2. Функциональное описание

Функциональное описание позволяет понять назначение системы и ее функции, получить представление о характере ее поведения. Функциональное описание исходит из целевых функций (одной или нескольких) системы. К простейшим функциям относятся, например, следующие:

• пассивное существование;

• материал для других систем;

• обслуживание систем более высокого порядка;

• противостояние другим системам;

• преобразование других систем и внешней Среды и т. д.

Для сложных систем формулировка единой «глобальной» целевой функции представляет сложную неоднозначную задачу; ее достижение зависит от одновременного выполнения нескольких частных, взаимосвязанных, а иногда и взаимоисключающих, функций. Например, для живых систем глобальной функцией является функция «обеспечение жизнедеятельности», достижение которой возможно при качественном выполнении процессов жизнедеятельности всех органов и физиологических систем организма в соответствующих условиях внешней Среды. На выполнение частных и глобальной функций могут влиять внешние и внутренние противодействующие факторы, на которые система обязана реагировать, чтобы выжить. Однако функции системы выполняются до тех пор, пока ее характеристические параметры и параметры внешней Среды изменяются в определенных пределах, вне которых система разрушается или существенно меняет свои свойства.

Последовательность действий при выполнении системой некоторой функции отражает содержание закона поведения. Оно зависит от процессов, протекающих внутри системы (т. е. законов внутреннего функционирования), и от процессов, в которые вовлечена вся система в рамках метасистемы (т. е. от законов внешнего функционирования). Закон поведения отражает связь реакции (ответа, действия) системы на воздействие (стимул, раздражение). В общем случае возможно несколько одновременных воздействий, а общая реакция системы может быть выражена в совокупности поведенческих актов. Поэтому эта связь выражается системой нелинейных уравнений вида:

,

где — выходной сигнал на j-м выходе системы; j = 1, т; — входные сигналы; — характеристические параметры системы; — функционал, связывающий сигнал на j-м выходе с входными сигналами и определяющими параметрами.

Функциональное описание всей системы включает в себя описание внешних функций, процессов и характеристических параметров, которые определяют законы внешнего функционирования, отражающие поведение системы во внешней Среде, и эффективность выполнения своих функций.

Под функционированием подразумевают процессы, которые происходят в системе (и окружающей среде), стабильно реализующие фиксированную цель. Развитием называют изменения, происходящие в системе, при изменении ее целей. Характерной чертой развития является тот факт, что существующая структура перестает соответствовать новой цели. Для обеспечения новой цели приходится менять структуру, а иногда и состав системы. Не следует считать что, система находится либо в фазе функционирования, либо в стадии развития. Даже при перестройке старой системы отдельные ее подсистемы могут функционировать в составе новой по-прежнему. Существуют системы, для функционирования которых какие-то ее подсистемы должны быть постоянно в развитии.

Эффективность представляет собой некоторый интегральный показатель качества реагирования, связывающий качество поведения с затратами внутренних ресурсов системы. Под ресурсами понимаются средства (энергетические, материальные, информационные и др.), которые система может потратить на осуществление поведенческого акта без ущерба для своего существования, которыми она обладает. Чем меньше затраты в ответ на воздействие, тем выше эффективность системы.

Принцип Ле-Шателье утверждает, что, «если на любую систему, находящуюся в стационарном режиме, подействует внешнее возмущение, то в ней произойдут изменения, которые уменьшат результат его действия». Это уменьшение произойдет за счет использования внутреннего ресурса системы, который также уменьшится. Заметим, что каждая система имеет ограниченный ресурс, поэтому любое воздействие, уменьшая ресурс, уменьшает возможности системы «сопротивляться» воздействиям. А значительное воздействие (или одновременное воздействие многих факторов) может привести к исчерпанию ресурса и к гибели системы. Например, при воздействии магнитной бури на человека его функциональное состояние сначала изменяется, а затем происходит адаптация организма и функциональное состояние приходит в норму.

Такие представления позволяют определить «запас прочности» системы как разность между полным и используемым ресурсами и цель усовершенствования системы — повышение полного ресурса (запасов внутренней энергии) за счет более эффективного функционирования при минимизации затрат энергии на ответные реакции.

Законы внешнего функционирования системы выполняются, если все ее подсистемы также выполняют свои функции. Поэтому для системы следует различать законы внутреннего функционирования, характеризующие поведение отдельных подсистем, из которых состоит система. Т.к. каждая подсистема сама является системой, то законы её внутреннего функционирования одновременно являются законами внешнего функционирования для любой подсистемы этой системы, т.е. законами внешнего функционирования первого нижнего уровня. Показатели качества выполнения функций первого уровня оказывают влияние на эффективность всей системы. Поведение подсистем будет уже описываться законами внутреннего функционирования первого нижнего уровня, которые, в свою очередь, являются законами внешнего функционирования второго нижнего уровня и т. д. Таким образом, по мере продвижения вглубь системы функциональное описание включает все новые уровни организации и новые морфологические структуры. Воздействия внешней Среды могут проявляться на любом уровне функционального описания и косвенно вызывать изменения эффективности всей системы .

На каждом уровне системы ее состояние (а, следовательно, и законы функционирования, системы, подсистемы, элементов подсистем и т.п.) определяется значениями характеристических параметров, параметров составляющих ее элементов, положением в пространстве, а также значениями их производных. Значения параметров и их производных могут изменяться во времени и в пространстве, что означает переход системы из одного состояния в другое.

Системы, способные изменять состояние под влиянием управляющих воздействий, становятся динамическими, т. е. способными к движению в широком смысле (имеются в виду любые изменения состояния системы, всякие взаимодействиям с другими объектами). Если производные равны нулю, динамическая система переходит в состояние покоя и становится статической.

Таким образом, полное функциональное описание системы можно представить как структуру вложенных друг в друга и иерархически построенных описаний разных уровней ее рассмотрения.

Функциональное описание может задаваться некоторым оператором

,

где Т — множество моментов времени, в которые получены данные для построения функционального описания; Х — множество значений допустимых входных воздействий; Y — множество значений ответных реакций системы; Q — множество возможных состояний;  — переходная функция состояния.

Оператор может быть представлен в алгебраической, логической, дифференциальной, интегрально-дифференциальной форме, входящим в скалярное, векторное или матричное уравнение. Он составляется на основании измерения внешних характеристик (принцип «черного ящика»: изучение связи «воздействие — реакция») или на основании знания строения системы.