Классификация систем по сложности структуры и поведения

 

Классификация систем по данному признаку в связи с определенным субъективизмом самого понятия «сложность» до сих пор не имеет четкого и однозначного подхода, а определения отдельных классов систем поэтому признаку исследователями интерпретируются по разному. К настоящему времени сложилось несколько системных понятий, определяющих сложность систем. Среди них: большая система,  сложная система и простая система. Причем первые два термина зачастую использовались и используются как синонимы.

В некоторых работах по теории систем авторы связывают понятие «большая» с величиной системы, количеством элементов (часто относительно однородных), а понятие «сложная» - со сложностью отношений, алгоритмов. 

Для биологических, экономических, социальных систем иногда понятие сложной системы связывают понятиями  открытости и активности элементов,в результате чего такая система обладает нестабильным и непредсказуемым поведением, а также харак­теристиками развивающихся, самоорганизующихся систем.

Для более четкой классификации систем по рассматриваемому признаку с учетом возникающей неопределенности используемых терминов и понятий при анализе объектов в статике и динамике их поведения необходимо систематизировать отдельные принятые подходы к решению данной проблемы. В связи с этим целесообразно выделить три известных подхода к определе­нию сложности системы, которые получили наибольшее распространение.

В основе первого подхода лежит интуитив­ное понимание сложности как достаточно большего количества раз­нородных компонентов в составе изучаемого объекта, а также разно­образия отношений, связей и взаимодействий между ними. В этом случае целесообразно говорить о простых и больших системах.

Во многих трудах по теории систем большой системой (системой большого масштаба, Large Scale Systems) называют систему, если она состоит из большого числа взаимо­связанных и взаимодействующих между собой элементов и спосо­бна выполнять сложную функцию.

При этом следует отметить, что между этими системами достаточно трудно установить границы, их разделяющие. Деление это условное и возникло из-за появления систем, имеющих в своем составе совокупность подсистем с наличием функциональной избыточности.

Так, с точки зрения надежности функционирования простая система может нахо­диться только в двух состояниях: состоянии работоспособности (исправном) и состоянии отказа (неисправном). При отказе эле­мента простая система либо полностью прекращает выполнение своей функции, либо продолжает ее выполнение в полном объ­еме, если отказавший элемент резервирован.

Большая система при отказе отдельных элементов и даже целых подсистем не всегда теряет работоспособность, зачастую только снижаются характеристики ее эффективности. Это свойство больших систем обусловлено их функциональной избыточностью и, в свою оче­редь, затрудняет формулировку понятия «отказ» системы.

С позиций рассмотрения системы по числу взаимо­связанных и взаимодействующих между собой элементов, компонентов и подсистем,  т. е. с позиций анализа ее размерной величины или масштабности можно говорить о разной степени классификации систем. В частности, используя методику Г. Н. Поварова, можно выделить четыре класса систем:

- малые системы, которые содержат порядка 10...10³ элементов,

- большие системы - 10⁴...10⁶ элементов;

- ультрабольшие системы - 10⁷...10³⁰ элементов,

- супербольшие системы - 10³⁰...10²⁰⁰ элементов.

Один и тот же материальный объект в зависимости от цели на­блюдателя и средств, имеющихся в его распоряжении, может быть охарактеризована как большая система, а в случае упрощения задачи, особенно на первых этапах исследований, - как простая система. При этом физические размеры объекта можно не учитывать при отнесении объекта к классу больших систем.

Так, систему городского пассажирского транспорта можно рассматривать как простую систему, но при расчленении ее на отдельные подсистемы по видам транспорта (троллейбусы, автобусы, трамвай, метрополитен, такси) такую систему уже можно характеризовать как большую систему с учетом множества отдельных элементов (автомобилей и шоферов, вагонов и машинистов, автопарков, депо, средств технического обслуживания и управления и т.п.).

В качестве примеров больших систем можно также указать: компьютерная система (с отдельными блоками, их узлами и элементами), глобальная компьютерная сеть Интернет, энергетичес­кая система страны или отдельного региона и т. п.

Часто под большой системойпонимают совокупность материаль­ных ресурсов, средств сбора, передачи и обработки информации, людей-операторов, занятых на обслуживании этих средств, и лю­дей-руководителей, облеченных надлежащими правами и ответ­ственностью для принятия решений. Все указанные элементы объединяются в систему с помощью определенных связей и отношений, которые по заданным правилам определяют процесс взаимодействия между элементами для достижения общей цели или группы целей.

Второй подход опирается на понятие математической сложности. К сложным системам относятся объекты, для которых по ряду причин не удается построить математическую модель, адекватно описывающую сово­купность их свойств и проявлений. Такими причинами, в частности, могут быть неясность функций, выполняемых системой, неопреде­ленность целей и критериев управления, количественная невырази­мость ряда характеристик.

Так, по мнению английского исследователя С. Бира все кибер­нетические системы следует классифицировать на простые и сложные в зависимости от способа описания: детерминированного или теоретико-вероят­ностного. Система является сложной, если ее можно описать не менее чем на двух различных мате­матических языках (например, с помощью теории дифференци­альных уравнений и алгебры Буля).

Таким образом, сложными системами называют системы, кото­рые нельзя корректно описать математически, либо потому, что в системе имеется очень большое число элементов, неизвестным образом связанных друг с другом, либо неизвестна природа явлений, протекающих в системе.

Все это также свидетельствует об отсутствии единого определения сложности системы.

В соответствии с третьим подходом слож­ность системы связывается с характером ее реакции на внешние воз­действия. При этом характерной чертой сложного объекта (или системы) является его изменчивость непредвиденным образом так, что пока будет исследовано состояние объекта, будет сформулирована цель управления и будет приложено управляющее воздействие, то пройдет некоторое время, за которое объект перейдет в новое состояние и управление не приведет к достижению поставленной цели.

В связи с такой постановкой проблемы сложности Л.А. Растригин привел характеристику сложного объекта управления с помощью следующих неформальных признаков:

- обязательной чертой сложного объекта управления является отсутствие математического описания и необходимость в нем;

- стохастичность поведения объекта, обусловленная наличием случайных помех и обилием всякого рода второстепенных процессов, что приводит к непредсказуемости поведения объекта;

- «нетерпимость» к управлению, т. е. независимость функционирования от субъекта и его потребностей;

- нестационарность, проявляющаяся в дрейфе характеристик объекта, в «уплывании» его параметров, т. е. в эволюции объекта во времени, причем чем быстрее меняется объект, тем он сложнее;

- невоспроизводимость экспериментов, заключающаяся в различной реакции объекта на одну и ту же ситуацию при управлении в различные моменты времени.

К выше перечисленному следует добавить обязательное наличие человека в контуре управления, на ко­торого возлагается часть наиболее ответственных функций упра­вления. Причем исполнение последних в силу необходимости неформального подхода к решению задач управления невозможно передать автоматам.

Сложные системы реагируют на внешние воздействия, сообразуясь с внутренней целью, которую наблюдатель не могут точно определить ни при каких обстоятельствах. При этом возникают ситуации, при которых сложные системы могут в одном случае на два одинаковых воздействия сформировать разные реак­ции, а в другом — на два разных воздействия отреагировать совершенно одинаково.

Следует отметить, что при внешнем воздействии на простые системы их реакция может быть также неоднозначной, но в отличие от сложных систем она в среднем вполне предсказуемой.

При разработке сложных систем возникают проблемы, от­носящиеся не только к свойствам их составляющих элементов и подсистем, но также к закономерностям функционирования системы в целом. При этом появляется широкий круг специфи­ческих задач, таких, как определение общей структуры системы; организация взаимодействия между элементами и подсистемами; учет влияния внешней среды; выбор оптимальных режимов функ­ционирования системы; оптимальное управление системой и др.