3. Классификация систем

Классификацией называется разбиение на классы по наиболее существенным признакам. Под классом понимается совокупность объектов, обладающие некоторыми признаками общности. Признак (или совокупность признаков) является основанием (критерием) классификации.

Системы разделяют на классы по различным признакам, и в зависимости от решаемой задачи следует выбирать разные критерии классификации.

Наиболее содержательной классификацией является деление систем по типам элементов на материальные и абстрактные системы. В свою очередь материальные системы, как целостные совокупности материальных объектов, подразделяются на системы неорганической природы (физические, геологические, химические и др.) и живые системы (простейшие биологические системы, организмы, популяции, виды, экосистемы и др.). К первому виду материальных систем можно отнести, например, производственные, энергетические, информационные, транспортные и финансовые системы. Последняя система, регулируя финансовые потоки в их денежном выражении или в атрибутивной форме в приведенных выше технологических сферах, является одновременно показателем эффективности происходящих процессов.

Особое место в классе живых материальных систем занимают социальные системы, чрезвычайно многообразные по своим типам и формам (начиная от простейших социальных объединений и вплоть до социально-экономической структуры общества). Подробное описание социальных систем, а также так называемых аутопойетических систем см. в разделе 6.1.

К абстрактным системам относятся продукты человеческого мышления: понятия, гипотезы, теории, научные знания о системах, лингвистические (языковые) системы, а также формализованные, логические системы. Среди этих систем можно выделить: системы наук, одной из задач которых является накопление объективных знаний о мире, природе, обществе, человеке и мышлении; философские и религиозные системы, занимающиеся вопросами мироустройства, в частности взаимоотношений материи и сознания, мышления и бытия, и системы искусств, как отражение действительности в художественных образах.

Практикуется также следующая классификация по происхождению системы (элементов, связей, подсистем) :

• искусственные (орудия, механизмы, машины, автоматы, роботы и т.д.);

• естественные (живые, неживые, экологические, социальные и т.д.);

• виртуальные (воображаемые и, хотя реально не существующие, но функционирующие так же, как и в случае, если бы они существовали);

• смешанные (экономические, биотехнические, организационные и т.д.).

По состоянию системы во временном пространстве можно рассмотреть статичные и динамичные системы. Для статичной системы характерно, что ее состояние с течением времени остается постоянным (например, газ в ограниченном объеме находится в состоянии равновесия). В отличие от статичной системы динамичная система изменяет свое состояние во времени (например, любой живой организм).

По характеру взаимоотношений системы и среды системы можно классифицировать на закрытые и открытые системы.

Система называется закрытой, если в нее не поступает и из нее не выделяется вещество, происходит лишь обмен энергией. В открытой системе постоянно происходит ввод и вывод не только энергии, но и вещества. Характерная особенность открытой системы – достаточно тесная связь, сращенность со средой, что особенно наглядно наблюдается, например, в биологических, экологических, политических, экономических, социально-культурных системах.

Искусственные технологические объекты, построенные руками человека, не обладают, вообще говоря, свойством открытости, т.к. одна из целей построения таких систем – это предотвращение возможности воздействия среды на систему.

В деловом мире закрытые системы практически отсутствуют и считается, что окружающая среда является главным фактором успехов и неудач деятельности различных организаций. Реалии окружающего мира заставили исследователей и практиков прийти к выводу, что любая попытка понять социально-экономическую систему, рассматривая ее закрытой, обречена на провал.

В зависимости от структуры и пространственно-временных свойств системы делятся на простые, сложные и большие.

Простые – это системы, не имеющие разветвлённых структур, состоящие из небольшого количества взаимосвязей и небольшого количества элементов. Такие элементы служат для выполнения простейших функций, в них нельзя выделить иерархические уровни. Отличительной особенностью простых систем является детерминированность (четкая определенность) номенклатуры, числа элементов и связей как внутри системы, так и со средой.

Сложные системы характеризуются большим числом элементов и внутренних связей, их неоднородностью и разнокачественностью, структурным разнообразием, выполняют сложную функцию или ряд функций. Компоненты сложных систем могут рассматриваться как подсистемы, каждая из которых может быть детализирована ещё более простыми подсистемами и т.д. до тех пор, пока не будет получен элемент.

Сложными системами являются, например, клетка биологического образования; мозг человека, если его исследовать с точки зрения выполняемых человеком интеллектуальных действий; экономика, рассматриваемая на макроуровне (т.е макроэкономика); человеческое общество; современный компьютер и т.д.

В сложных системах результат функционирования не может быть задан заранее, даже с некоторой вероятностной оценкой адекватности. Причины такой неопределенности – как внешние, так и внутренние, как в структуре, так и в описании функционирования, эволюции. Сложность этих систем обусловлена их сложным поведением. Сложность системы может определяться не только большим количеством подсистем и сложной структурой, но и сложностью поведения.

Система называется большой, если ее исследование затруднено без разбиения на более простые подсистемы. Какую же размерность системы нужно считать большой? Об этом можно судить только для конкретной проблемы (системы), конкретной цели исследуемой проблемы и конкретных ресурсов.

По типу системообразующих факторов системы можно подразделять на следующие классы:

• структурированные системы, имеющие явно выделенную структуру, и плохо или слабо структурированные системы, у которых отношения между элементами нечеткие, нестрогие со случайными связями. В последние годы различают также самоорганизующиеся системы (см. раздел 2.2.);

• целенаправленные (целеустремленные) и программные (жесткие) системы;

• управляемые, т. е. способные изменять свое состояние под некоторым целенаправленным воздействием, и неуправляемые, т. е. не реагирующие на воздействия, системы. Управляемая система должна удовлетворять следующим требованиям: наличие причинно-следственных связей между элементами и подсистемами; динамичность элементов и подсистем; наличие у элементов и подсистем таких параметров, воздействием на которые можно изменять ход процессов в самой системе (см. также классификацию по способу управления системой);

• функционально-полные, содержащие достаточный набор элементов и функций для достижения цели, и функционально-незавершенные, т. е. требующие доработки, системы;

• прогрессирующие (развивающиеся), регрессирующие (угасающие, распадающиеся) и стабильные, т. е. не способные к развитию или не изменяющиеся в течение длительного времени, системы.

По описанию переменных системы различают следующие системы:

• с качественными переменными (имеющие лишь содержательное описание);

• с количественными переменными (имеющие дискретно или непрерывно описываемые количественным образом переменные);

• смешанного (количественно-качественное) описания.

По типу описания закона (законов) функционирования системы можно рассмотреть такие системы:

• типа "черный ящик" (неизвестен полностью закон функционирования системы; известны только входные и выходные сообщения);

• не параметризованные (закон не описан; описываем с помощью хотя бы неизвестных параметров; известны лишь некоторые априорные свойства закона);

• параметризованные (закон известен с точностью до параметров и его возможно отнести к некоторому классу зависимостей);

• типа "белый (прозрачный) ящик" (полностью известен закон).

Интересна классификация систем по способу управления системой (в системе):

• управляемые извне системы (без обратной связи, регулируемые, управляемые структурно, информационно или функционально);

• управляемые изнутри (самоуправляемые или саморегулируемые - программно управляемые, регулируемые автоматически, адаптируемые - приспосабливаемые с помощью управляемых изменений состояний, и самоорганизующиеся – изменяющие во времени и в пространстве свою структуру наиболее оптимально, упорядочивающие свою структуру под воздействием внутренних и внешних факторов);

• с комбинированным управлением (автоматические, полуавтоматические, автоматизированные, организационные).

Пример. Рассмотрим экологическую систему "Озеро". Это открытая, естественного происхождения система, переменные которой можно описывать смешанным образом (количественно и качественно, в частности, температура водоема – количественно описываемая характеристика), структуру обитателей озера можно описать и качественно, и количественно, а красоту озера можно описать качественно. По типу описания закона функционирования системы, эту систему можно отнести к не параметризованным в целом, хотя возможно выделение подсистем различного типа, в частности, различного описания подсистемы "Водоросли", "Рыбы", "Впадающий ручей", "Вытекающий ручей", "Дно", "Берег" и др. Система "Компьютер" – открытая, искусственного происхождения, смешанного описания, параметризованная, управляемая извне (программно). Система "Логический диск" – открытая, виртуальная, количественного описания, типа "белый ящик" (при этом содержимое диска в эту систему не включается), смешанного управления. Система "Фирма" – открытая, смешанного происхождения (организационная) и описания, управляемая изнутри (адаптируемая, в частности) система.

Реальность отнюдь  не является  ареной, на которой господствует порядок, стабильность и равновесие: главенствующую роль в окружающем нас мире играет неустойчивость и неравновесность.  С этой точки зрения системы можно классифицировать на равновесные, слабо равновесные и сильно неравновесные. Для социально-экономических систем состояние равновесия может наблюдаться на относительно коротком промежутке времени.  Для слабо равновесных  систем  небольшие изменения внешней среды дают возможность системе в новых условиях достичь состояния нового равновесия. Сильно неравновесные системы, которые весьма чувствительны к внешним воздействиям, под влиянием внешних сигналов, даже  небольших по величине, могут перестраиваться  непредсказуемым образом.

По целевым признакам различают: одноцелевые системы, то есть предназначенные для решения одной единственной целевой задачи и многоцелевые. Кроме того, можно  выделить функциональные системы, обеспечивающие решение или рассмотрение отдельной стороны или аспекта задачи (планирование, снабжение и т. п.).

Систему можно разделить на виды по признакам структуры их построения и значимости той роли, которую играют в них отдельные составные части в сравнение с ролями других частей.

В некоторых системах одной из частей может принадлежать доминирующая роль. Такой компонент будет выступать как центральный, определяющий функционирование всей системы. Данные системы называют централизованными.

В других системах все составляющие их компоненты примерно одинаково значимы. Структурно они расположены не вокруг некоторого централизованного компонента, а взаимосвязаны последовательно или параллельно и имеют примерно одинаковые значения для функционирования системы. Это децентрализованные системы.

Системы можно классифицировать по назначению: производящие, управляющие, обслуживающие.

В производящих системах реализуются процессы получения некоторых продуктов или услуг. Они в свою очередь делятся на вещественно-энергетические, в которых осуществляется преобразование природной среды или сырья в конечный продукт вещественной или энергетической природы, либо транспортирование такого рода продуктов; и информационные – для сбора, передачи и преобразования информации и предоставление информационных услуг.

Назначение управляющих систем – организация и управление вещественно-энергетическими и информационными процессами.

Обслуживающие системы занимаются поддержкой заданных пределов работоспособности производящих и управляющих систем.

В последнее время, в основном в экономических областях, стали различать так называемые жесткие и мягкие системы.

Жесткие системы – это системы, описываемые средствами математического моделирования. Жесткие системы обладают свойствами воспроизводимости, верифицируемости своих свойств и жесткой детерминированности со стороны внешней среды. Они описываются различными количественными показателями, имеющими общезначимый характер. Размеры инвестиций, процентных ставок, заработной платы, обнаруживающие во взаимодействии друг с другом некоторые количественные пропорции и зависимости, подчас служат индикаторами, позволяющими консультантам делать выводы о качестве таких систем и перспективах развития.

Мягкие системы – это системы, описываемые на основе качественных критериев, то есть системы, которые нельзя выразить математически: системы сравнивания товаров на полезность, субъективная привлекательность и т.д. Теория мягких систем Чекленда (по имени разработчика данной теории английского ученого П. Чекленда) охватывает круг сложноорганизованных объектов, связывающих системы различных структурных уровней, а следовательно, не имеющих жесткой привязанности к реальному миру.

Таким образом, если исследование жестких систем обычно опирается на категории: "проектирование", "оптимизация", "реализация", "функция цели" и другие, то для мягких систем используются чаще категории: "возможность", "желательность", "адаптируемость", "здравый смысл", "рациональность" и другие. Методы также различны: для жестких систем – методы оптимизации, теория вероятностей и математическая статистика, теория игр и другие; для мягких систем – многокритериальная оптимизация и принятие решений (часто в условиях неопределенности), метод Дельфи, теория катастроф, нечеткая логика, эвристическое программирование и др.

Следует особо выделить организационные системы. Как известно, любой системе присуща организация ее подсистем или элементов, без которой она теряет свою целостность. Упорядочивание элементов и их связей, т.е. организация, характерна для любой системы, так как она составляет несущее, системообразующее начало для этого понятия. Но в искусственных системах следует выделять специфичные образования, в которых организация является сутью, назначением системы, хотя элементы системы материальны, они обмениваются информационными или вещественными продуктами. Назначение такой системы состоит в поддержании определенного порядка, сохранение некоторой определенной структуры, которая, разумеется, в процессе развития может трансформироваться, но цель - сохранение – останется без изменений. К такого рода конструкциям следует, в первую очередь, отнести государственную систему, затем различные движения и партии, аналогично можно классифицировать правовую систему и другие структуры (в том числе – вооруженные силы), обеспечивающие сохранение государства как целостности.

Системы, для которых состояние системы однозначно определяется начальными значениями и может быть предсказано для любого последующего момента времени, называются детерминированными.

Стохастические системы – это системы, изменения в которых носят случайный характер. При случайных воздействиях данных о состоянии системы недостаточно для предсказания в последующий момент времени.

И, наконец, приведем классификацию систем по степени организованности: хорошо организованные, плохо организованные (диффузные).

Представить анализируемый объект или процесс в виде хорошо организованной системы означает определить элементы системы, их взаимосвязь, правила объединения в более крупные компоненты. Проблемная ситуация может быть описана в виде математического выражения. Решение задачи при представлении ее в виде хорошо организованной системы осуществляется аналитическими методами формализованного представления системы.

Примеры хорошо организованных систем: солнечная система, описывающая наиболее существенные закономерности движения планет вокруг Солнца; отображение атома в виде планетарной системы, состоящей из ядра и электронов; описание работы сложного электронного устройства с помощью системы уравнений, учитывающей особенности условий его работы (наличие шумов, нестабильности источников питания и т. п.).

Описание объекта в виде хорошо организованной системы применяется в тех случаях, когда можно предложить детерминированное описание и экспериментально доказать правомерность его применения, адекватность модели реальному процессу. Попытки применить класс хорошо организованных систем для представления сложных многокомпонентных объектов или многокритериальных задач плохо удаются: они требуют недопустимо больших затрат времени, практически нереализуемы и неадекватны применяемым моделям.

При представлении объекта в виде плохо организованной или диффузной системы не ставится задача определить все учитываемые компоненты, их свойства и связи между ними и целями системы. Система характеризуется некоторым набором макропараметров и закономерностями, которые находятся на основе исследования не всего объекта или класса явлений, а на основе определенной с помощью некоторых правил выборки компонентов, характеризующих исследуемый объект или процесс. На основе такого выборочного исследования получают характеристики или закономерности (статистические, экономические) и распространяют их на всю систему в целом. При этом делаются соответствующие оговорки. Например, при получении статистических закономерностей их распространяют на поведение всей системы с некоторой доверительной вероятностью.

Подход к отображению объектов в виде диффузных систем широко применяется при описании систем массового обслуживания, определении численности штатов на предприятиях и учреждениях, исследовании документальных потоков информации в системах управления и т. д.

Перейдем теперь к классификации свойств системы и их характеристике. Попытки выделения свойств системы с различной степенью полноты предприняты во многих монографиях, учебниках и учебных пособиях, но наиболее цельно эта работа проведена Р.А. Фатхутдиновым [26].

Свойства систем можно разделить на четыре группы (таблица 1.1), характеризующие:

1. сущность и сложность системы;

2. связь системы с внешней средой;

3. методологию целеполагания системы;

4. параметры функционирования и развития системы.

Таблица 1.1