Тема 3. Классификация систем

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

" ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ "

^{(наименование дисциплины (модуля)}

Направление подготовки (специальность) _ 220100.62 Системный анализ и управление

Профиль подготовки (для бакалавров)_" Эргономика и информационно измерительные системы"

 

Квалификация (степень) выпускника_________ бакалавр ___________________________

^{(бакалавр, магистр, специалист)}

Составитель: доц., к.т.н.                                                                     Трофимов Е.А.

 

Г. Москва

Г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Тема 1. История возникновения и становления системного подхода. ………..……..3

Тема 2 Основные понятия теории систем. ……………………………………………..5

Тема 3 Классификация систем………………………………………………………….18

Тема 4 Структура и организация системы. ……………………………………………37

Тема 5 Целеобразования системы………………………………………………………43

Тема 6 Жизненный путь системы …………………………………………....................48

Литература……………………………………………………………………..................56

 

 

Тема 1. История возникновения и становления системного подхода.

 Возникновение и развитие системных идей.

       Формирование системных идей происходило очень медленно в процессе становления человеческого общества и культуры. Системные идеи, как и любое явление природы и общества, прошли несколько важнейших этапов.

^ Первый этап начался в глубокой древности и завершился к началу ХХ ст. Это этап возникновения и развития системных идей, которые складывались в практической и познавательной деятельности людей, шлифовались философией, носили разрозненный характер.
       Слово «система» появилось в Древней Элладе и означало сочетание,организм, устройство, организацию, строй, союз. Оно также выражало определенные акты деятельности и их результаты (нечто поставленное вместе; нечто, приведенное в порядок).

       В античной философии термин «система» характеризовал упорядоченность и целостность естественных объектов. Именно в этот период был сформулирован тезис о том, что целое больше суммы его частей.

^ Второй этап развертывается с начала прошлого века до его середины, когда происходит теоретизация системных идей, формирование первых системных теорий, широкое распространение системности во все отрасли знания. Системность превращается в научное знание о системах, оформляется как инструмент познавательной деятельности.

^ Третий этап характеризуется тем, что происходит превращение системности в метод научных исследований, аналитической деятельности. Он развертывается со второй половины 50-х годов и совпадает с началом НТР, которая максимально использовала системный метод для научных открытий, осуществления технологических разработок. Системность к концу ХХ ст. становится всеобщим мировоззрением, которое используют специалисты всех отраслей.

 

^ Системный подход – принцип познавательной и практической деятельности, который основывается на системном отражении действительности. Термин «подход» означает совокупность приемов, способов воздействия на кого-нибудь, в изучении чего-нибудь, ведении дела и т.д. В этом смысле подход – скорее не детальный алгоритм действия человека, а множество некоторых обобщенных правил. Это лишь подступ к делу, но не модель самого дела. Поэтому системный подход можно рассматривать как принцип деятельности. Ведь под принципом понимается наиболее общее правило деятельности, которое обеспечивает его правильность, но не гарантирует однозначность и успех.

^ Теория систем – представляет собой сложную систему знания, которая объясняет происхождение, устройство, функционирование и развитие систем различной природы. Она находится под воздействием двух наук:

       - философии, которая дает ей обоснование категориального аппарата, методы и приемы познания, качественное видение систем, и

       - математики, обеспечивающей количественный анализ систем.

Огромную роль в развитии общей теории систем играют логика, теория множеств, кибернетика и другие науки.
^ Системный подход состоит в том, что любой более или менее сложный объект рассматривается в качестве относительно самостоятельной системы со своими особенностями функционирования и развития.
^ Системный метод выступает как некоторая интегральная совокупность относительно простых методов и приемов познания, а также преобразования действительности.
^ Составляющие системности реализуют специфические функции. Так, системный подход, будучи принципом познания, выполняет ориентационную и мировоззренческую функции, обеспечивает не только видение мира, но и ориентацию в нем.
^ Системный метод реализует познавательную и методологическую, а системная теория – объясняющую и систематизирующую. Таким образом, системность выступает в качестве инструмента познавательной деятельности, значительного арсенала конкретных методов познания всего сущего.

 

 

Тема 2. Основные понятия теории систем

Определение системы

Современная наука нуждается в выработке четкого научного определения системы. Сделать это непросто, потому что понятие «система» относится к числу наиболее общих и универсальных определений. Оно используется по отношению к самым различным предметам, явлениям и процессам.

Неслучайно термин употребляется в множестве различных смысловых вариаций. Относительно понятия «система» с давних пор и до настоящего времени нет единого и устоявшегося определения со стороны специалистов разных научных, теоретических и прикладных направлений исследований. Однако, несмотря на существующие разногласия в трактовке этого понятия, характеризуя понятие «система» все подчеркивают то обстоятельство, что система представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов, имеет определенную структуру и взаимодействует с некоторой средой. Учитывая этот факт, отметим ряд известных формулировок, данных этому понятию.

^ Система – это теория (например, философская система Платона[1], Гегеля, Канта). По всей видимости, этот контекст понимания системы был наиболее ранним – как только возникли первые теоретические комплексы.

^ Система – это классификация (например, периодическая система элементов Д.И. Менделеева, классификация живых существ по Дарвину и др.). Особенно бурно возникали различные классификационные системы в XVIII-XIX ст.

«Классификация — это осмысленный порядок вещей, явлений, разделение их на разновидности согласно каким-либо важным признакам».

^ Система – это завершенный метод практической деятельности (например, система реформатора театра К.С. Станиславского, система питания, здравоохранения…). Такого рода системы складывались по мере возникновения профессий, накопления профессиональных знаний и навыков.

^ Система – некоторый способ мыслительной деятельности (например, система исчисления - двоичная, десятичная, арабская, римская). Этот вид системы имеет древние истоки. Они начинались с систем письма и исчисления и развились до информационных систем современности.

^ Система – это совокупность объектов природы (например, Солнечная система, библиотечная система хранения).

^ Система – это некоторое явление общества (например, экономическая, правовая система).

^ Система – это совокупность установившихся норм жизни, правил поведения (например, законодательная, моральная система, спортивных правил).

Таким образом, анализ многообразия употребления понятия «система» показывает, что оно имеет древние корни и играет очень важную роль в современной культуре, выступает интегралом современного знания, средством постижения всего сущего. Вместе с тем понятие не однозначно и не жестко, что делает его исключительно креативным (в зависимости от творческих способностей, схемы мышления).

Большая Советская Энциклопедия дает следующее определение «системы»:

«Система – это множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единством». Следовательно, в самом общем виде под системой понимают множество, элементы которого закономерно связаны между собой.

И так, очевидно, что система – это и машина, состоящая из деталей и узлов, и живой организм из мышц, костей, органов; это и предприятие – состоящее из производственных зданий, станков, оборудования; ЭВМ – из ячеек, приборов и аппаратов; экономика страны – из отраслей, объединений, предприятий и т.д..

Можно заметить, что   во всех определениях присутствуют элементы и связи или отношения между ними. Однако термины «от­ношение» или «связь» зачастую специалистами истолковываются по разному.

       Элементы, как видно, бывают самыми разными: это и различные предметы, и явления, и знания, и правила, методы и т.д. ^ При этом элементы, входящие в систему, функционируют во времени взаимосвязано как единое целое. Каждый из них работает ради достижения единой цели, стоящей перед всей системой. В этом и заключается так называемое свойство целостности системы.

^ Целостность предполагает, что процесс изучения (познания) системы идет через единство всех ее элементов. Отсюда следует, что система не должна рассматриваться как простая сумма элементов (их свойств и эффектов). Нужно учитывать при этом и эффект от взаимодействия элементов, благодаря которому некоторые их свойства, накапливаясь, усиливаются (или ослабляются) и в этой совокупности может появитьсяабсолютное новое свойство – системное свойство, присущее всей системе.

       В этой связи мы вправе утверждать, что система – это целостный комплекс взаимодействующих элементов вместе с их свойствами и отношениями, или, говоря иначе, система – это такая совокупность элементов, из которой не может быть выделена полностью самостоятельная часть (части), поскольку все элементы в системе взаимосвязаны.

       Способность сложной системы проявлять общесистемные свойства и порождать соответственно системный эффект называют эмерджентностью. Приведенный термин близок к понятию синергизма⁴ (синергетической связи или эффекта), которое является основополагающим в синергетике. Суть его в том, что при совместных (кооперативных) действиях различных элементов системы обеспечивается изменение их общего эффекта до величины большей или меньшей, чем сумма эффектов этих же элементов, возникающих порознь. (целое больше суммы своих частей).

       Подводя итог сказанному, можно несколько расширить трактовку понятия «система», а именно:

Система – это упорядоченная совокупность взаимодействующих элементов, образующих единое целое, обладающих особенностями, которые отсутствуют у составляющих ее элементов.

Иными словами, под системой понимают наличие некоторой совокупности объектов с набором связей между ними и между их свойствами, создающей системный эффект.

В общем случае выделение систем является всегда условным и даже произвольным (субъективным) процессом, зависящим преимущественно от цели (характера задачи) и от того, кто осуществляет упомянутое выделение.

В этой связи может быть предложена еще одно определение термина «система»: система – это ограниченное множество взаимодействующих элементов со связями между ними, наложенными условиями задачи, для решения которой создается данная система.

Свойства системы

       Таблица 1 – Характеристика основных свойств системы

Свойство системы	Характеристика
Ограниченность	Система отделена от окружающей среды границами
Целостность	Ее свойство целого принципиально не сводится к сумме свойств составляющих ее элементов -  эмерджентность
Структурность	Поведение системы обусловлено не только особенностями отдельных элементов, но и свойствами ее структуры
Взаимозависимость со средой	Система формирует и проявляет свойства в процессе взаимодействия со средой
Иерархичность5	Соподчиненность элементов в системе
Множественность описаний	По причине сложности познание системы требует множественности ее описаний

2.3. Категориальный аппарат

Категориальный аппарат системного подхода представляет собой совокупность категорий, которые отражают систему. Он отличается значительным богатством. По нашему мнению, в понятийный ансамбль системного подхода можно включить более 300 категорий.
Таблица 2 – Классификация категорий системного подхода

Основание классификации	Виды категорий
Базовые категории	Целое, множество, совокупность, организация
Категории системы	Система, подсистема, надсистема.
Категории составляющих системы	Элемент, связь, прямая и обратная связь, структура, организация, системообразующий фактор
Категории, характеризующие свойства	Свойство, цель, эмерджентность, гомеостаз, закрытость, открытость, энтропия
Категории состояний системы	Состояние системы, процесс, переходное состояние, стабильное состояние, кризисное состояние
Категории окружения системы	Среда, окружающая среда, внутренняя среда
Категории процессов	Функция, функционирование, управление, интеграция, адаптация, деградация, рост, агрессия, поглощение
Категории отражения системы	Информация, модель системы, проект системы
Категории, характеризующие эффекты системности	Эффект целостности, интегральный эффект, гомеостаз, эмерджентность, синергетический эффект
Категории системного анализа	Анализ, анализ системный, анализ ретроспективный, анализ ситуационный, анализ структурный, анализ функциональный, анализ структурно-функциональный, анализ причинно-следственный, анализ прогностический, аналитическая модель

 

Базисные категории выступают основой для определения системы. Определяя систему, мы всегда подыскиваем точку опоры в виде базового понятия. Рассмотрим некоторые из них:

Целое – форма существования системы в строго определенном качестве, выражающем ее независимость от других систем. Целое – это всегда завершенное, состоящее из органично взаимосвязанных между собой частей;

Множество – набор, совокупность каких-либо объектов. обладающих общим для всех характерным свойством;

Совокупность – сочетание, соединение, общий итог чего-нибудь;

Организация – представляется в качестве свойства материальных и абстрактных объектов обнаруживать взаимозависимое поведение частей в рамках целого.

Категории, которые дают понимание системы:

Система – совокупность элементов, находящихся во взаимоотношениях и связях со средой, образующих определенную целостность, единство;

Подсистема – элемент системы, который при подробном рассмотрении оказывается системой. Любая система состоит из нескольких уровней подсистем;

Надсистема – более общая система, которая включает в себя подсистемы.

 Наиболее важные категории, определяющие строение системы:

Элемент – далее не разложимая единица при данном способе расчленения;

Связь – взаимное ограничение на поведение объектов, создающее зависимость между ними, обмен между элементами веществом, энергией, информацией;

Прямая связь – непосредственное воздействие объектов одного на другой;

Обратная связь – воздействие результатов функционирования системы на характер этого функционирования;

Структура – упорядоченность, связывающая элементы системы и обеспечивающая ее равновесие, способ организации системы, тип связей;

Организация – не только как свойство всего сущего, а и некоторая упорядоченность содержания;

Системообразующий фактор – признак, который объединяет объекты в систему.

Категории, характеризующие свойства системы:

· Свойство – вхождение элемента, в некоторый класс вещей, когда не образуется новый предмет. Так, быть красным означает входить в класс красных вещей, вхождение при этом не образует предмета;

· Цель системы – предпочтительное для нее состояние; обычно выражают в виде целевой функции. Система использует, как правило, несколько целей, образующих иерархию;

· Эмерджнтность – не сводимость системы к свойствам элементов системы;

· Гомеостаз (греч. homeo – подобный + statis – неподвижность) – понятие было впервые введено биологом Кэнноном для обозначения физиологических процессов, поддерживающих существенные состояния организма (давление крови, температура). Нарушение гомеостаза приводит к деструкции, болезням организма. Гомеостаз – динамическое равновесие системы;

· Закрытость – полная изолированность системы от окружающей среды и жесткая детерминированность поведения элементов;

· Открытост ь – отсутствие полной изолированности от окружающей среды и наличие степеней свободы в поведении элементов;

· Энтропия (от греч. entropia – превращение) – количественная мера неопределенности некоторой выделенной совокупности характеристик системы; мера вероятности пребывания системы в данном состоянии.

Категории, характеризующие состояние системы:

· Состояние системы – множество одновременно существующих свойств объекта или системы;

· Процесс – изменение состояния;

· Переходное состояние – состояние системы, находящейся в процессе. На интервале между двумя состояниями;

· Стабильное состояние – сохранение системой своих характеристик;

· Кризисное состояние – состояние, в котором система перестает соответствовать своему назначению.

Категории окружения системы:

Среда – представляет собой то, что ограничено от системы, не принадлежит ей, - это совокупность объектов, изменение которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы;

Окружающая среда – внешняя среда системы, или совокупность объектов, которые располагаются за границами системы, воздействуют на нее, но не принадлежат ей;

Внутренняя среда – совокупность объектов, которые находятся в границах системы, влияют на ее поведение, но не принадлежат ей.

Главные категории процессов:

Функция – предназначение выполнять какие-то преобразования, для выполнения которых система и ее элементы приходят в движение, - это взаимодействие системы с окружающей средой в процессе достижения целей или сохранения равновесия;

Функционирование – действие системы во времени;

Управление – приведение системы в состояние равновесия или достижения цели;

Интеграция – процесс и механизм объединения и связности элементов;

Адаптация – приспособление системы к окружающей среде без потери своей идентичности;

Деградация – ухудшение характеристик системы;

Рост – увеличение количественных характеристик системы;

Агрессия – подавление характеристик системы в целях ее уничтожения, разрушения или насильственной интеграции;

Поглощение – насильственная интеграция.

Категории, характеризующие отражение системы:

Информация – сведения, знания наблюдателя системы, отражение ее меры разнообразия;

Модель системы – объект, который представителен системе, может замещать ее в исследовательском или практическом процессе, а полученные результаты могут переноситься на саму систему;

Проект системы – модель системы как средство конструирования системы.

Система характеризуется многообразными эффектами, наиболее важными среди которых выступают:

Эффект целостности – способность системы сохранять себя при воздействии различных факторов;

Интегральный эффект – появление новых качеств, присущих системе как целому;

Гомеостаз – способность системы сохранять в процессе взаимодействия со средой значения переменных в некоторых заданных пределах;

Эмерджентность – наличие у системы таких свойств, которых нет у ее отдельных элементов;

Синергетический эффект – эффект умножения результата функционирования системы, который превышает сумму результатов функционирования ее отдельных составляющих.

Наиболее важные категории системного анализа:

Анализ – исследовательская деятельность посредством мысленного разложения системы на составляющие;

Анализ системный – совокупность методов, приемов и алгоритмов применения системного подхода в аналитической деятельности;

Анализ ретроспективный – анализ систем прошлого и их влияния на прошлое и историю;

Анализ ситуационный (метод “Case study” или «кейс-метод») – разновидность аналитической деятельности, построенная на описании ситуации и подробном анализе этого описания;

Анализ структурный – анализ структуры системы как совокупности связей между частями системы, выяснения значения отдельного элемента для определенным образом структурированного целого;

Анализ функциональный – объяснение явления с точки зрения выполняемых ими функций;

Анализ структурно-функциональный – выделение элементов взаимодействия и определение их места и роли в функционировании системы;

Анализ причинно-следственный – установление причин, которые привели к возникновению данной ситуации, и следствий их развертывания;

Анализ прогностический – подготовка прогнозов и путей их реализации относительно вероятного, потенциального и желательного будущего;

Аналитическая модель – модель, позволяющая анализировать отражаемый ею объект.

Категории системного подхода находятся в постоянном развитии. Источниками их совершенствования выступают развитие системологии и системные исследования в естественных и общественных науках, которые помогают наполнять возникающие понятия содержанием, оттачивать их формулировки.

2.4.  Системообразующие факторы.

       Одна из важных проблем в определении системы – выяснение сущности сил, объединяющих множество в одну систему. Действительно, как образуются, существуют, функционируют, развиваются системы? Как они сохраняют свою целостность, структуру, форму, ту особенность, которая позволяет отличить одну систему от другой? Почему неупорядоченность, хаос превращаются в организованное образование? Для объяснения этого применяется специальный термин – «системообразующий фактор». Под ним понимается фактор, который формирует систему.

Проблема поиска системообразующих факторов является одной из главных проблем науки, поскольку, найдя фактор, мы находим систему. Достаточно вспомнить, например, о скачке в науке благодаря открытию Д.И. Менделеевым (1834-1907) периодического закона и построения периодической системы элементов. Системообразующим фактором периодической системы элементов выступает зависимость между атомным весом и свойствами элементов. Открытие позволило объединить все элементы в строгую периодическую систему, создало возможности не только описывать свойства имеющихся элементов, но и предсказывать появление новых.

Встречается мнение, что системообразующим фактором является цель, благодаря которой элементы системы объединяются и функционируют ради ее достижения. Это приемлемо для живой природы и социальной жизни. Здесь целевая системная организация нередко ведущая.

В неживой природе, где цель – движение к состоянию равновесия, это менее четко выражено. Развитие, например, кристалла направлено, ибо он принимает определенную форму, но это происходит не потому, что атомы заранее сориентированы для принятия формы кристалла, а в силу того, что существует взаимодействие между атомами, выстраивающее их в нужном порядке.

Системообразующим фактором является также время – прошлое, настоящее, будущее. При этом одни системы предопределяются преимущественно прошлым, другие, другие – настоящим, третьим – будущим, четвертые – всеми видами времени.

^ Системообразующие факторы выполняют вполне определенные функции по отношению к системам:

- выступают источником возникновения систем, ибо возникновение системообразующего фактора означает прекращение существования неупорядоченности, появление обостренной нужды в системе;

- играют важную роль в поддержании равновесия⁶ системы. Система, вышедшая из равновесия, «включает» системообразующий фактор, который обеспечивает достижение ею состояния гомеостаза;

- обеспечивают процесс наследования в системах, память о ее коде.

Обратим внимание и на то, что системообразующие факторы далеко не всегда проявляют себя открыто. Это скрытые факторы, что требует специальных и длительных исследований. Поэтому одна из главных проблем в теории систем – правильное определение системообразующего фактора.

Тема 3. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ

 

Классификацию систем можно осуществлять по различным принципам и признакам, их характеризующим.

Разделение на классы производится в зависимости от поставленной цели исследования системы и решаемых при этом задач. Исходя из этого, систему можно охарактеризовать одним или несколькими признаками.

Так, по виду научного направления, которое используется для исследования систем, последние можно классифицировать на математические, физические, химические и др.

По области существования системы подразделяются на технические, биологические, социальные, экономические и т. д.

При этом следует особо отметить социальные системы, в качестве элементов которых  рассматриваются люди (в статусе социальных единиц) и образованные ими различного рода общности (цивилизации, нацио­нальности, движения, партии, трудовые коллективы, семьи и т. п.). В состав этих систем могут включаться объекты биологической и не­живой природы, наиболее тесно связанные с деятельностью человека.

Социальные системы, в свою очередь, классифицируются по многочисленным и весьма разнообразным признакам. В частности, выделяют финансовые, военные, политические, религиозные, этниче­ские и другие системы, выступающие объектами изучения соответст­вующих дисциплин. Часто такие системы называют гуманитарными, подчеркивая тем самым, что их свойства, поведение и развитие определяются главным образом чело­веческим фактором. В данном случае, наличие последнего существенно ограничивает применение формальных математических методов для построения их моделей.

Экономическая система является частью системы более высокого порядка – социально-экономической системы. Ее можно определить как систему общественного производства, представляющую собой совокупность производительных сил и производственных отношений. Она охватывает процессы производства, обмена, распределения и потребления материальных благ. Входом такой системы являются материально-вещественные потоки природных, производственных и трудовых ресурсов, а выходом – материально-вещественные потоки предметов потребления, оборонной продукции, продукции, предназначенной для накопления, возмещения и товаров для экспорта.

По ряду основных признаков, характеризующих классы систем, требуется более подробные изъяснения. Среди них следующие:

- вид отображаемого объекта;

- предсказуемость поведения;

- характер взаимодействия с внешней средой;

- сложность структуры и поведения;

- степень организованности;

- организация структуры;

- характер развития;

- компонентный состав;

- способ существования.