§3.1. Определение системы
Центральной концепцией теории систем, кибернетики, системного подхода, всей системологии является понятие «системы». Оно уже не раз встречалось нам в данном курсе. Рассмотрим теперь его подробно.
Термин «система» используют в тех случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объект как нечто целое, единое, сложное, о котором невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав математическим выражением. Существует несколько десятков определений этого понятия. Их анализ показывает, что они изменялись не только по форме, но и по содержанию. Проследим основные и принципиальные изменения, которые происходили с определением системы по мере развития теории систем и использования этого понятия на практике.
Л. Берталанфи определял систему как «комплекс взаимодействующих компонентов» или как «совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой». Другое определение: система есть совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как единое целое. Здесь сразу прослеживаются две составляющие системы - элементы и связи. Затем в определениях системы появляется понятие цели. Вначале в неявном виде: система - организованное множество (Ф.Е. Темников), затем и с явным упоминанием о ней: система есть средство достижения цели. Целевая подчиненность всех сторон организации системы является исходным главным ее свойством. В 70-е годы в определение системы начали включать наблюдателя, т.е. лицо представляющее объект или процесс в виде системы при их исследовании или принятии решения: система есть отражение в сознании субъекта свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования познания (Ю.И. Черняк). Так, в организационных системах, если не определить лицо, компетентное принимать решения, то можно и не достичь целей, ради которых создается система.
Таким образом, система включает в себя элементы, связи, их свойства, цели и наблюдателя. К основным же особенностям системы, кроме перечисленных в теме 1 структурированности, наличия взаимосвязи между частями системы и целевой организации системы, добавим целостность, относительную обособленность от окружающей среды и наличие с ней связей.
§3.2. Понятия, характеризующие строение и функционирование систем
Рассмотрим теперь более подробно основные понятия, помогающие уточнять представление о системе, поскольку их обыденная трактовка не всегда совпадает с их значением как специальных терминов системного описания и анализа объектов.
Э л е м е н т. Под этим термином принято понимать простейшую неделимую часть системы. Однако, ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднозначным. Например, в качестве элементов стола можно назвать ножки, ящики, крышку и т.д., а можно - атомы, молекулы, в зависимости от того, какая задача стоит перед исследователями. Поэтому примем следующее определение: элемент - это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения системы, решения конкретной задачи, поставленной цели. Это исключительно важный момент, поскольку от конечной цели, как мы увидим далее, зависит не только качественный и количественный состав системы, но и ее границы - когда изначально неясно насколько сильно связана какая-либо составляющая среды с системой, то по мере проведения анализа граница между ними может варьироваться. Несколько утрированным примером этого может служить неопределенность: в какой момент проглоченную человеком пищу считать уже частью его самого.
К о м п о н е н т ы и п о д с и с т е м ы. Иногда термин элемент используют в более широком смысле, даже когда система не может быть сразу расчленена на составляющие, являющиеся пределом членения. Тогда при многоуровневой структуре сложные системы принято вначале делить на подсистемы, а если последние также сразу трудно разделить на элементы, то составляющие промежуточных уровней (если неизвестен их характер) называют компонентами системы. Расчленяя систему на подсистемы, следует иметь ввиду, что также, как и при расчленении на элементы, выделение подсистем зависит от цели и может меняться по мере ее уточнения и развития представлений об анализируемом объекте или проблемной ситуации.
С в я з и. Понятие связь входит в любое определение системы (см. выше) и обеспечивает возникновение и сохранение целостных ее свойств. Оно одновременно характеризует и строение (статику) и функционирование (динамику) системы. Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Их можно охарактеризовать направлением (направленные и ненаправленные), силой (сильные и слабые), характером (связи подчинения, порождения, равноправные, управления). Очень важную роль при исследовании систем играет понятие обратной связи, которая поддерживает или противодействует тенденции изменений в системе. Довольно часто она реализуется в технических устройствах, позволяя своевременно вносить необходимые изменения в процесс его работы.
Ц е л ь. Понятие цель и связанные с ним понятия целесообразности, целенаправленности лежат в основе развития системы. Изучению этих понятий большое внимание уделяется в философии, психологии, кибернетике. На протяжении всего периода развития теории познания происходило и развитие представлений о цели. Цели, которые ставит перед собой человек, редко достижимы только за счет его собственных возможностей или внешних средств, имеющихся у него в данный момент. Такое стечение обстоятельств называется проблемной ситуацией. Как правило, проблемность существующего положения осознается в несколько стадий: от смутного ощущения, что «что-то не так», к осознанию потребности, затем к выявлению проблемы и, наконец, формулировке цели. Цель - это субъективный образ несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы возникшую проблему. При этом в понятие «образ» можно вкладывать различные оттенки реализуемости: мечта - это цель, не обеспеченная средствами ее достижения.
Рассмотрим теперь понятия, характеризующие структуру систем.
С т р у к т у р а - отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее строение. При этом в сложных системах структура отражает не все элементы и связи между ними, а лишь наиболее существенные, которые мало меняются при текущем функционировании системы и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Иными словами, структура характеризует организованность системы, устойчивую упорядоченность ее элементов и связей.
Структурные связи обладают относительной независимостью от элементов и могут быть сходными в системах с разной физической природой. В связи с этим выделяют определенные виды структур, каждый из которых имеет свои специфические особенности и может рассматриваться как самостоятельное понятие теории систем и системного анализа. Кратко охарактеризуем основные из них.
Сетевая структура (рис. 3.1, а), называемая графом, представляет собой декомпозицию системы во времени. Граф состоит из обозначений элементов произвольной природы - вершины (кружки) и обозначений связей между ними -ребра (стрелки). Такая структура может отображать порядок действия технической системы (электрическая сеть) или этапы деятельности человека (сетевой график, сетевой план). Для анализа сложных сетей разработан матаппарат теории графов, прикладная теория сетевого планирования и управления, что обуславливает их широкую распространенность при представлении процессов организации производства и управления предприятия в целом.
Рис. 3.1 Виды структур:
а) сетевая; б) иерархическая; в) матричная; г) с произвольными связями
Другой вид структур - иерархические структуры (рис. 3.1, б), представляющие собой декомпозицию системы в пространстве. Все вершины и связи существуют в этих структурах одновременно, не разнесены во времени. Такие структуры называют также древовидными структурами, структурами типа дерева. В них важно лишь выделение уровней соподчиненности, а между ними и в пределах уровней компонентами могут быть любые взаимоотношения. В соответствии с этим в теории этих структур существуют особые классы многоуровневых иерархических структур типа «страт», «слоев», «эшелонов», предложенные М. Месаревичем. Для каждого уровня существуют свои характерные особенности, законы и принципы, с помощью которых описывается поведение системы на этом уровне. Такое представление называют стратифицированным. Интересно, что в общем случае термин иерархия (от греческого ixi) шире: он означает соподчиненность и первоначально применялся для характеристики взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т.п., а затем концепция иерархии была распространена на любой согласованный по подчиненности порядок объектов.
Третий тип структур - матричные (рис. 3.1,в). Они могут быть как двумерными, так и многомерными, и часто соответствуют взаимоотношениям между уровнями иерархических структур.
Особо отметим структуры с произвольными связями (рис. 3.1,г). Этот вид структур обычно используется на начальном этапе познания системы, когда идет поиск способов расчленения ее на элементы, нет ясности в характере взаимоотношений между элементами и не могут быть установлены не только последовательности их взаимодействия во времени, но и распределение элементов по уровням иерархии. Такие структуры формируются путем установления возможных отношений между предварительно выделенными элементами системы, и, как правило, после анализа связи упорядочивают и получают сетевые или иерархические структуры.
Мы рассмотрели понятия, характеризующие саму систему и ее структуру. Теперь перейдем к понятиям, связанным с функционированием и развитием систем.
Изменения и преобразования, происходящие в сложных системах, как правило, сразу не удается представить в виде математических соотношений или хотя бы алгоритмов. Поэтому, для того, чтобы хоть как-то охарактеризовать стабильную ситуацию или ее изменения, используются специальные термины, заимствованные из теории автоматического регулирования, биологии, философии. Рассмотрим основные из них.
С о с т о я н и е. Этим понятием обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Так, говорят о состоянии покоя, о состоянии равномерного прямолинейного движения и т.п.
П о в е д е н и е. Если система способна переходить из одного состояния в другое, то говорят, что она обладает поведением. Это понятие часто используют, если неизвестны закономерности таких переходов.
Р а в н о в е с и е. Данное понятие определяет способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий или при постоянных воздействиях сохранять свое поведение сколь угодно долго.
У с т о й ч и в о с т ь. Под этим понятием понимается способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена каким-то внешним возмущающим воздействием. Соответственно, возможны устойчивые и неустойчивые типы состояний равновесия. В первое система может самостоятельно вернуться, если возмущение не превышает некоторого порогового значения.
Р а з в и т и е. Это понятие помогает объяснить сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе. Исследованию процесса развития, соотношения развития и устойчивости, изучению механизмов, лежащих в их основе, уделяют все большее внимание.