Понятие и краткая характеристика систем

Прежде всего уточним, что систем как таковых в природе не существует, а имеются лишь конкретные предметы, объекты, процессы и явления. Иначе говоря, система - это искусственно введенное понятие, служащее средством представления достаточно сложных объектов и используемое в целях их более качественнoгo исследования и совершенствования. Отметим также, что до сих пор отсутствует общепринятое определение как самой системы, так и некоторых ее наиболее существенных характеристик - структуры, например.

Несмотря на эти, казалось бы странности, системный подход находит все более широкое применение во всех отраслях человеческой деятельности. Следует подчеркнуть, что основоположником общей теории систем был наш соотечественник А.А. Богданов (известный из-за критики его «тектологии» В.И. Лениным), хотя официально признанными основателями ныне считаются Л. Берталанфи и У. Эшби. Кстати, многие из привнесших существенный вклад в развитие данного научного подхода были биологами и врачами, т. е. занимались решением сходных проблем, но на несколько ином, чем человеко-машинная система, уровне.

Следует согласиться, что выбор системы «человек-машина-среда» в качестве объекта исследования подтверждает необходимocть использования системного подхода к анализу и синтезу. Однако, прежде чем приступить к изложению сущности и иллюстрации работоспособности соответствующих методов исследования, обеспечения и совершенствования, целесообразно уточнить самые общие понятия и принципы системологии.

Естественно, что начинать нужно с определения самых существенных признаков термина «система» и с классификации ее видов. Под исследуемой здесь системой в последующем нужно понимать такую совокупность элементов, объединенных общими ресурсами, связями, функциональной средой и целью существования, которая обладает свойствами, отсутствующими у отдельных элементов. Элементами же будем считать всякие, условно неделимые и самостоятельно функционирующие части системы.

Что касается классификации систем (многоуровневого деления по каким-либо принципам), то следует отметить отсутствие в настоящее время не только общепринятого их разбиения по группам, но и обязательно необходимых для этого признаков классификации. Хотя в качестве последних чаще всего используются природа (генезис) классифицируемых объектов, их состав, сложность или организованность, степень взаимодействия с окружающей средой, изменчивость во времени и характер реакции на воздействия. Одна из возможных классификаций систем приведена на рис. 1.1.

По первому признаку классификации - природе (происхождение и доступность) - все системы разделены в верхней части рисунка на две группы: физические (естественные, материальные) 1.1 и абстрактные (искусственные, идеальные) - 1.2. Подобное разбиение сделано справа и для второго признака - их состава: гомогенные системы, характеризуемые однородностью и слабой связанностью составляющих их, внешне похожих частей (корпускул) - 2.1, и гетерогенные, образованные как бы «спаиванием» своих различных элементов - 2.2.

По степени взаимодействия с окружающей средой (обмену потоками энергии, вещества и информации) все системы могут быть разделены на открытые - 3.1, закрытые - 3.2 и изолированные - 3.3. В отличие от двух последних открытые системы обмениваются со своим окружением всеми этими формами материи; закрытые -лишь информацией, а изолированные - ни одной из них.

Примерами гомогенных систем могут служить технические (2.1.1) и организационные (2.1.2) системы, а гетерогенных – человеко-машинные (эрготехнические) системы и этногеоэтосистемы (от греч. ethпos - народ, gE - земля и ethos - уклад жизни). Открытые системы могут быть поделены на равновесные (3.1.2) и диссипативные (3.1.1). Последние так названы потому, что они непрерывно рассеивают часть своей свободной энергии, в том числе и в виде тепла, выделяемого в окружающую среду.

Что касается четвертого признака - сложности систем, то все они разделены на три группы: простые - 4.1, сложные - 4.2 и большие - 4.3. Отличительными свойствами двух последних считаются:

а) уникальность - аналоги заметно отличаются;

б) многоступенчатый состав - имеются иерархические подсистемы и компоненты;

в) случайный характер функционирования и реагирования на воздействие различных факторов;

г) многокритериальность оценки состояния – необходимость в векторных показателях качества;

д) слабая структурированность и разнородность образующих их частей.

Это означает, что основным отличительным свойством большой системы служит размерность, не позволяющая провести ее исследование без предварительной декомпозиции (расчленения на компоненты) с последующим агрегированием (укрупнением) их элементов. Что касается существенных признаков сложной (в смысле исследования) и, конечно же, большой системы, то к ним относятся многомодельность, т. е. потребность в ансамбле соответствующих моделей и методов, да междисциплинарный характер их анализа и синтеза.

Наконец, завершающим, пятым признаком служит изменчивость системы, т. е. характер ее отклика по отношению к воздействиям различных факторов. В соответствии с ним системы обычно делятся на статические (5.1) и динамические (5.2), а также на пассивные (детерминированные) и активные (стохастические). Подробные разъяснения отличий между двумя последними классами систем излагаются ниже (см. разд. 1.2).

В некоторых системах, помимо элементов; иногда целесообразно выделять их компоненты (подсистемы), под которыми нужно подразумевать совокупности относительно однородных элементов, объединенных общими функцией и ресурсом. Введение компонентов понадобится для упрощения описания процесса функционирования человеко-машинной системы в целом, поскольку образующие ее люди (персонал), используемая техника и окружающая их среда могут считаться подсистемами более низкого уровня.

Дело в том, что представление каких-либо объектов в качестве компонентов системы более высокого уровня позволяет в последующем ограничиваться учетом лишь их самого существенного вклада в «поглощающую» систему. При этом совокупный вклад, сделанный каждым таким объектом, обычно характеризует соответствующий компонент системы в целом, т. е. проявляется как бы интегрально. Вот почему подобные совокупные свойства рассматриваемых объектов часто удобно называть интегральными, или системообразующими, свойствами-факторами, а их количественные оценки - интегральными характеристиками, т. е. соответствующими количественными показателями.

Из вышеизложенного следует, что отличительные признаки системы определяются прежде всего системообразующими свойствами и интегральными характеристиками их компонентов. В свою очередь, такие их свойства позволяют рассматривать каждый объект не только как целостное образование, но и одновременно как компонент системы более высокого уровня. Интегральные же характеристики удобны для сокращения числа параметров, используемых при последующем формализованном описании и оценке соответствующих свойств как отдельных компонентов, так и системы в целом.

Более того, оказывается, что для образования любой системы важную роль играет характер взаимодействия между подсистемами, а не специфика последних и тем более не количество образующих их элементов. Вот почему, пожалуй, самой важной характеристикой системы считается ее структура - множество тех связей и элементов, которые играют наиболее важное значение при обеспечении энерго-, массо- и информационного обмена не только внутри самой системы, но и между нею и окружающей ее средой*.

* в общем виде под структурой подразумевается способ организации целого из частей, некий вид упорядочения его отдельных элементов и связей. К сожалению, определение данного термина не всегда «овеществляют>, включением в него элементов, т. е. часто ограничиваются лишь одними связями, что не совсем правомерно.

Поскольку в данном пособии в качестве объекта системного анализа и моделирования рассматриваются процессы, происходящие с человекомашинной системой и внутри нее, то в дальнейшем целесообразно пользоваться как структурой ее отдельных компонентов, так и обобщенной структурой этого сложного объекта. При этом под обобщенной структурой подразумевается некоторая генерализованная совокупность связей, с помощью которой реализуется энерго-, массо- и информационный обмен между отдельными компонентами системы, а также между нею и ее ближним окружением (рабочей средой).

Отмеченные только что особенности системного представления всех довольно сложных объектов и процессов позволяют экономно описывать их с помощью введения еще одной важной характеристики, называемой морфологией. Под морфологией рассматриваемых здесь человекомашинных систем в последующем будем понимать зафиксированную в пространстве, т.е. физически реализованную, а потому и реально наблюдаемую совокупность взаимодействующих между собой звеньев их обобщенной структуры.

Наконец, довольно существенной характеристикой любой сиcтeмы служит ее состав - множество образующих систему элементов и компонентов. Другой, тоже важной характеристикой уже упомянутая в качестве признака системы – функциональная среда. Данное понятие определяется совокупностью тех законов, алгоритмов и параметров состояния системы, в соответствии с которыми она образуется, существует, развивается, а затем (рано или поздно) и гибнет.

Изложенные выше понятия могут быть проиллюстрированы на примерах из живой и неживой природы. В отличие от простейших гомогенных систем - того же муравейника или роя пчел - подавляющую часть отдельных биологических особей правомерно отнести к гетерогенным системам. Подобное можно сказать и о современном суперкомпьютере, компонентами которого служит большое число практически одинаковых и параллельно работающих электронно- вычислительных машин. Основными же подсистемами и элементами последних могут считаться, допустим, процессор и отдельная микросхема.

Другую, гетерогенную и чрезвычайно сложную систему представляет, конечно же, сама техносфера, а также составляющие ее человекомашинные системы, выбранные здесь в качестве объекта системного анализа и моделирования происходящих в них процессов. Довольно сложны по своей структуре и все основные составляющие этих систем, которые в последующем также будут рассматриваться не только как их компоненты, но и как самостоятельные подсистемы. А вот персонал конкретной эрготехнической системы, образуемый примерно одинаковыми (по своим интегральным характеристикам) людьми, в первом приближении уже может рассматриваться как гомогенная система.

Интегральным же свойством одного или нескольких специалиcтов может служить, например, их способность заниматься мыслительной либо физической деятельностью, а соответствующими системообразующими факторами - интеллект, работоспособность, квалификация, а также технологическая оснащенность, комфортность условий труда и отдыха людей после рабочего дня.

Наконец, функциональную среду отдельного работника или всего персонала какого-либо предприятия составляют законы физиологии, психологии, социологии, энерго-, массо- и информационного обмена, действующие в условиях имеющихся у этих систем «межклеточной жидкости» и производственной террито­рии соответственно. А вот состав и структура этих систем будут представлены уже отдельными а) клетками, органами и специа­листами; б) коммуникациями между ними, используемыми в про­цессе функционирования пищевой, кровеносной, дыхательной, нервной и выделительных систем каждого человека либо - взаимoдeйcтвия обобщенной структуры человекомашинной системы с ее окружением.

Предложенное выше системное представление исследуемых здесь систем и процессов позволяет наметить в последующем мо­делировании целесообразные пределы их обобщения и редукции. Это означает, что какой-либо компонент рассматриваемой здесь эрготехнической системы может быть выделен как целостное об­разование и что учтены только его самые важные (интегральные) свойства и обобщенная структура. При этом в ряде случаев доста­точно ограничиться одним либо двумя разбиениями на подсисте­мы, что избавляет от подробной и трудоемкой детализации с ее ненужными частностями.

Отметим исключительную важность, которую играют в жизни систем их предназначение, которое наиболее ярко проявляется, например, для любых биологических систем - в их стремлении к самосохранению, невозможному без самовоспроизводства и самосовершенствования. Вот почему эти универсальные характеристики всех самоорганизующихся систем используются в качестве ключевых признаков при определении устойчивости, стабильности и живучести отдельных народов и национальной безопасности в целом [4].