Лекція 1 Поняття теорії систем

Теорія систем – цей термін був використаний біологом-теоретиком і філософом Людвігом фон Берталанфі в лекціях прочитаних в 1937-1938р. в Чиказькому університеті, а перші публікації на цю тему були зроблені у 1947-1950р.

Кібернетика Норберта Вінера. У 1948р. виходить знаменита книга Н. Вінера «Кібернетика», в якій проголошується єдність принципів управління в біологічних і технічних системах, а пізніше - і в соціальних (в даний час кібернетику частіше кваліфікують як частина теорії систем). Щоб зрозуміти комплексність системних досліджень, звернемося до спогадів Н. Вінера, в яких він вказує, що так чи інакше йому знадобилися роботі математика, математична логіка, статистика, біологія, медицина, фізіологія, нейрофізіологія, психологія, соціологія, теорія зв'язку, теоретична електротехніка і електроніка.

Потреби практики і розвиток ТС привели до виникнення галузі науки, що займається розробкою методів прийняття рішень в задачах організації управління. Ця галузь науки називається дослідження операцій.

Поступово різноманітні види системної теорії інтегруються в системологію, яка включає в себе загальну теорію систем, галузеві і спеціальні теорії систем, системотехніку.

Дослідження операцій – це оптимальний розвиток динамічних процесів, розв’язання задач з оптимізації потоків (переведення маршрутів і т.д.) задачі нелінійного програмування та інші основні методи оптимізації.

Ці системи працюють з матеріалами і працюють з людьми.

1. Загальна теорія систем інтегрує найбільш узагальнене знання про системи. Вона знаходиться під впливом двох наук: філософії, яка дає їй обґрунтування категоріального апарату, методи і прийоми пізнання, якісне бачення систем, і математики, що забезпечує кількісний аналіз систем. Велику роль у розвитку загальної теорії систем відіграють логіка, теорія множин, кібернетика та інші науки.

2. Галузеві теорії систем розкривають специфіку систем різної природи. Йдеться про теорію фізичних, хімічних, біологічних, економічних, соціальних систем, які керуються відповідними галузями наук.

3. Спеціальні теорії систем спрямовані на відображення їх окремих сторін, аспектів, зрізів, етапів. Вони перебувають під впливом відповідних теорій. Наприклад, теорія дисипативних систем, теорія перехідних систем, теорія еволюції систем і т.п.

4. Системотехніка (прикладна інженерна дисципліна) знаходиться під впливом техніки, моделювання, проектування і конструювання, тобто технічної, біологічної, інформаційної та соціальної інженерії.

1980р. сформувалося поняття системного відбору, яке під впливом прикладного розвитку сформувало напрямок системного аналізу.

Сам термін «системний аналіз» вперше з'явився в роботах корпорації RAND в 1948 р. Першою розробкою, яка була представлена як «система», стало проектування бомбардувальника В-58, що почалося в 1952 р.

Системний аналіз – це область діяльності, що направлена на виявлення причин складностей, які виникли перед вирішенням проблеми і на опрацювання варіантів їх усунення. Таким чином, задача системного аналізу полягає не лише в розумінні функціонування систем (власне аналіз), а є задачами більш високого рівня, тобто проектування потрібної системи, її створення та управління нею.

В наш час системний аналіз являє собою слабку сукупність прийомів і методів формального і неформального характеру. Не встигнувши сформуватися в повноцінну наукову дисципліну, системний аналіз змушений існувати і розвиватися в умовах, коли суспільство починає відчувати потреби у застосуванні ще недостатньо розроблених і апробованих методів і результатів і не в змозі відкласти рішення зв’язаних з ними завдань на завтра. У цьому джерело як сили, так і слабкості системного аналізу: сили – тому, що він постійно відчуває вплив потреби практики, змушений безперервно розширювати коло об'єктів дослідження і не має можливості абстрагуватися від реальних потреб суспільства; слабкості – в тому, що нерідко застосування «сирих», недостатньо опрацьованих методів системних досліджень веде до прийняття необдуманих рішень, нехтування реальними труднощами.

Області застосування системного аналізу великі: від техніки до економіки, від математики до соціального планування, від космічних досліджень до процесів.

Для організаційно-технічних систем, до яких, очевидно, відносяться і системи зв’язку, вводять також і особу, що приймає рішення (ОПР). Такі організаційно-технічні системи називають ергатичними, а управління – ситуаційним.

Слід відзначити, що елементами системи можуть бути об’єкти не тільки матеріальні, але й чисто абстрактні. Наприклад, елементами системи можуть виступати відносини або зв’язки між певними об’єктами. Разом з тим, один і той же об’єкт на різних етапах може розглядатися в різних аспектах. Так, в одних випадках він може виступати в ролі системи (наприклад, радіостанція, що складається з елементів: окремих приладів і блоків), в інших – цей же об’єкт може розглядатися як елемент більш загальної системи – метасистеми (наприклад, та ж радіостанція є елементом системи зв’язку). З іншого боку, кожен блок може, в свою чергу, розглядатися як система, що складається з елементів – радіодеталей, які взаємопов’язані між собою.

У ряді випадків виникає необхідність в проведенні системного розгляду і аналізу не від елементів до цілісної системи, а в зворотному напрямку, коли саму систему треба розчленувати на елементи. Такий підхід буває потрібним при вивченні системи, при інтерпретації її структури відповідно до відносин між отриманими в результаті розгляду елементами. Явно виділених елементів у системі може не виявитися, тому для вирішення невизначеності, яка при цьому виникає, від дослідника вимагається певний творчий підхід. Очевидно, і надалі не можна розраховувати на розробку загального алгоритму розчленування системи на елементи. Різні дослідники розглядають одну і ту ж систему не однаково. Так, кінь як цілісна система сприймається біологом, жокеєм, митцем, ветеринаром, кухарем тощо з різних точок зору. Проте як цілісна система вона відповідає уявленням усіх цих людей.

Можна також стверджувати і те, що не тільки штучна, але і складна природна система не вичерпується кінцевим набором уявлень. Таким чином, рівень розгляду системності може бути різноманітним. Про нього необхідно заздалегідь домовитися для того, щоб при аналізі об’єкта або синтезі його моделі взаємодіючі між собою особи (які в свою чергу утворять деяку систему) могли б розуміти один одного. В сучасних телекомунікаційних системах термін «система» є сама система зв’язку відповідної ланки управління (глобальна (WAN), державна, обласна, міська (MAN), районна (кампусна), локальна (LAN)), а всі лінії і засоби зв’язку – її елементи. Це узвичаєний макропідхід до вивчення систем зв’язку. Разом з тим у теорії зв’язку можливий і мікропідхід, при ньому в якості системи розглядається окремий пристрій або вузол, що складається з елементів – радіодеталей, які знаходяться у взаємодії. Часто виділяється і мезопідхід на рівні взаємодіючих засобів і комплексів зв’язку. Таким чином, системний підхід при розгляді структури, процесів і явищ стосовно зв’язку достатньо широко використовується на практиці.

На практиці часто явище, процес чи систему змушені розглядати окремо від оточення. Відособлюючи, виділяючи якусь систему з навколишнього середовища, спрощують ситуацію, бо в світі всі об’єкти, явища або процеси якоюсь мірою взаємопов’язані. Однак саме така абстракція допомагає пізнати світ, бо вивчення цілого за його складовими частинами є одним з основних способів пізнання. Часто при вивченні системи виникає необхідність розгляду її у взаємодії з іншими системами або з навколишнім середовищем.

Очевидно, найбільш загальним аналітичним є визначення системи дане Месаровичем: системою називається відображення на не порожніх (абстрактних) множинах

, (1.1)

де – символ прямого (декартового) добутку; – елемент системи з індексом ; – множина індексів.

Для скінченої множини елементів відображення (1.1) можна переписати у вигляді

(1.2)

Виходячи з (1.2), стає очевидним визначення системи як множини елементів , що знаходяться у взаємодії один з одним.

Розрізняють відкриті та замкнуті (автономні системи). Відкритими називають системи, що пов’язані з навколишнім середовищем вхідними і вихідними каналами. Замкнуті таких каналів не мають. Очевидно, системи зв’язку є відкритими системами, бо в них надходить інформація ззовні і з них виводиться інформація до навколишнього середовища. Ці системи можна спостерігати і на них можуть мати впливи (інші системи) з зовнішнього середовища. В відкритих системах може мати місце небажаний витік інформації, а також заважаючі впливи з боку інших радіоелектронних систем, що спричиняє проблему електромагнітної сумісності (ЕМС). Для відкритих систем, що мають входи, через які можуть надходити впливи, і виходи, на яких можуть спостерігатися реакції на ці впливи, можна дати більш конкретне визначення:

(1.3)

Таку систему (1.3) називають системою «вхід-вихід» або «чорною шухлядою». Останнє пов’язане з тим, що дослідниками у визначенні (1.3) може не конкретизуватися внутрішня структура системи, а їх цікавить лише реакція на виході такої «чорної шухляди» на вплив, що надходить на його вхід. Така абстракція доречна в загальній теорії систем і при моделюванні цих систем, оскільки тут предметом вивчення є властивості, що спостерігаються, і їх взаємозв’язки, а не те, що вони (ці властивості та явища) насправді являють собою (тобто в даному випадку виконується теза Л. фон Берталанфі).

Такий системний підхід дає змогу застосувати відомі абстрактні методи аналізу і синтезу систем, а при переході до конкретної сутності елементів і їх взаємозв’язків більш повно зрозуміти та пізнати всі особливості системи.

Доцільно більш докладно зупинитися на визначенні елемента системи. Під елементами прийнято розуміти найпростішу неподільну частину системи. Неподільність в даному випадку умовна, оскільки при бажанні це ділення можна необмежено здійснювати аж до мікросвіту. Однак неподільність тут означає, що подальше ділення не доцільне (напр., до кристалічної або атомарної структури), бо руйнує властивості елемента або не дає додаткової інформації при вивченні конкретних властивостей і структури системи, що підлягає розгляду. Елементи можуть бути більш-менш однорідні, як наприклад опорні вузли зв’язку, або неоднорідні, змішані, як, наприклад, це елементи гібридних телекомунікаційних систем, вузли зв’язку різноманітних первинних мереж, мережні елементи.

Елементи системи можуть знаходитися в різній взаємозалежності. Якщо вони один від одного незалежні, то їх спільна (взаємна) невизначеність, що характеризується ентропією, є сумою окремих невизначеностей:

(1.4)

де – невизначеність одного елемента системи. Загальна невизначеність системи з незалежних елементів

(1.5)

Якщо ж елементи і залежні, то

(1.6)

де – умовна ентропія.

Очевидно, що , тобто взаємна невизначеність залежних елементів є меншою, порівняно з незалежними. Отже, і невизначеність цілісної системи з залежними елементами є меншою, ніж з незалежними. Іншими словами, за наявності взаємозв’язку між елементами система стає більш організованою, з більш упорядкованими відношеннями.