3.3.5. Структура системы

Структура отражает множество всевозможных отношений (связей) между элементами внутри данной системы, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство (строение). При этом структура сложных систем может включать не все элементы и связи между ними, а лишь наиболее существенные, которые мало меняются при текущем состоянии системы и ее основных свойств. Иными словами, структура характеризует организованность системы, устойчивую упорядоченность элементов и связей.

Структурные связи обладают относительной независимостью от элементов и могут выступать как инвариант при переходе от одной системе к другой, перенося закономерности, выявленные и отраженные в структуре одной из них, на другие. Сами системы при этом могут иметь различную физическую природу. Такое представление является основой для моделирования сложных в познании систем с помощью систем другой физической природы. Примерами подобного моделирования могут служить уже упоминавшиеся метод электромеханических аналогий, в котором механические элементы электрических систем заменяются их электрическими эквивалентами, и метод исследования гидро- и пневмосистем с помощью их электронных моделей и т.п.

Один и тот же объект может быть элементом нескольких систем и, следовательно, входить в их структуру, выполняя в общем случае разные функции. Но в то же время один и тот же объект может быть определен несколькими структурами в зависимости от критерия, по которому осуществлена декомпозиция исходной системы. Кроме того, по мере развития исследований или в ходе проектирования структура изучаемой системы может изменяться.

Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью отношений между элементами. По характеру отношений можно выделить многосвязные, иерархические (многоуровневые) и смешанные структуры (рис. 3.7). Для иерархических структур характерно наличие управляющих (командных) элементов. В многосвязных системах связи возможны между всеми элементами системы (подсистемы). В неиерархических (многосвязных) структурах управляющие функции распределены между всеми элементами или группами элементов.

Наличие иерархии, как правило, является признаком высокого уровня организации; такие структуры более экономичны и в функциональном отношении. В то же время жесткие иерархические системы управления, в которых роль верхнего уровня абсолютизирована, не способны быстро развиваться, совершенствоваться; они не приспособлены к творчеству, к постановке и решению неизвестных задач. Более динамичными и, следовательно, более эффективными по использованию ресурсов являются системы, в которых оптимально сочетаются принципы коллективного изучения возможных направлений развития и централизации при определении глобальных целевых функций, распределении этих функций между подсистемами и принцип автономности, не ограничивающий инициативу подсистем более низкого уровня при выборе способа реализации этих функций. Эту мысль можно было бы проиллюстрировать многими историческим примерами.

Для наглядного представления устройства систем на практике нашли применение различные способы отображения их структур. Обычно понятие “структура” связывают с графическим отображением, однако это не обязательно. Структура может быть представлена в матричной форме, в форме теоретико-множественных описаний, с помощью языка топологии, алгебры и других средств.

Наибольшее распространение получили блок-схема (варианты: структурная схема или функциональная схема) и граф системы (рис. 3.8).

При отображении структуры системы в виде блок-схемы ее элементы отображаются в виде прямоугольников, внутри которых записываются идентификаторы элементов. Прямоугольники соединяются стрелками, указывающими направление пере­дачи воздействий и сигналов между элементами. Каждый элемент может иметь в общем случае связь с любым другим элементов этой системы. Некоторые из элементов должны иметь входы или выходы для связи системы с ОС.

В технических приложениях очень важно различать структурную и функциональную блок-схемы системы. В структурной схеме в прямоугольниках записываются идентификаторы отдельных узлов или подсистем, и она отражает их взаимозависимости при выполнении назначения системой. В функциональной схеме используются идентификаторы отдельных функций (операций), поэтому такая схема отражает взаимосвязь частных функций, последовательность их выполнения при выполнении функционального назначения системы. Ясно, что эти две схемы для одной и той же системы могут не совпадать, так как отдельные функции могут реализовываться с помощью набора подсистем, а отдельные подсистемы могут использоваться при выполнении нескольких частных функций.

Отображение структуры в виде графа использует другие обозначения: точкой (кружком) отображаются элементы системы, а стрелками - связи между ними. В ряде задач подобное отображение структуры более удобно для аналитических и графических методов исследования характеристик систем. Специальные обозначения, вводимые при построении графов системы, позволяют улучшить наглядность графа и, следовательно, способствуют более качественному ее анализу. На приведенном графе отражены элементы, имеющие различные связи с ОС и с элементами ВС.

Следует отметить еще один способ, характерный для отображения структур систем-процессов в виде “сетевой структуры” или “сети”. Как правило, это способ позволяет провести декомпозицию системы во времени; он используется для отображения порядка действия технической системы, этапов деятельности человека, последовательностей операций над объектом (веществом, энергией, информацией).

В качестве примера на рис. 3.9 представлена сетевая структура выполнения аналитического исследования с веществом биопробы [ ]. Это один из возможных способов отображения сетевого графика выполнения исследования, его легко перестроить и к другому виду.

В приведенной структуре отражены последовательности разных операций (цифровые обозначения отражают их типы), которые выполняются одновременно как с веществом биопробы, так и с реагентами, которые необходимы при выполнении исследования с биопробой. Поэтому технологические цепочки, отражающие последовательности операций, располагаются как бы в двух контурах - основном и вспомогательном. Элементами цепи главного контура (аналитический этап) являются операции по преобразованию вещества биопробы, а также операции по преобразованиям сигналов и обработке их информативных параметров. Контуры вспомогательного уровня (вспомогательные цепи) содержат последовательности операций, связанных с предварительной подготовкой реагентов, которые используются в анализе. Реагенты должны быть приготовлены к определенному в методике сроку от начала исследования, все операции выполняются друг за другом.

Для операционных структур систем-процессов известны и другие способы отображения [18, 24].

Устойчивость межэлементных отношений характеризует стабильность расположения элементов в пространстве. Наиболее устойчивы детерминированные структуры, т. е. такие, в которых отношения либо неизменны, либо изменяются по некоторому известному закону. В вероятностных (стохастических) структурах отношения между элементами описываются вероятностными законами. Существуют также хаотические структуры, в которых межэлементные отношения являются непредсказуемыми для любого момента времени, т. е. любые отношения могут существовать с равной вероятностью. Свойства структуры зависят от внутренних ресурсов, свойств элементов и связей.

Понятие “структура” включает также представление о конфигурации системы - пространственном расположении элементов системы, ее геометрических свойствах. Различают точечную, линейную, плоскую, объемную и смешанную конфигурации.