2.2. “Система” как основное понятие системного подхода

Любой закон, любая наука в целом есть обобщенная функциональная модель действительности, способная предсказывать поведение реальных объектов в определенном диапазоне условий. Построение моделей, использование функциональных схем и математических соотношений требуют точной характеристики и строгого определения понятий. Однако существуют ситуации, при которых невозможно сразу дать представление об объекте исследования или управления, показать его графически или описать его состояние математическим выражением. При этом сам объект характеризуется как нечто целое (единое) и сложное. Одним из самых общих понятий, применяемых для описания подобных объектов при системных исследованиях, и является понятие “система”.

В литературе встречается более 40 различных определений этого понятия [11, 12, 13]. Их анализ показывает, что в процессе развития теории систем смысл этого термина изменялся не только по форме, но и по содержанию. С этим термином связаны представления об “экономической системе”, “системах кровообращения и дыхания”, “солнечной системе”. Он используется для обозначения математических понятий, например, “система уравнений”, “система мер”. Привычными являются такие названия как “система образования” или “система управления” и т.п. При этом, используя термин “система”, всегда стремятся подчеркнуть целостность рассматриваемых объектов, упорядоченность, наличие определенных закономерностей, характерных только для них.

Не останавливаясь подробно на исторических изменениях содержания понятия “система” (желающие могут это сделать самостоятельно, обратившись, например, к [11]), каждому специалисту просто необходимо сформировать собственное понимание этого понятия. Его можно будет рассматривать как “рабочее”, соответствующее текущему представлению о его содержании, которое может в последствии уточняться, расширяться или сужаться в зависимости от решаемой задачи. В то же время ориентация на какое-то одно определение тоже представляется не правильным, так как на разных этапах представления объекта, в разных ситуациях приходится пользоваться разными определениями.

Все известные определения понятия “система” в зависимости от специальных терминов, которые помогают уточнить представление о системе, могут быть разделены на несколько групп. Первая группа определяет систему как некоторый класс математических моделей. Вторая группа характеризует систему через понятия системного подхода - “элементы”, “отношения”, “связи”, “целое”, “целостность”. В третьей группе системы рассматриваются с позиций теории регулирования через понятия “вход”, “выход”, “переработка информации”, “закон поведения”, “управление”. Существуют определения понятия "система", не попадающие в эти группы. Приведем несколько, на наш взгляд, наиболее понятных определений из каждой группы.

Наиболее общее определение термина “система”, отличающееся максимально возможной общностью, характерно для первой группы. Примером может быть определение этого понятия с позиций теоретико-множественного подхода.

Определение первое: система S представляется как некоторый класс множеств:

S={М_S, L_S, K_S},

где М_S - подкласс множеств элементов (подсистем) системы S; L_S - подкласс ножеств, образующихся в результате деления элементов-подсистем системы S на под­элементы; K_S -подкласс таких множеств, в которые рассматриваемая система S сама входит в качестве элемента.

Это определение фиксирует некоторое множество элементов М_S и их взаимоотношения, подчеркивая, что любая система состоит из набора таких взаимосвязанных элементов (т. е. подсистем, в глубь которых анализ не распространяется), каждый из которых может быть представлен в виде взаимосвязанной совокупности элементов более низкого уровня (подэлементов) L_S. В то же время исходная система S сама является элементом систем более высокого порядка (метасистем) K_S.

Отнести объект к системе в соответствии с этим определением означает дать характеристику некоторого класса систем подобного типа, указать класс метасистем, к которому все эти системы можно отнести и показать, что все исходные системы содержат одинаковый набор подсистем. Типичным примером такого типа систем является система “автомобиль на двигателях внутреннего сгорания”. Автомобили этого типа (их много) содержат набор одинаковых по функциональному назначению элементов (кузов, двигатель, рулевое управление, подвеска и т.д.) и входят в систему “автомобили” как в “метасистему”, в которой представлены и другие типы автомобилей на других видах тяги. Можно указать и другие “метасистемы”, в которые автомобиль входит как элемент, например, “средства передвижения”, “транспортные средства” и т.п.

Практическая польза от приведенного определения не очень высокая, так как оно использует только одно качество системы – принадлежность тому или иному множеству без учета ее назначения, функции, которую она выполняет, других особенностей ее функционирования. В повседневной практике мы имеем чаще всего дело с системами целевого назначения, что и позволяет нам разделять разные системы. Определения, учитывающие практическое назначение системы, предлагаются во второй группе.

Наиболее “прикладным” и в то же время достаточно простым и общим являются следующие два определения из второй группы.

Определение второе: система S - множество элементов P_i, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой для выполнения заданных целевых функций.

В этом определении указывается на наличие "связи" и "взаимодействия" между элементами как необходимого условия, чтобы, с одной стороны, объект можно назвать системой, а с другой – можно было бы выделить элементы, которые принадлежат именно этой системе. При этом под "элементом" P_i понимается некоторая часть системы (подсистемы), полученная при ее разделении (членении) в соответствии с заранее выбранным принципом и имеющая самостоятельное значение по отношению к целевым функциям системы. Так как возможны различные принципы разделения, то одна и та же система может быть представлена разным количеством подсистем-элементов. Сами элементы также состоят из частей – подэлементов, компонентов, а S входит в другую систему более высокого уровня – метасистему в качестве ее элемента-подсистемы, компонента, но она входит не просто так - S выполняет в ней определенную функцию.

В приведенном определении используется понятие “целевая функция”, которая понимается как некоторая (возможно и воображаемая) внешняя по отношению к системе ситуация, к осуществлению которой она стремится. Часто понятие целевой функции совпадает с понятием “назначение”.

В общем случае для сложной системы характерна даже своеобразная система целей V_S={V_i}, где V_i – одна из целей (назначений), которую может выполнять (или выполняет) данная система. Система целей может быть определена через некоторое множество целей (как элементов, входящих в систему V_S) и связей между ними. Достаточно часто разные цели не могут быть достигнуты одновременно и, следовательно, могут противоречить друг другу. Поэтому система целей может характеризоваться очень сложным внутренним взаимодействием между ее элементами; и часто требует специального изучения. В качестве примера можно привести систему целей взрослого человека, которые он преследует в своей жизни.

Цели из множества V_S, описывающие назначения целостной системы S, реализуются вне системы – в Окружающей Среде (ОС), где представлены другие системы того же или иного типа, уже входящие в метасистему. При реализации целей каждой из систем и осуществляется взаимодействие между ними. Здесь также возможны как противоречия между целями разных систем, так и их согласованность, приводящая к формированию некоторых новых организованных структур в метасистеме, объединяющих системы типа S, и, следовательно, к выделению в ней иных подсистем, другого по сравнению с обычными элементами типа.

Следует иметь в виду, что реализация каждой из целей системы S возможна, если составляющие систему элементы (подсистемы) выполняют свои функции – подцели, частные цели, которые формируют свое множество взаимосвязанных элементов - свою систему подцелей. Качество выполнения подцелей, между которыми также возможны противоречия, в конечном счете, определяет эффективность выполнения всех назначений системы S в целом. Часто анализ совокупности всех целей системы S и частных целей ее элементов (подсистем) позволяет установить причины сбоев в работе и найти пути их устранения. Однако для сложных систем, содержащих большое число элементов, подобный анализ сопряжен с преодолением значительных трудностей при описании всех целей и их связей.

Стремление к бóльшей общности практического определения понятия “система”, в соответствии с которым под это понятие подпадали бы многие объекты ОС, привело к другому определению этого понятия, тоже из второй группы.

Определение третье: система S – это совокупность, образованная из множества элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и с ОС и образующая некоторое целостное единство.

Оба последних определения характеризуют систему через множество элементов, но влияние этих элементов друг на друга отражается по-разному. В третьем определении вводится новое понятие “отношение”, которое характеризует “взаимозависимость двух или более объектов либо явлений абстрактного или конкретного типов” [11]. Очевидно, что понятие “связь”, используемое во втором определении, тоже можно рассматривать как некоторое отношение зависимости, обусловленности, общности между элементами, обеспечивающее выполнение определенные целевых функций.

В третьем определении жесткой взаимосвязи между элементами системы S не предусматривается, поэтому оно и представляется более общим по сравнению с предыдущим. В то же время второе определение S позволяет выделить из всех возможных систем такие, которые имеют назначение, выполняют определенную цель в ОС, – целенаправленные, целеполагающие, целеформирующие системы.

Системное исследование исходит из этого принципа, согласно которому объект рассматривается как "относительно обособленная система" (по определению С. Бира), т. е. имеющая конечное число входов и выходов для общения с другими объектами и средой, свойства которой не сводимы к свойствам ее составных частей.

Воспользовавшись определением понятия “отношение”, можно перейти к другим понятиям, которые были использованы при обсуждении понятия “система”. “Вход” системы можно определить как внешнее отношение “ОС  S”, т.е. такой элемент системы, через который ОС воздействует на систему. Под “выходом” системы понимается внешнее отношение “S  ОС”, т.е. элемент системы, через который система может оказывать воздействия на ОС. Входные или выходные величины - это действие, связь или параметр, а совокупности всех входов и всех выходов задают “обобщенный вход” и “обобщенный выход”, через которые система S и ОС строят свои отношения.

Примерами систем, удовлетворяющих второму определению понятия “система”, служат все созданные человеком технические средства, имеющие хотя бы одно назначение, – автомобиль как средство перемещения в пространстве, холодильник как устройство длительного хранения продуктов питания при пониженной температуре, телевизор как средство получения акусто-визуальной информации и др. Причем, как только сформулировано назначение, так возникают и первые представления об устройстве такой системы, наличия в ней ряда обязательных элементов.

Примерами систем, которые подпадают под третье определение, могут считаться те, которые объединяются в соответствии с некоторым общим свойством. Например, множество подобных треугольников (общее свойство, объединяющее их в одну систему – свойство подобия); множество предметов, в каком-то смысле похожих друг на друга (свойство схожести); множество абстрактных понятий; множество детских игрушек, каждая из которых имеет свое назначение, но само множество формируется только по одному общему свойству – служить для развлечения, и т.п. Но это определение понятия “система” пригодно и для рассмотренных выше целенаправленных систем, что подтверждает представление о том, что трете определение – более широкое.

В понятие “Окружающая Среда” теоретически включают все, что не входит в рассматриваемую систему. Реальная ОС как метасистема (надсистема) состоит из систем, включающих хотя бы один элемент, выход которого реализует внешнее отношение “S  ОС”, либо элемент, вход которого реализует внешнее отношение “ОС  S”. В общем случае в ОС могут присутствовать так называемые замкнутые (обособленные) подсистемы элементов, т.е. такие, которые не имеют ни входов, ни выходов для контактов с другими системами-элементами ОС. Оценить их присутствие можно только по косвенным проявлениям их существования.

В реальной ОС целесообразно выделить несколько составляющих так называемых “сфер”: геосфера, атмосфера, биосфера, техносфера, и астросфера. Из гео-, био- и атмосфер складываются экосистемы; астросфера связана с системой ближнего космоса, нашей планетарной системой, техносфера является продуктом деятельности человечества, она прочно входит и оказывает все большее влияние на все сферы реальной ОС.

Приведем еще одно из определений, характерное для третьей группы и наиболее близкое к прикладным задачам.

Определение четвертое: система S - объект, отличающийся составом элементов, структурой их связей, параметрами, имеющий хотя бы один вход и один выход, которые обеспечивают связь с ОС, характеризующийся законами поведения и изменяющий поведение при поступлении управляющих воздействий.

Как следует из данного определения, системой будет называться такой объект, для которого:

- выделено множество специфичных для данной системы элементов (состав элементов);

- утверждается, что элементы связаны между собой и связи образуют структуру (т.е. эти связи не любые);

- имеются хотя бы один вход и один выход, через которые она связана с другими объектами ОС;

- для нее существует закон поведения, в соответствии с которым при подаче на любой вход системы воздействия она изменяет свое поведение.

Выбирая воздействия, можно управлять системой, т.е. заставить ее выполнять заданную функцию – сделать ее целенаправленной. По существу при детальном разборе приведенное определение очень близко к первому определению из второй группы (второе по порядку определение), но при этом используются другие исходные понятия.

В общем случае, когда структура системы не известна, ее можно изобразить в виде “черного” ящика (рис. 2.1), имеющего входы для управляющих воздействий x_n, (обобщенный вход X) и выходы для проявления реакции системы y_m , , причем в общем случае NM, (обобщенный выход Y). Для описания поведения системы достаточно найти М уравнений, связывающих входные воздействия x_n с реакциями на ее выходах y_m,:

, (2.1.)

где F – некоторый функционал, так как его аргументы x_n=f(t) сами являются функциями от времени; {u_r}, - параметры, описывающие систему, T_i –фиксированный момент времени (мгновенная рабочая ситуация), для которого установлены эти аналитические связи.

Кроме управляющих входов, на систему могут поступать воздействия из Окружающей Среды (ОС, на рис. 2.1), которые изменяют параметры системы {u}₁^R и искажать законы ее поведения. Воздействующие факторы со стороны ОС могут со временем изменяться, что в свою очередь может повлечь изменения в поведении системы. Поэтому в уравнениях (2.1) должны учитываться свойства системы в виде множества ее параметров {U}_C.

Изучить систему – значит отобразить ее структуру, дать характеристику элементного состава и установить законы функционирования. О законах функционирования можно судить по уравнениям (2.1), и, сопоставляя их с возможными вариантами структур и наборами элементов, можно найти варианты структур, которые будут вести себя также как изучаемая система. Однако найденная таким способом структура может не совпадать с реальной, поэтому она будет являться только функциональной моделью системы. Если же в процессе изучения систему удается разобрать и точно установить набор элементов и их связей, то в этом случае можно построить структурную модель системы и попытаться получить точные аналитические выражения для описания ее функционирования. Процесс поиска структурной модели системы часто характеризуется как “обеление” черного ящика, для систем с полностью известной структурой используется термин “белый ящик”.

Анализ определений понятия “система” показывает, что система представляет собой объект, в котором реализуется принцип “иерархичности” (многоуровневости, соподчиненности). Любая система (нулевой уровень) должна рассматриваться в двух аспектах - как совокупность взаимосвязанных подсистем (первый нижний уровень иерархии) и как элемент более сложной метасистемы (первый верхний уровень иерархии) (рис. 2.2). При выборе в качестве объекта любой из подсистем, она становится “нулевым (исходным) уровнем” анализа, тогда исходная система для нее становится метасистемой, а составляющие ее элементы будут рассматриваться как подсистемы, т.е. как первый нижний уровень. По отношению к исходной системе это уже будет второй нижний уровень, и связь параметров и характеристик элементов второго нижнего уровня со свойствами исходной системы будет ослабевать. С другой стороны исходная система является элементом некоторой метасистемы – первый верхний уровень иерархии (см. рис. 2.2). Если анализируется сама метасистема, то исходная система становится элементов первого нижнего уровня иерархии в анализе этой метасистемы.

Принцип иерархичности является одним из универсальных принципов организации сложных систем, а понятия “метасистема”, “система”, “элемент”, “подсистема” и “компонент” – относительны, так как могут быть применены к различным объектам и их частям.

Выбранные четыре определения не исчерпывают все представления об этом сложном термине. В завершении рассмотрения разных подходов приведем еще два определения этого понятия. Первое из них отличается тем, что в него наряду с элементами, связями, целями включен “наблюдатель”, пользователь, т.е. лицо, представляющее объект или процесс в виде системы и ответственное за принятие решений по управлению системой, а второе приводится в одном из изданий Большой Советской Энциклопедии.

Определение пятое: система S есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания, управления [14]. Это определение также имеет большое значение, так как подчеркивает, что для разных наблюдателей (имеющих разный опыт работы с системами) содержание понятия “система” может быть разным, и оно может изменяться по мере изучения исследуемого объекта.

Определение шестое: система S есть “объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе”.^ В этом определении понятие “система” распространяется не только на существующие, материально реализованные предметы, но и на знания об этих предметах, а также на явления (процессы), происходящие с ними.

В заключение анализа различных определений понятия “система” отметим, что трудности с этим определением связаны с тем, что сущность любой системы неисчерпаема, знания о ней - относительны, поэтому представление о “рабочем” определении этого термина вполне пригодно для практической работы технического специалиста. Правда и здесь нужно иметь в виду, что в зависимости от рабочей ситуации приходится использовать различные из приведенных выше определений на разных стадиях из анализа или создания систем. При анализе системы медико-биологических исследований хорошо просматриваются ситуации, для которых могут потребоваться все приведенные определения.