Особенности организации и динамики систем

Еще одной характеристикой систем служит состояние, которое они занимают в каждый момент времени. Данная характеристика является неотъемлемым атрибутом функционирования любой системы и определяется всей совокупностью ее существенных свойств на данный момент их проявления. Если говорить более строго (необходимость в таком подходе будет проиллюстрирована ниже), то под состоянием следует понимать такой режим функционирования системы, при котором ее интегральные пока­затели находятся в гомеостазисе (или гомеокинезисе* - для внешнего наблюдателя), а обобщенная структура системы - неизменна во времени и пространстве.

При этом весь процесс функционирования или развития любой системы может быть наглядно представлен как ее перемещение по некоторой траектории. В свою очередь, каждая точка такой траектории должна быть интерпретирована в виде вектора соответствующих интегральных переменных (показателей) системы. Сама же траектория обычно принадлежит пространству всех ее возможных состояний, характеризуемому размерностью не меньшей, чем число тех показателей, которые входят в только что обозначенный вектор.

Проиллюстрируем динамику какой-либо системы, т. е. еe изменение во времени, на примере физического цикла в существовании организма отдельного человека. В качестве его интегральных переменных и показателей используем возраст, рост и массу, измеряемые годами, сантиметрами и килограммами соответственно. Каждая пара этих параметров, включающая одну эту переменную и один показатель, будет образовывать соответствующую ось, а все оси - трехмерное пространство, начало которого соответствует нулевым значениям его координат и относится, допустим, к моменту оплодотворения яйцеклетки в чреве матери.

Toгдa жизненный путь каждого человека от его зачатия до смерти может быть представлен как множество прожитых им дней в чреве матери и лет за его пределами. При этом момент рождения будет характеризоваться уже не нулевыми значениями всех трех выбранных выше показателей, а точкой или вектором, имеющим примерно такие координаты его конца: 0 лет, 50 см и 5 кг. А вот в момент смерти они могут иметь, допустим, следующие значения: 84 года, 180 см и 106 кг.

Каждый год, прожитый человеком или какой-либо человеко-машинной системой, будет отличаться хотя бы одним из соответствующих показателей-координат, а значит, и иметь особенное положение в выбранном для примера пространстве. Линия же, соединяющая все соответствующие его точки (концы векторов), и есть «траектория жизни». Подобные перемещения конца любого вектора, иногда называемые также его годографом, для наглядности удобно проектировать на какую-либо плоскость этого пространства.

* Гомеокинезисом и гомеостазисом (гомеокинезом и гомеостатом) называют состояния, характеризуемые неизменностью и 'незначительными колебаниями существенных параметров вокруг среднего значения.

Хотелось бы также обратить внимание на два важных обстоятeльcтвa, учет которых обычно позволяет существенно упростить рассматриваемые здесь системный анализ и моделирование процессов в техносфере: первое связано с ограниченностью числа возможных состояний человекомашинной системы; второе с тем, что любая такая система не может выбирать их по своему усмотрению, т. е. совершенно произвольно.

Это объясняется упомянутым выше свойством рассматриваемых здесь целеустремленных систем, заключающимся в их естественном стремлении к сохранению устойчивости, стабильности и живучести. Действительно, ведь каждому диапазону внешних для них воздействий соответствует всего лишь одно, вполне определенное состояние системы. Поскольку общий диапазон подобных неблагоприятных воздействий -возмущений, в рамках которых она может существовать как таковая, ограничен, то и общее количество ее состояний не беспредельно. Сам же процесс функционирования (последовательной смены состояний) системы обусловлен строго определенными соотношениями между энергией внешнего возмущения и собственной энергоемкостью конкретного ее состояния. Если внешняя энергия не превышает пороговых значений, не накапливается, а уменьшается в результате частичного рассеяния или преобразования в другую энергию (как при фотосинтезе, например), то реакция системы на данное Возмущение проявляется лишь в незначительном колебании своих существенных показателей либо в их эволюционном изменении (постепенном росте того же растения).

Один из наиболее общих механизмов сохранения системой стабильности связан с так называемым принципом Ле Шателье- Брауна, в соответствии с которым любое внешнее воздействие порождает ответную реакцию самоорганизации, направленную на ослабление его эффекта. Отметим также и то, что нахождение рассматриваемых здесь систем в устойчивом или стабильном состоянии проявляется в относительной неизменности их обобщенной структуры и интегральных показателей. Смена или утрата определенных состояний системы, обычно сопровождаемая структурной перестройкой, происходит скачкообразно и нередко связана с причинением ей некоторого ущерба. Это вызвано тем, что компенсационные механизмы системы уже не способны удержать ее в прежнем положении, и она утрачивает свою стабильность - по причине радикальной перестройки своей структуры и скачкообразного изменения соответствующих интегральных показателей.

Выбор же направления смены состояний осуществляется с уче­том ограниченного числа альтернатив и делается это, как правило, ради сохранения системой своей устойчивости и стабильности. Если, конечно, они были предварительно нарушены в результате воздействия на нее внешних, негативных факторов или противоречивых внутренних. Чаще всего необходимость выбора альтернативного состояния возникает при выходе системы на так называемый режим функционирования «с обострением», кото­рый иногда может завершаться возникновением кризисов, ката­строф и катаклизмов.

Наиболее существенными отличительными признаками трех последних понятий являются следующие. Кризис следует рассматривать как явление, свидетельствующее о необходимости адаптации системы к заметно изменившимся внешним или внутренним условиям. Он характеризуется сохранением ее самых важных характеристик и незначительным ущербом элементам. Однако появление кризисов следует расценивать как свидетельство необходимости некоторого обновления системы.

В отличие от кризиса возникновение катастрофы обычно сопровождается значительным и довольно резким изменением интeгpaльныx показателей системы вследствие преобразования и коренной перестройки ее морфологии и структуры. Еще более радикальные изменения, обычно приводящие к разрушению системы, наблюдаются при катаклизмах. Их появление равносильно краху, т. е. прекращению существования большинства систем.

Изложенный механизм смены состояний может быть проиллюстрирован на примере человекомашинной системы. Ее функционирование обычно характеризуется такими возможными ситуациями, как:

гомеостазис или гомеокинезис, представляющие собой динамическое равновесие;.

разного рода возмущенные состояния, вызванные появлением в ней ошибок людей, отказов техники и неблагоприятных для них внешних воздействий;

опасные, критические и катастрофические состояния.

Последние, как правило, связаны с возникновением происшествий, одновременно являющихся результатом нежелательного выброса энергии (вредного вещества) и следствием причинных цепей предпосылок.

Общая же модель функционирования исследуемых здесь систем может быть представлена как движение неупругого шарика по лестнице с очень широкими и чрезвычайно низкими ступеньками, которые будут предопределять его дискретные состояния. Естественно, что траектория перемещения шарика будет зависеть не только от воздействия таких внешних факторов, как сила трения и тяжести, потоки воздуха и другие шарики, находящиеся в непосредственной от него близости, но и от способности своевременного и удачного парирования таких факторов.

Логично предположить, что большую часть времени состояния шарика будут определяться ступенькам лестницы и характеризоваться соответствующими значениями вектора показателей из пространства возможных состояний. И лишь время от времени такой шарик может срываться на соседнюю ступеньку, что будет сопровождаться изменением его параметров, а иногда - и структуры. Эти срывы могут также сопровождаться, допустим, возникновением небольших трещин или малых пластических деформаций поверхности шарика.

Рассмотренный пример наглядно иллюстрирует как ограниченное число и дискретность состояний реальных систем, так и строгую предопределенность изменения их траектории в процесс е своего функционирования. Столь же очевидно и то обстоятельство, что смена всех возможных состояний обычно осуществляется не только под воздействием каких - либо превалирующих в данный момент факторов, но и с учетом объективно действующих законов природы, например, объективно проявляющегося стремления энтропии системы к росту.

Этот всеобщий закон природы указывает не только на направление вероятного течения всех процессов, но и зачастую на конечный пункт соответствующих преобразований, как бы предопределяя положение их аттрактора (области притяжения интегральных характеристик). Вот почему нетрудно догадаться, что упомянутый выше шарик рано или поздно прекратит свое движение, либо достигнув нижней ступеньки своей лестницы (термодинамического равновесия с окружением), либо разрушившись вследствие накопленных в нем трещин и иных повреждений.

В завершение знакомства с закономерностями образования и функционирования рассматриваемых здесь систем сформулируем ряд принципов общей теории систем и системной динамики, логично вытекающих из только что изложенного материала. Опора именно на эти и другие, приведенные ниже принципы понадобится при практическом использовании излагаемых методов системного анализа и моделирования процессов в техносфере.

К основным nринциnам общей теории или организации систем относятся следующие руководящие начала.

1. Любая система выступает как триединство цели, функции и структуры. При этом функция порождает систему, структура же интерпретирует ее функцию, а иногда и цель.

2. Система (целое) - больше, чем сумма образующих ее компонентов (частей), поскольку обладает эмерджентным (неаддитивным) интегральным свойством, отсутствующим у ее элементов либо не выводимым из их свойств без остатка.

Эмерджентность наиболее ярко проявляется, допустим, при получении органами чувств человека какой-либо информации из окружающей его среды. Если глазами ее воспринимается примерно 45 %, а ушами - 15 %, то вместе - не 60 %, а 85 %. Именно в результате появления нового качества люди создают малые группы и большие сообщества: семью - для рождения здоровых детей и их полноценного воспитания; бригаду - для производительной работы; политическую партию - для прихода к власти и ее удержания; государственные институты - для повышения жизнеспособности нации.

3. Система не сводится к сумме своих компонентов и элементов, а любое ее механическое расчленение на отдельные части приводит к утрате существенных свойств системы.

Действительно, расчленение человека или автомобиля на отдельные компоненты неизбежно приведет к смерти первого и невозможности самостоятельного движения - второго. Нечто похожее проявил ось и в том, что СНГ не сохранило совокупного потенциала СССР, а наблюдаемые во вновь образованных государствах попытки бессистемного обеспечения частных «безопасностей» уже фактически привели к подрыву их национальной безопасности.

4. Система предопределяет природу ее частей. Появление в си­стеме инородных частей завершается либо их перерождением или отторжением, либо гибелью самой системы.

Об этом же и такие три пословицы: а) «Каков поп, таков и приход»; б) «С кем поведешься, от того и наберешься», в) «Яблоко от яблони далеко не укатится». Отсюда вывод: не ищи, например, в дурной компании порядочного человека. И там и здесь эти люди будут представлять угрозу, отличаясь от всех ос­тальных, а потому от них рано или поздно либо избавятся, либо каким-то образом все равно «замажут».

5. Все компоненты и элементы системы взаимосвязаны и взаимoзaвиcимы. Воздействие на одну часть системы всегда сопровождается реакцией со стороны других.

Данное свойство систем необходимо не только для повышения их устойчивости и стабильности, но и для наиболее экономного сохранения живучести. Не секрет, что люди, допустим, с ослабленным зрением, как правило, лучше слышат, а лишенные каких-либо талантов - обладают более терпимым характером. Так же как верен и такой, безусловно справедливый, тезис: «сила есть – ума не надо».

6. Система и ее части непознаваемы вне своего окружения, которое целесообразно делить на ближнее и дальнее. Связи внутри системы и между нею и ближним окружением всегда более существеннее всех остальных.

Этот принцип (точнее, его начало) вытекает из так называемой первой теоремы о неполноте К. Геделя. В ней утверждается (применительно к аксиоматикам) о «невозможности вывода из самой этой системы всех истинных теорем о ней». Вторая же часть данного принципа не нуждается в дополнительных комментариях в силу очевидности. С помощью рис. 1.2 проиллюстрируем вопросы, позволяющие уточнить предметную область как уже сформулированных принципов общей теории систем, так и излагаемых ниже принципов системной динамики. На рисунке все эти вопросы разделены на две группы и пронумерованы, что обеспечивает четкую связь между поставленными вопросами и рассматриваемыми принципами и облегчает поиск ответа на каждый вопрос. Другая группа рассматриваемых общих принципов относится уже к динамике исследуемых систем, т. е. к особенностям их изме­нения во времени. Она включает в себя те закономерности, которыми нужно руководствоваться в процессе изучения условий функциoниpoвaния развития и совершенствования как человекомашинных систем, так и любых сложных объектов. К основным из таких руководящих положений, дающих ответ на вопросы правой части рисунка, могут быть отнесены следующие:

1. Поведение системы является следствием взаимодействия наиболее ее существенных элементов и связей между собой и окружающей их средой.

Рис. 1.2. Предметная область принципов организации и динамики систем

2. Определяющее влияние на функционирование системы оказывают те звенья ее морфологии, которые включают в себя обратные связи.

3. Состояние и обобщенная структура системы служат причиной, а не результатом происходящих в ней изменений.

4. Проблемы создаются преимущественно внутри самой системы, а не в ее окружении.

5. Изучить сложную систему - это значит установить наиболее существенные отношения между ее элементами и окружающей их средой.

6. При исследовании сложной системы важнее разобраться с ее обобщенной структурой, чем пытаться количественно оценить и спрогнозировать все существенные характеристики.

7. Цель изучения сложной системы - анализ действенности различных стратегий улучшения, а не априорная количественная оценка ее интегральных выходных характеристик.

Кратко прокомменmируем изложенные принципы. Сделаем это последовательно, но не для каждого из них, а поделив все рассмотренные здесь руководящие положения на три неравные подгруппы. При этом группа А будет включать принципы 1- 3, группа Б - принцип 4 и группа В - принципы 5 - 7.

А. Из них следует, что поведение любой системы зависит не столько от характера каких-либо воздействий на нее, сколько от самой системы. Тем более если она соизмерима по своей сложности с человеком. Ведь не зря же говорят о последнем, что «он имеет ровно то, что заслуживает», да и «к каждому из нас относятся так, как мы позволяем».

Б. Конструктивнее начинать поиск причин наших неурядиц в самих себе, а не в других людях или системе в целом. Актуальность же данного принципа обусловлена психологическими особенностями восприятия ими подобных ситуаций. Например, когда у человека все ладится, он расценивает это как собственную заслугу, если же нет, то начинает пытаться обвинить остальных людей, а иногда и всю систему, например «эту страну».

В. Количественный анализ любых сложных систем чрезвычайно трудоемок: надо выявить не только их состав, структуру, морфологию и функциональную среду, но и определиться с параметрами, показателями и интегральными характеристиками как всей системы, так и ее наиболее существенных компонентов. Более того, нет гарантии высокой достоверности полученных при этом количecтвeнныx прогнозов.

В завершение обратим внимание на два важных обстоятельства. Они касаются выбранного здесь объекта (человекомашинные системы) и предмета исследования (объективные закономерности проявления и предупреждения происшествий при их функциониpoвaнии) точнее, тех особенностей, которые имеют существенное значение для моделирования, системного анализа и синтеза соответствующих процессов.

Во- первых, это трудоемкость моделирования и системного исследования человекомашинной системы. Ведь невозможно определить ее существенные свойства без выявления структуры, а также оценить важность системообразующих компонентов без учета их интегральных свойств и взаимодействующих обратных связей.

Во-вторых, это невозможность точного прогноза интегральных показателей столь сложной системы, не говоря уже о траектории их изменения. Вот почему основное внимание в моделировании процессов в техносфере следует уделять уяснению тех внутренних закономерностей и «узких» мест каждой конкретной человекомашинной системы, воздействие на которые окажется наиболее результативным.

На эти принципиальные особенности впервые указал основатель теории нечетких множеств и теории возможностей Л. Заде. В частности, для названных им «гуманистических» (включающих людей) систем он сформулировал так называемый принцип несовместимости, сущность которого примерно такова. Чем сложнее система, тем менее правдоподобны точные количественные предсказания ее будущего поведения; если же сложность системы превосходит некоторый пороговый уровень, то точность количественного прогноза и практический смысл становятся почти исключающими друг друга характеристиками.

Подтверждением же воплощения принципа несовместимости применительно к сложным системам служит, в частности, отказ метеорологов от выдачи достоверных прогнозов погоды. В настоящее время они рассуждают примерно так: «Вообще-то точный прогноз на завтра дать можно, но для этого потребуется не менее недели непрерывных вычислений на ЭВМ». А вот предсказывать погоду на два месяца вперед они и не пытаются, поскольку это невозможно. Дело в том, что существует так называемый горизонт прогноза: чем глубже анализируется проблема, тем неопределеннее становится ее решение.