2. Второй этап морфологического описания.

Следующей частью морфологического описания является характеристика вида отношений между подсистемами внутри системы и между всей системой и средой. Различают внешние подсистемы — те, которые взаимодействуют с внешней средой и другими подсистемами и внутренние подсистемы — те, которые взаимодействуют только с другими подсистемами. Внешние подсистемы в смысле взаимодействия со средой могут быть входными, выходными и смешанными. Внутренние подсистемы обычно являются смешанными или изолированными. Изучение отношений между подсистемами происходит в процессе композиции или декомпозиции системы.

Известны следующие виды отношений:

• подобие или отношение сходства, совпадения существенных свойств разных систем, (Например, человеческий организм и робототехническая система);

• аналогия, характеризующая соответствие, проявляющееся в некоторых их существенных признаках, свойствах, структурах, функциях, систем; (Например, человеческий организм и подопытные животные у медиков);

• гомоморфизм, при котором каждую часть (и отношение) в системе S₁; можно отобразить на некоторую часть системы S₂,; это отношение подобия систем в каком-либо структурном или функциональном аспекте; (Например, самолет и птица);

• изоморфизм, когда каждой части (и отношению) в системе S₁ можно поставить в соответствие некоторую часть (и отношение) системы S₂,; это отношение тождества систем в каком-либо структурном или функциональном аспекте; (Например, карта местности и местность);

• связь, при которой определенные выходы системы (или подсистемы) S₁ одновременно являются входами какого-либо элемента (подсистемы) системы S₂.

Первые четыре отношения используются в системных исследованиях при сопоставлении систем разного типа с целью выявления общих принципов их организации. Для характеристики конкретной системы больше подходит анализ связей, с помощью которых соединяются элементы в системе и система с внешней средой.

Связи оценивают по содержанию как информационные, энергетические, вещественные и смешанные и по их направленности как прямые, обратные и нейтральные. Качество связи между элементами можно оценить пропускной способностью и надежностью каналов связи. Пропускная способность канала связи определяется как максимальный объем вещества, энергии или информации, который может пропустить канал связи за единицу времени. Надежность связи зависит от величины и вероятности ошибок преобразования и передачи вещества, энергии или информации.

Особо выделим прямые и обратные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью выполнения функций элементами, приводящей к достижению целевой функции системы. Обратные связи, в основном, выполняют контролирующую функцию для обеспечения качества управления процессами; их направленность противоположна направлению выполнения функции. Наиболее распространены информационные обратные связи. Наличие подобных связей характерно для адаптивных систем, способных приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям или целенаправленно изменять эти условия.

Морфологическое описание системы требует задания свойств ее подсистем и взаимодействия между ними. Чем глубже описание взаимодействия в системе, тем проще описание подсистем, вплоть до элементов.

Существуют различные подходы к определению понятия «структура». Например, структурой называется множество всех возможных отношений между подсистемами и элементами внутри системы. Формирование структуры предполагает декомпозицию системы по различным признакам. Основным фактором при этом является задание структурных отношений. Если структурные отношения и состав подсистем (элементов) заданы, систему можно построить при помощи композиции (объединения). Для осуществления композиции необходимо, чтобы уровень и подробность описания отношений и подсистем (элементов) взаимно соответствовали. Аналогично для декомпозиции необходимо, чтобы способ членения и способ определения отношений взаимно соответствовали.

С другой стороны, анализ понятия структуры объекта может начинаться, например, с понятия системы. Если известна система, то структура предстает как некоторый аспект системы, а именно как единство ее инвариантных свойств. Структура отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство (строение).

Собственно структурный анализ системы начинается с выявления определенного состава системы, с детального исследования элементов, с открытия их неделимости в определенном отношении. Это отношение при дальнейшем анализе рассматриваемой системы предстает как структурное отношение. Структурные отношения важны в связи с тем, что они характеризуют устойчивость системы, выявляя тем самым еще один ее структурный инвариант. Наконец, целостные свойства системы дают в некотором отношении итог исследования, т.к. они выявляются результате изучения структуры объекта. Структура, таким образом, есть устойчивое единство элементов, их отношений и целостности системы

Заметим, что в сложных системах структура включает не все элементы и связи, между, а лишь наиболее существенные компоненты и связи, которые мало меняются при текущем функционировании системы и обеспечивают существование 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 системы к другой, перенося закономерности, выявленные и отраженные в структуре одной из них, на другие. При этом системы могут иметь различную физическую природу.

Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания объектов или процессов, от аспекта их рассмотрения, цели создания. При этом по мере развития исследований или в ходе проектирования структура системы может изменяться.

Любая система имеет внутренние состояния, внутренний механизм преобразования входных сигналов, данных в выходные (внутреннее описание) и внешние проявления (внешнее описание). Внутреннее описание даёт информацию о поведении системы, о соответствии (несоответствии) внутренней структуры системы целям, подсистемам (элементам) и ресурсам в системе, внешнее описание — о взаимоотношениях с другими системами, с целями и ресурсами других систем. Внутреннее описание системы определяет внешнее описание.

Пример. Физиологическая система "Организм человека" состоит из подсистем "Кровообращение", "Дыхание", "Зрение" и др. Функциональная система "Кровообращение" состоит из подсистем "Сосуды", "Кровь", "Артерия" и др. Физико-химическая система "Кровь" состоит из подсистем "Лейкоциты", "Тромбоциты" и др. и так далее до уровня элементарных частиц.

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 моделирования систем. Для описания структур применяются графы. Важной особенностью структурного графа является число возможных путей, по которым можно пройти от одной вершины к другой. Чем больше таких путей, тем совершеннее структура, но тем она избыточнее. Избыточность обеспечивает надежность структуры. (Характерно, например, что разрушение 90% нервных связей головного мозга субъективно не ощущается и не влияет на поведение). Может существовать и бесполезная избыточность, которая в структурном графе изображается в виде петель: одна из позиций через серию связей и других позиций (дуг и вершин) замыкается на себя, не имея побочного выхода. Наличие петель означает нерациональное расходование ресурсов. Обследование большого числа структур различных систем показало, что наличие петель не такое редкое явление, как может показаться на первый взгляд. Обычно петли могут изыматься из структуры без всякого ущерба для ее функциональных и информационных свойств, это наиболее безболезненное «сокращение штата». Множество подсистем, входящих в петлю, образует изолированную подсистему.

Структуры систем бывают разного типа, разной топологии (или же пространственной структуры). Структура может быть простой или сложной в зависимости от числа и типа взаимосвязей между частями системы. В сложных системах должна существовать иерархия, т.е. упорядочение уровней подсистем, частей и элементов. От типа и упорядоченности взаимоотношений между компонентами системы в значительной степени зависят функции систем и эффективность их выполнения.

Таким образом, под структурой понимается множество всевозможных отношений между элементами внутри данной системы; она характеризует внутреннюю организацию, порядок и построение системы и определяется набором элементов, а также отношений между ними. Один и тот же объект может быть включен в несколько систем и, следовательно, определяет несколько структур, выполняя при этом в общем случае разные функции. Но один и тот же объект может быть определен несколькими структурами.

С труктурные свойства систем определяются характером и устойчивостью отношений между элементами. По характеру отношений можно выделить иерархические (многоуровневые), многосвязные и смешанные структуры (рис 1).

Рис.1

Для иерархических структур характерно наличие управляющих (командных) элементов. 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. Избыточность структуры свидетельствует о нецелесообразном расходе ресурсов, расточительности, которая оправдана только в том случае, если целью являются дальнейшее развитие системы, ее морфологическая перспектива.

Иерархические структуры (рис. 1.а) представляют собой декомпозицию системы в пространстве. Все компоненты (вершины, узлы) и связи (дуги, соединения узлов) существуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени). Такие структуры могут иметь не два (как для простоты показано на рис. 1а), а большее число уровней декомпозиции (структуризации).

Наибольшее распространение имеют древовидные, иерархические структуры, с помощью которых представляются конструкции сложных технических изделий и комплексов, структуры классификаторов и словарей, структуры целей и функций, производственные структуры, организационные структуры предприятий.

Сетевая структура или сеть (рис. 1б) представляет собой декомпозицию системы во времени.

Такие структуры могут отображать порядок действия технической системы (телефонная сеть, электрическая сеть и т. п.), этапы деятельности человека (при производстве продукции - сетевой график, при проектировании — сетевая модель, при планировании — сетевой план и т. д.).

Элементы сети могут быть расположены последовательно и параллельно. Сети бывают разные. Наиболее распространены и удобны для анализа однонаправленные сети, но могут быть и сети с обратными связями, с циклами.

Для анализа сложных сетей существует математический аппарат теории графов, прикладная теория сетевого планирования и управления.

Для наглядного представления устройства систем на практике нашли применение различные способы отображения, из которых наибольшее распространение получили блок-схема (варианты: структурная схема или функциональная схема) и граф системы (рис. 2).

Рис.2

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 элементом этой системы. Некоторые из элементов могут иметь входы или выходы для связи с внешней Средой. 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.

Устойчивость межэлементных отношений характеризует стабильность расположения элементов в пространстве. Наиболее устойчивы детерминированные структуры, т. е. такие, в которых отношения либо неизменны, либо изменяются по не которому 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, геометрических свойствах. Различают точечную, линейную, плоскую, объемную и смешанную конфигурации.