свойством является свойство роста (развития). Развитие можно рассматривать как составляющую часть поведения (при этом важнейшим).

Одним из первичных, а, следовательно, основополагающих атрибутов системного подхода является недопустимость рассмотрения объекта вне его развития, под которым понимается необратимое, направленное, закономерное изменение материи и сознания. В результате возникает новое качество или состояние объекта. Отождествление (может быть и не совсем строгое) терминов «развитие» и «движение» позволяет выразиться в таком смысле, что вне развития немыслимо существование материи, в данном случае — системы. Наивно представлять себе развитие, происходящее стихийно. При внимательном рассмотрении можно выявить достаточно устойчивые закономерности. Эти закономерности по природе своей действуют объективно, т.е. не зависят от того, желаем ли мы их проявления или нет.

Поведение системы определяется характером реакции на внешние воздействия.

Фундаментальным свойством систем является устойчивость, т.е. способность системы противостоять внешним возмущающим воздействиям. От нее зависит продолжительность жизни системы.

Простые системы имеют пассивные формы устойчивости: прочность, сбалансированность, регулируемость, гомеостаз. А для сложных определяющими являются активные формы: надежность, живучесть и адаптируемость.

Если перечисленные формы устойчивости простых систем (кроме прочности) касается их поведения, то определяющая форма устойчивости сложных систем носят в основном структурный характер.

Надежность — свойство сохранения структуры систем, несмотря на гибель отдельных ее элементов с помощью их замены или дублирования,

Живучесть — активное подавление вредных качеств, возможно за счет использования каких-либо внутренних или внешних ресурсов или специально предназначенных для этого компонентов системы.

Таким образом, надежность является более пассивной формой, чем живучесть.

Адаптируемость — свойство изменять поведение или структуру с целью сохранения, улучшения или приобретение новых качеств в условиях изменения внешней среды. Обязательным условием возможности адаптации является наличие обратных связей.

Всякая реальная система существует в среде. Связь между ними бывает настолько тесной, что определять границу между ними становится сложно. Поэтому выделение системы из среды связано с той или иной степенью идеализации.

Можно выделить два аспекта взаимодействия:

• во многих случаях принимает характер обмена между системой и средой (веществом, энергией, информацией);
• среда обычно является источником неопределенности для систем.

Воздействие среды может быть пассивным либо активным (антогонистическим, целенаправленно противодействующее системе).

Поэтому в общем случае среду следует рассматривать не только безразличную, но и антогонистическую по отношению к исследуемой системе.

После того, как выявлены наиболее общие черты систем, необходимо рассмотреть те различия, которые существуют между системами и которые влияют на способ их описания, исследование и формирования. Для этого мы рассмотрим классификацию систем.

Сл. 15

Классификацией называется разбиение на классы по наиболее существенным признакам. Под классом понимается совокупность объектов, обладающие некоторыми признаками общности. Признак (или совокупность признаков) является основанием (критерием) классификации.

Система может быть охарактеризована одним или несколькими признаками и соответственно ей может быть найдено место в различных классификациях, каждая из которых может быть полезной при выборе методологии исследования. Обычно цель классификации ограничить выбор подходов к отображению систем, выработать язык описания, подходящий для соответствующего класса.

_ сл. 15

При проведении классификации нужно помнить несколько важных положений.

Классификация – модель реальности

Она отражает (по крайней мере, должна стремиться отражать) объективные различия систем

Но при этом классификация всегда является целевой, т.е. производится с точки зрения цели исследования, следовательно, является условной (относительной)

Отсюда следует очень важное замечание, что классификация может быть не полной Классификация может иметь несколько уровней (быть иерархической), при этом опять, количество уровней в классификации определяется, в первую очередь, целью исследования.

Сейчас мы рассмотрим два примера классификации систем: по происхождению и, если так можно сказать, по содержанию.

(эти классификации носят больше методический, чем практический характер, поскольку в прикладных исследованиях, особенно в экономике, все системы являются, хотя бы частично, продуктом деятельности человека)

Сл. 16

_ сл. 16

Классификация систем по происхождению (в рамках примера дан вариант двухуровневой классификации)

Естественные системы - возникли в природе без участия человека. Они различаются по своей природе, вернее по тем основным законам природы, которые определяют их возникновение и развитие. Сюда относятся неорганические системы (на основе преимущественно законов физики и химии), биологические системы (организмы), экологические системы (совокупности организмов и неживой природы), и некоторые другие. Сюда же относятся общество в целом, даже такое явление как семья также является продуктом естественной социальной эволюции и, следовательно, является естественной системой.

Искусственные системы – созданы человеком. К ним относятся материальные системы (в первую очередь, различные технические устройства, здания и т.п.), абстрактные (научные знания) и материально-абстрактные (например, экспертные системы, системы знаний).

К смешанным системам относят человеко-машинные системы, коллективы (как искусственно объединенные естественные объекты). Здесь выделяют системы, функционирование которых определяется социальными факторами (социально-экономические и социотехнологические: формации, региональные экономические образования, общественные организации) и различные организационно-технические системы (в том числе военные, производственные и т.п.)

Вторая классификация.

Сл. 17

_сл. 17

Данная классификация является трехуровневой.

В первую очередь, по содержанию различают реальные (материальные), объективно существующие, и абстрактные (концептуальные, идеальные), являющиеся продуктом мышления. Здесь нужно понимать, что в применяемой терминологии понятие «идеального» несколько отличается от бытового значения, и подразумевает систему, сформированную мыслящим субъектом.

Реальные системы делятся на естественные (природные системы) и искусственные (антропогенные).

Естественные системы: системы неживой (физические, химические) и живой (биологические) природы.

Искусственные системы: создаются человечеством для своих нужд или образуются в результате целенаправленных усилий.

Искусственные делятся на технические (технико-экономические) и социальные (общественные).

Техническая система спроектирована и изготовлена человеком в определенных целях.

К социальным системам относятся различные системы человеческого общества.

Выделение систем, состоящих из одних только технических устройств почти всегда условно, поскольку они не способны вырабатывать управление своим состоянием. Эти системы выступают как части более крупных систем, включающих людей — организационно-технических систем.

Организационно-техническая система, для эффективного функционирование которой существенным фактором является способ организации взаимодействия людей с технической подсистемой, называется человеко-машинной системой.

Примеры человеко-машинных систем: автомобиль — водитель; самолет — летчик; ЭВМ — пользователь и т.д.

Если еще вернуться к техническим системам, то можно указать, что под техническими системами понимают единую конструктивную совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих объектов, предназначенная для целенаправленных действий с задачей достижения в процессе функционирования заданного результата.

Отличительными признаками технических систем по сравнению с произвольной совокупностью объектов или по сравнению с отдельными элементами является конструктивность (продуманность с точки зрения практической осуществимости отношений между компонентов), функциональность и взаимосвязанность составных компонентов и целенаправленность деятельности как системы, так и ее компонентов.

Для того чтобы система была устойчивой к воздействию внешних влияний, она должна иметь устойчивую структуру. Выбор структуры практически определяет технический облик как всей системы, так ее подсистем, и элементов. Вопрос о целесообразности применения той или иной структуры должен решаться исходя из конкретного назначения системы. От структуры зависит также способность системы к перераспределению функций в случае полного или частичного выхода из строя отдельных компонентов системы, а, следовательно, надежность и живучесть системы при заданных характеристиках ее компонентов. Теоретическими основами и практическими приложениями исследования влияния структуры на ее надежность и живучесть занимается такая системная дисциплина, как теория надежности. В рамках курса исследования операция мы познакомимся с элементами теории надежности, сейчас просто хочу привести пример (дублирование или повышение надежности отдельного элемента).

Абстрактные системы являются результатом отражения действительности (реальных систем) в мозге человека.

Их построение — необходимая ступень обеспечения эффективного взаимодействия человека с окружающим миром. Абстрактные (идеальные) системы объективны по источнику происхождения, поскольку их первоисточником является объективно существующая действительность. В то же время, поскольку абстрактные системы (например, системы знаний), только отражают объективную реальность, а не являются ее эквивалентом, то они априорно являются неточными.

Абстрактные системы разделяют на системы непосредственного отображения (отражающие определенные аспекты реальных систем) и системы генерализирующего (обобщающего) отображения. К первым относятся математические и эвристические модели, а ко вторым — концептуальные системы (теории методологического построения) и языки.

Приведенные выше две классификации во многом схожи, часто используют одни и те же термины, однако, в целом подходят к системам с разной стороны и поэтому все-таки различны. Это еще раз указывает на субъективность исследований, в частности, в рамках построения классификаций.