10.2.2. Определение системы

Вернемся к соотнесению понятий «простое» - «сложное». Если нечто определяем как «сложное», то подразумеваем, что оно имеет какое-то строение, т.е. из чего-то состоит. В дальнейшем эту составную часть сложного будем называть компонентом. Очевидно, компоненты могут быть двух типов:

• те, которые в данной задаче можно считать простыми, т.е. объекты;

• сложные, т.е. те, которые в свою очередь состоят из чего-то еще.

Теперь можно попытаться определить понятие система.

Система - совокупность взаимодействующих компонентов, каждый из которых в отдельности не обладает свойствами системы в целом, но является ее неотъемлемой частью.

Комментарии к определению:

1. Системой может называться не любая совокупность (объединение) неких сущностей, а только сущностей взаимодействующих, т.е. связанных друг с другом. Например, груду кирпичей или набор радиодеталей считать системами нельзя; если же эти кирпичи разместить в определенном порядке и связать раствором, а радиодетали нужным образом соединить между собой, то получатся системы - дом и телевизор. Следствием взаимодействия оказывается то, что компоненты системы определенным образом организованы, т.е. система имеет структуру, отражающую ее организацию (устройство). Взаимодействия (связи) могут быть различной природы: механические, физические, информационные и др. К способам описания структуры необходимо отнести языковый (с использованием естественного или формализованного языка) и графический.

2. Любая система обладает двумя качествами: системности и единства.

• системность означает, что при объединении компонентов возникает некоторое новое качество - системное свойство - которым изначально не обладали отдельные компоненты; в рассмотренном выше примере с телевизором совершенно очевидно, что никакая его деталь (компонент) по отдельности не обладают свойством демонстрации изображения и звука, перенесенных радиоволнами;

• единство или, по-другому, целостность системы означает, что удаление из нее какого-либо компонента приводит фактически к ее уничтожению, поскольку меняется (или исчезает) системное свойство (в этом легко убедиться, если из телевизионной схемы убрать какую-либо деталь).

3. Уточним терминологию: предельно простые компоненты системы далее будем называть объектами; сложные, которые также состоят из связанных простых (и, следовательно, подпадают под определение системы), будем называть подсистемами. Например, двигатель является подсистемой автомобиля, а болт - объектом.

4. Понятия «система» и «модель» неразрывно связаны друг с другом. Выделение, изучение и описание каких-либо систем неизбежно сопровождается моделированием, т.е. упрощениями, причем, моделирование осуществляется на двух уровнях. На внешнем уровне производится выделение самой системы: поскольку любое реальное объединение (прототип системы) включает множество составляющих и связей между ними, на этапе постановки задачи приходится какие-то из них включать в систему и рассматривать далее, а какие-то отбрасывать как второстепенные. На внутреннем уровне моделирование состоит в том, что часть составляющих системы принимаются и рассматриваются в качестве объектов, что, как указывалось выше, также является упрощением. Кроме того, пренебрегается некоторыми внутренними взаимосвязями. Таким образом, в задачах, связанных с изучением и описанием сложных объединений, система - это модельное представление. Однако это утверждение не будет справедливым для задач, в которых системы создаются искусственно (т.е. человеком) - технические конструкции и механизмы, здания, художественные произведения, компьютерные программы и пр. - порождаемые фантазией автора, они не имеют прототипов и, следовательно, не могут быть моделями, хотя подпадают под определение системы. С другой стороны, модель сложного прототипа также представляет собой объединение связанных составных частей, т.е. модель является системой. Однако модель объекта, очевидно, системой быть не может. Следовательно, несмотря на связь понятий «система» и «модель», их нельзя отождествлять; соотношение понятий определяется характером решаемой задачи.

5. Приведенное определение является инвариантным по отношению к области знаний или технологий, в которой система исследуется или создается. Другими словами, степень общности определения высока.

На практике необходимость выделения систем связаны с постановкой и решением следующих задач:

• изучение прототипа системы, т.е. выяснение строения природного или искусственного прототипа системы, особенностей связей между компонентами, влияния внешних и внутренних факторов на характер протекающих процессов;

• описание системы, т.е. представление системы языковыми или графическими средствами;

• построение системы - создание новой системы из компонентов;

• использование системы - решение с помощью системы каких-то проблем практики.

При решении перечисленных системных задач используются два метода - анализ и синтез.

Анализ - метод исследования, основанный на выделении отдельных компонентов системы и рассмотрении их свойств и связей.

Анализ - это декомпозиция (расчленение) сложного объединения на составные части и рассмотрение их и связей между ними по отдельности. В информатике имеется раздел (это и самостоятельная наука) - системный анализ, в котором изучаются способы выделения, описания и исследования систем. В то же время, анализ является универсальным методом познания, применяемым во всех без исключения научных и прикладных дисциплинах. Его альтернативой и дополнением является синтез.

Синтез - (1) метод исследования (изучения) системы в целом (т.е. компонентов в их взаимосвязи), сведение в единое целое данных, полученных в результате анализа.

(2) создание системы путем соединения отдельных компонентов на основании законов, определяющих их взаимосвязь.

Синтез - это объединение составляющих для получения нового качества (системного свойства). Такое объединение возможно только после изучения свойств компонентов и закономерностей их взаимодействий, а также изучения влияния различных факторов на системные свойства. Синтез - целенаправленная деятельность человека, следовательно, его результатом будет искусственная система (в отличие от природных естественных). Создание системы может производиться с конечной целью изучения и описания ее прототипа - подобную систему, как было сказано выше, следует считать моделью. Примером может служить упоминавшаяся ранее имитационная модель процессов в атмосфере Земли, на основании которой прогнозируется погода. Другой целью создания (построения) системы может быть ее практическое использование для удовлетворения каких-либо потребностей человека, например, сооружения, транспортные средства, электронные устройства. Эти системы нельзя считать моделями, поскольку отсутствуют их прототипы. Однако они сами являются прототипами для чертежей и схем, по которым создаются. К этой же категории искусственных систем необходимо отнести художественные произведения, компьютерные программы и другие построения, выполненные посредством некоторого языка (естественного или формализованного) и имеющие смысловую завершенность.

Использование системы - это конечная цель ее изучения или создания. Часто использование связано с управлением системой; общие законы управления системами изучает раздел информатики под названием кибернетика.

Прежде чем выделить различные классы систем, произведем ряд терминологических уточнений. Полный набор свойств системы - поле свойств системы - составляют поля свойств ее отдельных компонентов, а также системные свойства. В дальнейшем из индивидуальных свойств компонентов будем включать в поле свойств системы лишь те, которые оказываются существенными для системы, т.е. определяют характер связей (отношений) с другими компонентами или внешними по отношению к системе телами. Таким образом, на данном этапе обсуждения можем каждой системе поставить в соответствие три множества: множество компонентов {А}, множество отношений между ними {R}, а также множество (поле) свойств системы {P}.

Рассмотрим некоторые признаки, которые могут быть положены в основу классификации систем.

Системы статические и динамические

Система называется статической, если множества {А}, {R} и {Р} не меняются с течением времени.

Неизменность {А} и {Р} означает постоянство состава системы и поля ее свойств. Неизменность {R} означает постоянство структуры системы.

Если любое из перечисленных множеств изменяется, то система будет динамической; изменение всегда сопровождается процессом (или несколькими процессами).

Статическую систему иногда рассматривают как мгновенное состояние системы динамической.

Примером статической системы может служить организационная структура учреждения; динамической - само предприятие в его развитии.

Частным случаем статических систем являются системы равновесные; их особенность в том, неизменность системы достигается за счет нескольких процессов, идущих в противоположных направлениях и уравновешивающих друг друга. Примерами могут служить система «вода - насыщенный пар», равновесие в которой достигается процессами испарения и конденсации; экологическая система с равновесием хищных и нехищных животных; система «человек» или «животное» с уравновешивающими друг друга процессами ассимиляции и диссимиляции; предприятие или целое государство, в которых сбалансированы доходы и расходы. Таким образом, статичность системы не тождественно отсутствию в ней процессов.

Системы замкнутые и незамкнутые

Совершенно очевидно, что помимо объектов и других компонентов, входящих в систему, имеются иные сущности, которые в систему не включены и являются внешними по отношению к ней. Компоненты системы могут взаимодействовать с внешним окружением или этого взаимодействия может не быть (в этом случае взаимодействие осуществляется только между компонентами системы).

Система называется замкнутой (изолированной*), если ее компоненты не взаимодействуют с внешними сущностями, а также отсутствуют потоки вещества, энергии и информации из системы или в нее.

* В физике понятия замкнутой и изолированной систем не являются тождественными, однако, для нашего рассмотрения их различия несущественны.

Примером физической замкнутой системы может служить горячая вода и пар в термосе. В замкнутой системе количество вещества и энергии остается неизменным. Количество же информации может изменяться как в сторону уменьшения, так и увеличения - в этом просматривается еще одна особенность информации как исходной категории мироздания. Замкнутая система является некоторой идеализацией (модельным представлением), поскольку полностью изолировать какую-то совокупность компонентов от внешних воздействий невозможно.

Построив отрицание приведенному выше определению, получим определение системы незамкнутой. Для нее должно быть выделено множество внешних воздействий {E}, оказывающих влияние (т.е. приводящих к изменениям) на {А}, {R} и {Р}. Следовательно, незамкнутость системы всегда связана с протеканием процессов в ней. Внешние воздействия могут осуществляться в форме каких-то силовых действий либо в форме потоков вещества, энергии или информации, которые могут поступать в систему или выходить из нее. Примером незамкнутой системы является какое-либо учреждение или предприятие, которые не могут существовать без материальных, энергетических и информационных поступлений. Очевидно, исследование незамкнутой системы должно включать изучение и описание влияния на нее внешних факторов, а при создании системы должна предусматриваться возможность появления этих факторов.

Системы естественные и искусственные

Различие производится по тому, имеется ли у системы природный прототип или нет.

Естественными называются системы, имеющие прототип природного происхождения.

Искусственные - это системы, созданные человеком.

Выделение системы из природного образования неизбежно связано с принятием упрощающих и ограничивающих положений; по этой причине естественная система является моделью и отражает свойства прототипа неточно. Искусственная система строится в соответствии с замыслом человека и может точно этому замыслу соответствовать.