2.3. Классификация систем
Системы разделяются на классы по различным признакам, и в зависимости от цели можно выбирать разные принципы классификации. Известны попытки классификации по типу систем, виду отображаемого объекта, ее сложности, использованию различных типов входов и выходов. Однако необходимо помнить, что любая классификация интересна не сама по себе, а по тому, какие новые представления об изучаемом объекте она позволяет получить. Кроме того, следует иметь в виду, что классификация всегда относительна, а ее цель – ограничить выбор подходов к отображению системы, выявить общие свойства, сопоставить выделенным классам приемы и методы их системного анализа и т.д., т.е. она связана с решением важных практических задач, возникающих при изучении исследуемого объекта. При этом любая система может одновременно характеризоваться по нескольким независимым признакам и, следовательно, представляться в нескольких классификациях, каждая из которых представляет самостоятельный интерес. Рассмотрим некоторые из возможных классификаций.
Одним из важных свойств системы является ее способность взаимодействовать с ОС. Для систем, способных обмениваться веществом, энергией и информацией с ОС, Л. фон Берталанфи ввел понятие “открытые” системы, которые как раз и относятся к классу уже упоминавшихся относительно обособленных систем. В отличие от них могут существовать системы, которые лишены этой способности. Это так называемые “закрытые” или “замкнутые” системы, т.е. изолированные от ОС. Возможны частные случаи, когда при анализе системы некоторые процессы в ней не учитываются, а другие отражаются в полном объеме. Например, не учитываются гравитационные и энергетические системы, а отражается только процесс информационного обмена с ОС. Тогда говорят об информационно-проницаемых или информационно-непроницаемых системах.
Важным представлением о системах является различение двух типов систем, с которыми приходится встречаться в практике системных исследований. Это системы-предметы и системы-процессы.
С системами-предметами, элементами которых являются блоки, устройства и узлы, человек встречается постоянно. Нас окружает мир предметов разного назначения и устройства. Многие предметы созданы человечеством для удовлетворения своих потребностей. Менее понятны, но также широко представлены в мире, системы-процессы, элементы которых составляют операции над объектами-предметами. В качестве операций, например, могут быть очистка, плавление, химические трансформации, фильтрация, и многие другие действия над системами-предметами, в результате применения которых они претерпевают определенные изменения.
Последовательность операций складывается в некоторый “технологический процесс”, который и является системой-процессом. Системой-процессом можно назвать, все известные последовательности операций, приводящие к изменению свойств, параметров, характеристик каких-либо систем-предметов. Например:
- при обработке полезных ископаемых – получение материалов требуемого типа и качества;
- при сборке изделий – получение готовых изделий (автомобилей, холодильников, телевизоров и т.д.);
- при обработке сигналов и данных (получение обобщенных характеристик, статистических данных, построение зависимостей и т.д.);
- при выполнении диагностических и терапевтических процедур – изменение состояния организма пациента и т.п.
Использование принципов системного подхода для изучения этого типа систем позволяет решать многие задачи по совершенствованию и разработке новых более перспективных технологических процессов.
Уже отмечалось, что среди систем можно выделить целенаправленные или целеустремленные системы. В этом классе систем можно выделить такие, для которых цели задаются извне, и системы, в которых цели формируются внутри, в частности, это характерно для открытых, самоорганизующихся систем.
И системы-предметы, и системы-процессы могут быть как естественного происхождения, т.е. созданные природой, так и искусственные, т.е. созданные человеком с целью осуществления необходимых или желательных для него изменений ОС.
К естественным системам, например, относятся:
- системы-предметы: растения, представители животного мира и т.п.;
- системы-процессы: атмосферные явления, процессы жизнедеятельности организмов, процессы взаимодействия видов животного мира и др.
К искусственным системам следует отнести:
- системы-предметы: транспортные средства, станки и механизмы, приборы и измерительные комплексы и т.п.;
- системы-процессы: информационные процессы, технологии производства, экономические процессы и др.
На рис. 2.3 приведена неполная классификация систем по происхождению независимо от их типа. Все системы могут быть разделены на две основные группы: системы естественного происхождения и искусственные. В группе систем естественного происхождения выделены только два типа - биологические и неорганические системы, а в искусственной группе - ряд систем различного назначения. Воспроизведен только фрагмент классификации, главной целью которой было продемонстрировать разнообразие систем и особо выделить биотехнические системы, представляющие собой совокупность биологических и технических элементов, объединенных в единую функциональную систему целенаправленного поведения, в которой реализуются основные принципы объединения разнородных элементов [10]. Если быть последовательными в этих определениях, то из множества известных технических систем можно выделять в качестве биотехнических как системы-предметы, так и системы-процессы.
Большое значение для характеристики систем имеет представление об их “состоянии”, которое определяется значениями ее характеристических параметров, параметров составляющих ее элементов, положением системы в пространстве, а также значениями их производных. Эти значения могут изменяться во времени и в пространстве, что означает переход системы из одного состояния в другое. Системы, способные изменять свое состояние под влиянием воздействий, становятся динамическими. Если производные равны нулю, динамическая система переходит в состояние покоя и становится статической, в которой не изменяются элементный состав и структура и не реализуются никакие функциональные процессы. В природе не существует статических систем, представление о них следует рассматривать как некоторую идеальную (абстрактную) модель, полезную при изучении реальных систем.
Известно несколько вариантов разделения систем по сложности. Ее связывают с размерами, количеством и величиной элементов, поведением. Можно выделить четыре класса динамических систем:
- простые, состоящие из небольшого количества элементов и характеризующиеся простым динамическим поведением;
- сложные, структура которых отличается разветвленностью и разнообразием связей, но поддается точному описанию; описание их поведения представляет достаточно сложную задачу;
- очень сложные, точно и подробно характеризовать которые можно только, применяя для описания их структуры и поведения вероятностные законы;
- сверхсложные, полное описание которых невозможно, поэтому их изучение ограничивается созданием моделей, которые характеризуют те или иные свойства.
В [15] представлена еще одна из наиболее полных классификаций систем по уровню сложности. Она интересна еще тем, что разделяет все системы по типам на неживые и живые системы (табл. 2.1), а внутри каждого типа выделяет несколько уровней сложности.
Таблица 2.1. Классификация систем по уровню сложности по К. Боулдингу
-
Тип системы
Уровень сложности
Примеры
Неживые системы
Статические структуры (остовы)
Простые динамические структуры с заданным законом поведения
Кибернетические системы с управляемыми циклами обратной связи
Кристаллы
Часовой механизм
Термостат
Живые системы
Открытие системы с самосохраняемой структурой (первая ступень, на которой возможно разделение на живое и неживое)
Живые организмы с низкой способностью воспринимать информацию
Живые организмы с более развитой способностью воспринимать информацию, но не обладающие самосознанием
Системы, характеризующиеся самосознанием, мышлением и нетривиальным поведением
Социальные системы
Трансцендентные системы или системы, лежащие в настоящий момент вне нашего познания
Клетки,
гомеостат,
Растения
Животные
Люди
Социальные организации
По характеру поведения и степени организованности различают несколько классов систем.
Хорошо организованные системы – это такие, для которых удается связать взаимодействие элементов между собой (характер поведения) в виде детерминированных (аналитических или графических) зависимостей.
При представлении объекта в виде плохо организованной или диффузной системы не ставится задача учета всех компонентов и связей, что часто и не возможно. В этом случае система характеризуется некоторым набором макропараметров и закономерностями, которые выявляются при изучении представительной выборки ее реакций, ответов на различные ситуации в ОС. При этом всегда делаются оговорки, позволяющие описать условия проведения исследований объекта, и получают статистические зависимости для описания характера поведения, которые распространяют на систему с какой-то вероятностью. Такие системы иногда определяются как стохастические
В качестве третьего класса объектов выделяются самоорганизующиеся или развивающиеся системы, которые отличаются большой неопределенностью на начальном этапе исследования. Такие системы содержат активные элементы, обладают свойствами, полезными для ее существования, для приспосабливания к изменяющимся условиям ОС, но в то же время вызывающими неопределенность, затрудняющими управление системой. К таким особенностям следует отнести: нестационарность отдельные параметров и стохастичность поведения, уникальность и непредсказуемость поведения в конкретных условиях, наличие предельных возможностей, которые зависят от ресурсов системы, способность адаптироваться к условиям ОС, вырабатывать варианты поведения и изменять структуру, сохраняя целостность и основные свойства, стремление к целеобразованию. Легко увидеть, что некоторые из этих свойств наблюдаются у диффузных систем (например, стохастичность поведения), но большинство из них являются специфическими признаками, существенно отличающими этот класс систем от других и затрудняющими их изучение.
Учитывая, что различные системы могут быть ориентированы на переработку, накопление, передачу веществ, энергии и информации, можно различать вещественные, энергетические и информационные системы. В последнем классе систем для передачи информации необходим ее “носитель”, в качестве которых могут выступать вещества и разные виды энергии. Например, носителем диагностической информации о состоянии организма могут быть вещественный состав биопробы (вещественный носитель информации) и параметры физических полей, излучаемых организмом, (энергетический носитель). Отличием этого типа систем от других является то, что в них главное значение имеет не количественная характеристика вещества или энергии, а их изменения во времени (модуляция), которые и связаны с передачей информации.
С учетом того, что в системах-процессах особое место занимает обмен информацией – сведениями об окружающем мире, которые воспринимаются системой, или сведения, которыми обменивается данная система с другими, различают:
- информируемые системы, имеющие хотя бы один информационный вход;
- информирующие системы, имеющие хотя бы один информационный выход;
- информационные системы, имеющие некоторое количество информационных входов и выходов.
Рассмотренные принципы классификации касаются характеристики объектов как целых. Другие критерии классификации могут ориентироваться на свойства элементов, входящих в систему.
Примером такого подхода к классификации является введение понятий об информационных, энергетических и вещественных входах и выходах системы, т.е. таких, через которые в систему поступают (или выводятся) вещество, энергия или информация. Для систем-предметов, содержащих различные по природе элементы (например, кроме технических, они содержат и биологические элементы), входы и выходы совместно с техническими средствами, необходимыми для подключения этих элементов, образуют специфические каналы взаимодействия, позволяющие согласовать различия в свойствах этих объектов с техническими элементами [16] за счет изменения вида носителя информации. Так в технической системе информация передается с помощью сигналов, а для передачи ее человеку используются системы отображения, которые рассчитываются на восприятие органами чувств человека – зрением (визуальные изображения), слухом (акустические сигналы), тактильным прикосновением (механические воздействия). В системах-процессах также могут появиться операции, отражающие поведение элементов не технической природы – обработка человеком визуальной или акустической информации, мыслительные процессы, формирование представлений и принятие решений и т.п.
Возможна также классификация:
- по характеристикам элементов, например, линейные, нелинейные и гистерезисные системы;
- по типу связей между элементами - с непосредственными и опосредованными связями, прямыми и обратными связями и т. д.
Приведенные примеры возможных подходов к классификации не являются строго формализованными и в определенной степени произвольны. В то же время они выявляют основные теоретические задачи, связанные с описанием (моделированием) систем, которые стоят перед исследователями как при изучении уже существующих систем, так и при создании новых.