1.2. Система и системные свойства. Основные понятия

Отметим, что в научной литературе имеется целый набор близких по смыслу определений понятия «система» (греч. systema - составленное из частей, соединенное), взаимосвязанных между собой и в некоторой степени уточняющих смысл друг друга. Отсутствие строгого и единого определения системы объясняется чрезвычайной общностью этого понятия, для которого трудно подобрать адекватную формулировку.

Здесь мы приведем одно из известных определений, предложенное В.Н.Садовским. Система – это совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность.

Окружающий нас мир состоит из множества различных объектов, каждый из которых имеет разнообразные свойства, и при этом объекты взаимодействуют между собой. Например, такие объекты, как планеты нашей Солнечной системы, имеют различные свойства (массу, геометрические размеры и пр.) и по закону всемирного тяготения взаимодействуют с Солнцем и друг с другом.

Важным признаком системы является ее целостное функционирование. Система является не набором отдельных элементов, а совокупностью взаимосвязанных элементов. Например, компьютер является системой, состоящей из различных устройств, при этом устройства связаны между собой и аппаратно (физически подключены друг к другу) и функционально (между устройствами происходит обмен информацией).

Как следует из приведенного определения, система представляет собой множество с некоторыми дополнительными свойствами, называемыми системными.

Системное свойство – свойство системы, возникающее при взаимодействии свойств элементов, составляющих систему и обеспечивающих ей возможность выполнять основную функцию.

Основное системное свойство – свойство целостности заключается в том, что система, как целое является автономной, самодостаточной и относительно независимой от среды и других аналогичных систем. В качестве классического примера системы с ярко выраженной целостностью можно привести живой организм.

Следующее свойство эмерджентности (от анг. emerge – возникать, появляться) системы состоит в несводимости свойств системы к сумме свойств, составляющих ее объектов. Свойства целостности и эмерджентности позволяют образованию быть системой и роль объектов сводят к обеспечению функционирования этой системы. Для пояснения свойства эмерджентности рассмотрим процесс строительства арки из специально обтесанных камней. Обтесанные камни помещают один возле другого и, далее, вставляют замыкающий арку центральный камень. Только после этого появляется единая структура и множество камней становится системой, приобретая новую способность поддерживать не только себя, но и другие посторонние грузы. Возможность поддерживать груз не является свойством каждого камня или всей кучи камней, это свойство появляется после того, как камни начинают взаимодействовать в определенном порядке.

Таким образом, эмерджентность это свойство систем, обусловливающее появление новых свойств и качеств, не присущих элементам, входящих в состав системы. Эмерджентность – свойство, противоположное редукционизму, который утверждает, что целое можно изучать, расчленив его на части и затем, определяя их свойства, определить свойства целого.

Кроме того, следует иметь в виду, что объединенные в систему элементы, как правило, утрачивают часть своих свойств, присущих им вне системы, т.е. система как бы подавляет ряд свойств элементов. Но, с другой стороны, элементы, попав в систему, могут приобрести новые свойства.

Свойство структурности определяется как возможность описания системы через установление ее структуры, обусловленность поведения системы не столько поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры (от лат. structura - строение, расположение, порядок). Очевидно, чем выше организованность системы, тем больше отличается она от множества. В качестве примера, подтверждающего это утверждение, можно привести множество кирпичей и сложенный из них дом. С другой стороны, труднее провести различие между понятиями системы и множества для менее организованных, слабо структурированных объектов. Действительно, если камни разбросаны на некоторой ограниченной площади в степи, то мы имеем простое множество камней. А если те же камни находятся в японском саду, то расположение камней имеет особую структуру: невозможно увидеть все камни находясь в одном и том же месте сада. Таким образом, свойство структурности является одним из отличительных свойств системы.

Свойство структурности тесно связано с еще одним системным свойством – свойством иерархичности. Суть этого свойства состоит в том, что с одной стороны каждый компонент системы в свою очередь может рассматриваться как система, с другой стороны исследуемая система является компонентом более широкой системы, т.е. имеет место система матрешек.

Следующим важным системным принципом является принцип взаимозависимости системы и среды. Любая система функционирует в окружении среды, испытывает на себе постоянное ее воздействие и в свою очередь оказывает влияние на среду. Например, человек с одной стороны приспосабливается к среде, а с другой стороны, сохраняя свою целостность в условиях изменяющейся среды, изменяет окружающую среду, преобразует ее в соответствии со своими интересами и потребностями.

Для сохранения целостности системы в условиях трансформации внешней среды, а также при внутренних изменениях необходимо выполнение следующих важных свойств: инвариантности и энтропийности.

Инвариантность заключается в свойстве некоторых существенных для системы соотношений не меняться при ее определенных преобразованиях. Энтропия означает меру хаоса.

Энтропийность (условно) можно понимать, как способность системы сохранять свою качественную определенность (нормальный режим функционирования) при хаотических внутренних изменениях до определенной черты - энтропии.

Важной характеристикой системы является системообразующий фактор, который, вообще говоря, определяет способ образования системы как целого при объединении частей.

Значение понятия поясним упрощенно на конкретном примере. Предположим, возникает потребность создать нечто новое, до сих пор не существующее – например, объект, который будет перемещать грузы по воздуху. Для реализации этой потребности необходимо, чтобы объект:

1. мог подниматься в воздух с поверхности земли – обладал подъемной силой;

2. мог перемещаться в воздухе – имел двигатель для горизонтального перемещения;

3. мог перемещаться в нужном направлении – имел орган управления.

Выбираем элементы, которые могут обеспечить нам эти возможности. Так, подъемной силой обладают теплый воздух, легкие газы (водород, гелий), крыло. Перемещаться горизонтально по воздуху можно под действием ветра или двигателя (винтового или ракетного). Управлять полетом можно с помощью рулей или дополнительных двигателей.

Каждый из названных элементов обладает свойством, которое проявляется только во взаимодействии с другим объектом. Так, например, теплый воздух обладает подъемной силой до тех пор, пока температура окружающего воздуха ниже его собственной температуры. Винтовой двигатель или рули могут работать только в воздушной среде определенной плотности, и т.д.

Объединяя разные элементы в группы, получим различные системы с конкретными свойствами: теплый воздух или легкий газ, помещенные в оболочку, позволят нам создать воздушный шар или дирижабль; крыло и винт – винтовой самолет; крыло и ракетный двигатель – реактивный самолет, и т.д.

Таким образом, действительно к системообразующим факторам относятся такие факторы, которые определяют способы образования системы как целого при соединении (интеграции) частей.

Основными системообразующими факторами являются:

1. Структурность, т.е. наличие устойчивых (инвариантных) связей между элементами системы.

2. Целенаправленность, т.е. наличие у элементов системы определенных целей, частично совпадающих и образующих общую цель системы. При этом под целью системы понимается наиболее предпочтительное для нее состояние.

3. Эмерджентность или интегративность, т.е. несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов.

4. Управляемость, т.е. возможность целенаправленного изменения состояния и характера поведения системы.

5. Функциональность, т.е. функции элементов по отношению к системе должны иметь целесообразный направленный характер и согласовываться во времени и пространстве. Такое функциональное согласование может быть представлено в двух основных формах:

   1. координация – согласование функций элементов системы по горизонтали. Здесь идет речь о взаимодействии компонент одного уровня организации;

   2. субординация – согласование функций элементов системы по вертикали. Здесь речь идет о взаимодействии компонент различных уровней иерархии.

6. Эволюционность, т.е. способность развиваться, адаптироваться к новым условиям путем создания новых связей, определения новых целей и средств их достижения.

Элемент (компонент) – часть системы с однозначно определёнными свойствами, выполняющие определённые функции и не подлежащие дальнейшему разбиению в рамках решаемой задачи (с точки зрения исследователя). Это структурная единица, которую можно выделить на основании различных характерных признаков. Структура системы (от лат. «строение») – совокупность устойчивых связей между частями системы.

Всякая система может рассматриваться, с одной стороны, как подсистема более высокого порядка (надсистемы), а с другой, как надсистема системы более низкого порядка (подсистема). Например, система «производственный цех» входит как подсистема в систему более высокого ранга — «фирма». В свою очередь, надсистема «фирма» может являться подсистемой «корпорации».

Обычно в качестве подсистем фигурирует более или менее самостоятельные части систем, выделяемые по определённым признакам, обладающие относительной самостоятельностью, определённой степенью свободы.

Свойства системы существенно зависят от характера связей между элементами. Понятие связи (см. также раздел 2.1.) одновременно характеризует и строение (статику) и функционирование (динамику) системы. Связь – одно из фундаментальных понятий в системном подходе. Система как единое целое существует именно благодаря наличию связей между ее элементами, т.е., иными словами, связи выражают законы функционирования системы.

Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом). По первым двум признакам связи делят на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру ­– связи подчинения, связи порождения (или генетические), равноправные (или безразличные) связи и связи управления. Некоторые из этих связей можно раздробить еще более детально. Например, связи подчинения на связи «род-вид», «часть-целое»; связи порождения – «причина-следствие».

Связи можно разделить также по месту приложения (внутренние - внешние), по направленности процессов (прямые, обратные, нейтральные). Выделяют информационные, вещественные и энергетические связи, определяя их в том же смысле, в каком были определены элементы.

Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций от одного элемента другому в соответствии с последовательностью выполняемых функций.

Обратные связи, в основном, выполняют осведомляющие функции, отражая изменение состояния системы в результате управляющего воздействия на нее. Открытие принципа обратной связи явилось выдающимся событием в развитии техники и имело исключительно важные последствия. Процессы управления, адаптации, саморегулирования, самоорганизации, развития невозможны без использования обрат­ных связей.

С помощью обратной связи сигнал (информация) с выхода системы (объекта управления) передается в орган управления. Здесь этот сигнал, содержащий информации о  работе, выполненной объектом управления, сравнивается с сигналом, задающим содержание  и объем работы (например, план). В случае возникновения рассогласования между фактическим и плановым состоянием работы принимаются меры по его устранению.

Основными функциями обратной связи являются:

1. противодействие тому, что делает сама система, когда она выходит за установленные пределы (например, реагирование на снижение качества);

2. компенсация возмущений и поддержание состояния устойчивого равновесия системы (например, неполадки в работе оборудования);

3. синтезирование внешних и внутренних возмущений, стремящихся вывести систему из состояния устойчивого равновесия, сведение этих возмущений к отклонениям одной или нескольких управляемых величин (например, выработка управляющих команд на одновременное появление нового конкурента и снижение качества выпускаемой продукции);

4. выработка управляющих воздействий на объект управления по плохо  формализуемому закону. Например, установление более высокой цены на энергоносители вызывает в деятельности различных организаций сложные изменения, меняют  конечные результаты их функционирования, требуют внесения изменений в производственно-хозяйственный процесс путем воздействий, которые невозможно описать с помощью аналитических выражений.

Нарушение обратных связей в социально-экономических системах по различным причинам ведет к тяжелым последствиям. Отдельные локальные системы утрачивают способность к эволюции и тонкому восприятию намечающихся новых тенденций, перспективному развитию и научно обоснованному прогнозированию своей деятельности на длительный период времени, эффективному приспособлению к постоянно меняющимся условиям внешней среды.

Особенностью социально-экономических систем является то обстоятельство, что не всегда удается четко выразить обратные связи, которые в них, как правило, длинные, проходят через целый ряд промежуточных звеньев, и четкий их просмотр затруднен. Сами управляемые величины нередко не поддаются ясному определению, и трудно установить множество ограничений, накладываемых на параметры управляемых величин. Не всегда известны также действительные причины выхода управляемых переменных за установленные пределы.

Нейтральные связи не относятся к функциональной деятельности системы, непредсказуемы и случайны. Однако нейтральные связи могут сыграть определенную роль при адаптации системы, служить исходным ресурсом для формирования прямых и обратных связей, являться резервом.

Отношения – это характеристика взаимосвязи и (или) взаимодействия элементов, а также их сопоставительные характеристики. Они оценивают свойства элементов и их взаимосвязи, упорядочивают их или устанавливают их меру: например, отношения «больше», «меньше», «эквивалентно», «предпочтительно», «равно», «взаимосвязано» и т.д.

Внешняя среда – часть множества не входящих в систему элементов, которые могут влиять на поведение системы или подвергаться ее влиянию. Что отнести к системе, а что к внешней среде, зависит от целей исследования. Важно, чтобы связи между элементами внутри системы были более сильными, чем связи с элементами внешней среды.

Система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаи­модействия с внешней средой, являясь при этом ведущим компонентом этого воздействия.

В зависимости от воздействия на окружение и характер взаимодействия с другими системами функции систем можно расположить по возрастающему рангу следующим образом:

• пассивное существование;

• материал для других систем;

• обслуживание систем более высокого порядка;

• противостояние другим системам (выживание);

• поглощение других систем (экспансия);

• преобразование других систем и сред (активная роль).

Функционирование любой произвольно выбранной системы состоит в переработке входных (известных) параметров и известных параметров воздействия окружающей среды в значения выходных (неизвестных) параметров с учетом факторов обратной связи.

В связи с этим любая система может быть представлена в следующем виде:

Рис. 1.

Основными частями данной модели являются вход, процесс или операция, и выход. Особый случай представляет собой так называемый «черный ящик» (модель «вход – выход»), когда неизвестен полностью закон функционирования системы, а известны только входные и выходные сообщения).

У любой системы вход состоит из элементов, классифицируемых по их роли в  процессах, протекающих в  системе. Первый элемент входа тот, над которым осуществляется некоторый процесс, или операция. Этот вход есть или будет «нагрузкой» системы (сырье, материалы, энергия, информация и др.). Вторым элементом входа системы является внешняя (окружающая) среда, под которой понимается совокупность факторов и явлений, воздействующих на процессы системы и не поддающихся прямому управлению со стороны ее руководителей. Третий элемент входа обеспечивает размещение и перемещение компонентов системы, например различные инструкции, положения, приказы, то есть задает законы ее организации и функционирования, цели, ограничительные условия и др.

Входы классифицируются также по содержанию: материальные, энергетические, информационные или любая их комбинация.

Вторая часть системы — это операции, процессы или каналы, через которые проходят элементы  входа. Система должна быть устроена таким образом, чтобы необходимые процессы (производственные, подготовки кадров, материально-технического снабжения и др.) воздействовали по определенному закону на каждый вход, в  соответствующее время для достижения желаемого выхода.

Третья часть системы — выход, являющийся продуктом или результатом ее деятельности. Система на своем выходе должна удовлетворять ряду критериев, важнейшие из которых — стабильность и надежность. По выходу судят о степени достижения целей, поставленных перед системой.

Вернемся к задаче, называемой проблемой «черного ящика» (понятие из кибернетики), когда наблюдатель располагает сведениями о входных и выходных сигналах, а надо установить содержание «ящика». Можно отметить достаточно распространенную ситуацию, когда, имея данные о процессе, необходимо получить представление о самой системе. Например, в семейной жизни, наблюдая распад отношений, поневоле задаются вопросом, отчего это происходит. Ответ можно получить путем интерпретации семьи как системы. Тогда, анализируя взаимоотношения всех членов и особо обращая внимание на трансформации, происшедшие внутри и вне системы в момент окончания периода нормальной жизни, можно сделать правильные выводы. Такой подход распространяется и на системы любого класса.

Определение функционирования системы связано с понятием «проблемной ситуации», которая возникает, если имеется различие между необходимым (желаемым) выходом и существующим (реаль­ным) входом.

Проблема (от греч. «задача») — это разница между существующей и желаемой системами. Если этой разницы нет, то нет и проблемы.

Решить проблему — значит скорректировать старую систему или сконструировать новую, желаемую.

Различают проблему развития – неудовлетворительное состояние системы, изменение которого к лучшему является непростым делом, и проблему функционирования – удовлетворительное состояние системы, сохранение которого требует постоянных и непростых усилий (проблема выживания, проблема функционирования городского транспорта).

Хотя решение конкретной проблемы во многом инди­видуально, типов решений немного. Например, Р.Акофф выделяет четыре способа решения сложных проблем:

1) Невмешательство: в расчете на то, что естественный ход событий приведет к разрешению проблемы.

2) Смягчение: вмешательство, снижающее неудовлетворен­ность, ослабляющее остроту проблемы, но не устраняющее ее полностью.

3) Решение: оптимальное вмешательство, т.е. наилучшее в заданных условиях.

4) Растворение: изменение системы и/или окружающей ее среды, приводящее к исчезновению проблемы и не появлению новых проблем.

Проблематика – совокупность проблем, неразрывно связанная с проблемой, подлежащей разрешению.

Проблемная ситуация – такая ситуация, когда неудовлетворительность состояния системы осознанна, но не ясно, что делать для его изменения.

Цель – это одно из ключевых понятий системного анализа, лежащее в основе развития системы и обеспечивающее ее целенаправленность (целесообразность). Цель можно определить как образ несуществующего, но желаемого – с точки зрения задачи или рассматриваемой проблемы – состояния среды, т.е. такого состояния, которое позволяет решать проблему при данных ресурсах. Это – описание, представление некоторого наиболее предпочтительного состояния системы.

Например, основными социально-экономическими целями общества являются:

• высокий рост ВВП;

• низкий уровень инфляции;

• полная занятость населения;

• стабильный уровень цен на товары и услуги;

• экономическая эффективность производства;

• справедливая налоговая политика;

• экономическая свобода производителей и потребителей;

• справедливое распределение ресурсов и благ;

• социально-экономическая обеспеченность и защищенность;

• торговый баланс на рынке.

Примеры систем, реализующих определенные цели, приведем в виде следующей таблицы:

Цель Система

Указать время в нужный момент Часы

Передать изображение и звук на какое-то

расстояние практически мгновенно Телевидение

Обеспечить продвижение больших масс людей

в городе Транспорт

Отметим, что связь цели и системы неоднозначна: различные системы могут быть ориентированы на одну цель; одна система может иметь и часто имеет несколько различных целей.

Основополагающими при анализе и синтезе больших и сложных систем являются процедуры декомпозиции и агрегирования.

Декомпозиция – разделение систем на части, с последующим самостоятельным рассмотрением отдельных частей.

Очевидно, что декомпозиция представляют собой понятие, связанное с моделью, так как сама система не может быть расчленена без нарушений свойств. На уровне моделирования, разрозненные связи заменятся соответственно эквивалентами, либо модели систем строится так, что разложение её на отдельные части при этом оказывается естественным.

Применительно к большим и сложным системам декомпозиция является мощным инструментом исследования.

Агрегирование является понятием, противоположным декомпозиции. В процессе исследования возникает необходимость объединения элементов системы с целью рассмотреть её с более общих позиций.