14
ходимость в дальнейшей интеграции функций развития, маркетинга, менеджмента и контроля в деятельности предприятий требуют автоматизации и интеграции информационных систем. Объективные процессы материального производства приводят к созданию и развитию информационных систем управления следующих типов:
-автоматизированные системы научных исследований (АСНИ);
-системы автоматизированного проектирования изделий (САПР);
-автоматизированные системы технологической подготовки произ-
водства (АСТПП);
-автоматизированные системы управления организацией (АСУО) и предприятием (АСУП);
-автоматизированные системы для комбинированного организационного и технологического управления (АСУ ОТ);
-автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП);
-автоматизированные системы контроля качества и испытания изделий (АСКИ).
Выбор средств интеграции АСУ организационно-экономическими и техническими объектами должен обеспечивать их функциональную, информационную, техническую, программную и организационную совместимость. Одним из направлений развития ИАСУ предусматривается переход от создания информационно-справочных и информационносоветующих систем к системам информационно-управляющего типа.
1.5.Основные определения, характеризующие функционирование и структуру систем
Косновным понятиям, характеризующим структуру системы, относятся: элемент, компоненты и подсистемы, связь, цель и внешняя среда.
Под элементом обычно понимают простейшую неделимую часть системы. По своей сути, это предел членения системы с точки зрения достижения целей функционирования этой системы.
Подсистема – это часть системы, обладающая свойствами системы. Компонентом является группа элементов, не имеющих цели и не обла-
дающих свойством целостности.
15
Связь – это ограничение степени свободы элементов, т.е. совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы. Они могут быть односторонними, взаимосвязями или отношениями любого порядка. Связь – это то, что объединяет организацию в единое целое; управление – то, что регулирует её поведение. Связи существуют между всеми системными элементами, между системами и подсистемами и между самими подсистемами. Функционально необходимые друг другу связи называются связями первого порядка (растения и паразит). Связи второго порядка – это дополнительные связи, которые не являются функционально необходимыми. Синергетические связи – это связи второго порядка, которые обеспечивают увеличение общего эффекта до величины, большей, чем сумма эффектов этих же независимо действующих элементов. Излишние или противоречивые связи – это связи третьего порядка.
1.5.1. Классификация связей
1.Связи взаимодействия (координации). К ним относятся связи свойства, связи объектов, связи между отдельными людьми и связи между командами специалистов (кооперативные, конфликтные).
2.Связи порождения (генетические). В этих связях один объект вызывает к жизни другой (А отец В).
3.Связи преобразования. Эти связи осуществляют переход объекта из одного состояния в другое состояние.
4.Связи строения или структурные.
5.Связи функционирования. Для этих связей характерно, что объекты осуществляют совместно заданную функцию. Связи функционирования делятся на связи состояния (когда следующее по времени состояние является функцией от предыдущего) и энергетические связи, трофические и нейронные (когда объекты связаны единством реализуемой функции).
6.Связи развития – это модификация функциональных связей. Развитие – это такая смена состояний, в основе которой лежит невозможность сохранения существующих форм функционирования. Объект как бы оказывается вынужденным выйти на иной уровень функционирования, прежде недоступный и невозможный для него, и условием такого выхода является изменение организации объекта. В точках перехода от одного состояния к
16
другому развивающийся объект выбирает из некоторого количества возможностей конкретную форму его организации.
7. Связи управления – это либо частный случай функциональных связей, либо связей развития. Особо выделяются рекурсивные и синергетические связи. При рекурсивной связи определяется причина и следствие (например, связь между затратами и результатами).
Связи характеризуются направлением (направленные и ненаправленные, прямые и обратные), силой (слабые и сильные), характером (связи подчинения, порождения, равноправия и управления). Прямые связи предназначены для заданной функциональной передачи ресурсов. Обратные связи предполагают преобразование компоненты, поступающей по прямой связи, и передачу результата преобразования обратно. Если результат первоначального воздействия усиливается, то связь называется положительной, если ослабляется ─ отрицательной. Положительные обратные связи выводят систему из состояния устойчивости, отрицательные ─ способствуют его сохранению.
Детерминированная (жёсткая) связь, как правило, однозначно определяет причину и следствие, даёт чётко обусловленную формулу взаимодействия элементов. Стохастическая связь определяет неявную зависимость между элементами системы.
Система может иметь внутренние и внешние связи. Внутренние связи противостоят возмущающим воздействиям внешней среды и являются более сильными, чем связи отдельных элементов со средой.
Принуждающие связи являются ограничениями, налагаемыми на её функционирование и развитие.
Цель – это мысленное предвосхищение результата деятельности. Внешняя среда – всё то, что не входит в саму систему.
Структура системы ─ это совокупность элементов системы и множества связей между ними.
Понятия, характеризующие функционирование и развитие систем, ─ это состояние, поведение, ситуация, развитие, движение.
Состояние системы – совокупность состояний её элементов и связей между ними. Для реальных систем из множества состояний, для учёта
17
ограничений на систему выделяется множество допустимых состояний. Ограничения системы складываются из целей и принуждающих связей, т. е. определяют условия функционирования системы.
Ситуация ─ это совокупность состояний системы и среды в один и тот же момент времени.
Движение системы (функционирование) – процесс последовательного изменения состояния системы.
Закон функционирования ─ это зависимость, которая описывает процесс функционирования элемента системы во времени:
y (t)= F (x, n, u, t).
Алгоритм функционирования – это метод получения выходных характеристик y (t) с учетом x (t), n (t), u (t). Для данного закона функционирования может быть множество алгоритмов.
Уравнение состояния системы:
z (t) = f (z (t), x (t), n (t), u (t), h (t), t) ,
где h (t) – внутренние параметры системы в момент времени t. Уравнение наблюдения системы:
y (t) = g (z (t), t).
Состояние системы можно представить и как функцию переходов, т.к. в любой момент времени текущее состояние зависит от предшествующих состояний этой системы. Особое внимание при этом уделяется начальному состоянию системы.
Переходный процесс системы – это множество преобразований начального состояния и входных воздействий в выходные величины, которые изменяются с течением времени. Описывает переходный процесс переходная функция состояния, удовлетворяющая определённым требованиям. Процесс обратной связи является основой развития систем и приспособления их к меняющимся внешним и внутренним условиям, поэтому основное назначение обратной связи – изменение идущего процесса.
1.6. Методы и модели теории систем
Моделирование – процесс, включающий построение модели реальной системы, изучение свойств модели и перенос полученных сведений на ре-
18
альную систему. Модель – это объект, замещающий исследуемый объект и отражающий только существенные для исследования свойства прототипа.
Основные цели моделирования:
-поиск оптимальных или близких к ним решений;
-оценка эффективности решений;
-определение свойств системы;
-установление зависимостей между характеристиками системы;
-прогнозирование.
С точки зрения системного подхода создаваемая модель является системой, как и моделируемая система. Поскольку сложные системы характеризуются структурой, поведением и выполняемыми функциями, то и модели могут быть функциональными, информационными и поведенческими (событийными).
В основе моделирования лежит теория подобия, которая позволяет классифицировать модели на полные, неполные и приближенные, в зависимости от степени полноты подобия. На рисунке 1 приведена классификация видов моделирования. В характеристики моделей систем входят: цель функционирования, сложность, целостность, неопределённость, поведенческая страта, адаптивность, организационная структура, управляемость и возможность развития модели
Адаптация – это способность изменения целей и параметров функционирования при изменении условий функционирования.
Живучесть системы – это способность изменять цели и параметры функционирования при отказе и (или) повреждении элементов системы. Вместе адаптивность и живучесть определяют гибкость системы.
Надёжность системы – это свойство системы реализовывать заданные функции в течение определённого периода времени с заданными параметрами качества.
Стойкость – это свойство системы выполнять свои функции при выходе параметров внешних условий системы за определённые ограничения.
Уязвимость – это способность системы получать повреждения при воздействии внешних и (или) внутренних поражающих факторов.
19
Устойчивость – способность возвращаться в исходное состояние после возмущающих воздействий.
Управляемость – возможность рассматривать протекание процесса в различных условиях, имитирующих реальные условия. Управляемость позволяет проводить эксперименты, она тесно связана со степенью автоматизации моделирования.
Развитие модели предполагает расширение спектра изучаемых функций или подсистем с применением современных методов и средств.
20
Контрольные вопросы и задания
1.Каковы основные задачи теории систем?
2.Что значит мыслить системно?
3.Чем отличается теоретико-множественное определение «системы» от определения, предложенного Ю. А. Урманцевым?
4.Дайте семантическое определение понятию «система».
5.Приведите примеры систем.
6.По каким основаниям классифицируют системы?
7.В чём отличие технических и организационных систем?
8.Какая система называется кибернетической?
9.Какие функции выполняет система управления?
10.Чем отличаются компоненты и подсистемы данной системы?
11.Какие связи называются синергетическими?
12.Чем связи отличаются от отношений?
13.Приведите классификацию связей.
14.Основные назначения прямой и обратной связи.
15.Каковы основные цели моделирования?
16.Является ли модель системой?
17.Чем детерминированные модели отличаются от стохастических?
18.Может ли динамическая модель быть дискретной и мысленной?
19.Какие типы математического моделирования Вы знаете?
20.Что входит в характеристики моделей систем?
21.Что понимается под адаптацией модели?
22.В чем проявляется управляемость модели?
23.Каковы причины использования имитационного моделирования?
24.Какие требования к процессу разработки модели обеспечивают ее адекватность и эффективность?
2. Системный подход к анализу систем 2.1. Исторические аспекты системного подхода
Классические школы системного анализа связаны с именами А.А. Богданова и Ст. Л. Оптнера (теории организационной науки), Н. Винера, Ст. Бира, У. Р. Эшби (кибернетика), П. К. Анохина (теории функциональных систем), Г. К. Гуда и Р. Э. Макола (системотехника).
21
В«Тектологии» [8] или, как называл сам Богданов [8], «всеобщей организационной науке» на огромном фактическом материале было показано, что законы организации едины для всех объектов. Эта работа является первой системной концепцией ХХ века. В ней Богданов формулирует законы о строении и механизмах развития организационных форм универсального типа, конкретизирует принцип «целое больше суммы своих частей», предвосхищает понятия самоорганизации систем и принципа обратной связи.
Первыми, кто применил системную методологию принятия решений в области создания и реформирования организаций, были Ст. Л. Оптнер (США) и С. П. Никаноров (Россия). Книга 1965 года «Системный анализ для решения проблем бизнеса и промышленности» Ст. Л. Оптнера актуальна и в начале ХХI века. В ней системный анализ рассматривается как методология принятия решений «крупным планом». Оптнер приводит перечень рекомендаций по анализу и решению проблем и настаивает на чёткости выполнения шагов и операций, формулирует шесть критериев «адекватности решения» вместе с гипотезами, определяющими условия их применения. Именно Оптнер определил информацию как знание, полученное из анализа данных, так как, изучая данные, комбинируя их с условиями можно понять сущность явления, описать состояние неизвестного. Он же считал, что определение проблемы ─ это её формулирование в известных терминах, а «успешное формулирование проблемы может быть равносильно половине её решения».
В30-е годы ХХ века П. К. Анохин разрабатывает теорию функциональной системы, направленную на живой человеческий организм. Он показал, что в организме кроме физических, химических и биологических процессов непрерывно осуществляются информационные процессы, с помощью которых функциональные подсистемы обмениваются сигналами и согласовывают свои реакции. К внутренней информационной среде относится нервная система, а к внешней ─ часть окружающей человека реальности. Функция информационных механизмов направлена на отбор компонент из разнообразных вариативных связей окружения и вовлечение их внутрь поведенческого акта человека, анализируя и синтезируя информа-
22
цию. Продолжением работ Анохина были модели самоорганизующихся систем в многоуровневых информационных средах мозга (А. В. Напалков, Н. А. Чичварина, Н. В. Целкова).
Фундаментом для построения алгоритмов мыслительной деятельности человека и формализации правил разрешения проблем стали работы А. Н. Колмогорова по математической теории вероятностного характера среды и общей теории функций. По его мнению, в сознании человека сложно переплетены дискретные (цифровые) и непрерывные механизмы; детерминистический и вероятностный принцип действия. В его работах дано математическое обоснование информационной «ёмкости» множеств в функциональных пространствах, а вместе с В. Н. Тихомировым и И. А. Акчуриным он предложил методы количественного измерения внутренней энтропии системы, меняющейся под воздействием потоков информации извне, что привело к синергетике.
Кибернетическую теорию гомеостазиса мозга и поведения живых систем создали У. Р. Эшби и Ст. Бир. Они чётко определили сущность функциональности, считая адаптацию организма результатом построения новых функциональных отношений между компонентами системы и целостной средой организма. Бир создал модель предприятия, гибко адаптирующегося к внешней среде, по аналогии с мозгом человека. К. В. Судаков и его коллеги разработали теорию системного квантования жизнедеятельности и считают, что биомир формируется в иерархическую термодинамическую систему не только сверху, под действием космических сил, но и в результате самосборки термодинамической самоорганизации структур низшей иерархии.
Метод системной динамики создан в 1967 году Дж. Форрестером. Он предложил инженерный подход к проблемам эволюции мира. Позднее появилось много других проектов, которые создали «глобальное моделирование». В современной редакции системная динамика представляет собой тщательно разработанные методические рекомендации по анализу исследуемой проблемы, её качественному описанию в виде диаграмм, представление в виде программы на специально разработанном языке программирования DINAMO и последующее исследование модели на ЭВМ.
23
Термин «синергетика» ввел Хакен в 70-х годах ХХ века, чтобы подчеркнуть феномен самоорганизации в системах далёких от теплового равновесия. В своих работах по изучению лазеров он показал связь квантового и классического миров, наличие фазовых переходов и самоорганизации. В это же время И. Пригожин разработал свою теорию диссипативных структур на основе изучения физических и химических систем. Согласно этой теории, диссипативные структуры поддерживают себя и могут развиваться; кроме этого, если они получают энергию извне, то неустойчивость и спонтанность новых форм организации являются результатом флуктуаций усиленных петлями положительной обратной связи. М. Эйген выдвинул синергетическую теорию о том, что из «неживых» элементов образуются структуры, в которых проявляются функциональные свойства живого. Системные философы используют термин «синергетика» в различных контекстах, но особенности, общие для всех предложенных моделей, заключаются в том, что все системы являются открытыми и функционируют вдали от состояния равновесия и взаимосвязи компонентов системы. При этом главной задачей является объяснение методами математического формализма возможности описания сложных многокомпонентных систем на макроуровне всего несколькими параметрами.
Проблемы информатизации современного общества требуют интеграции теоретических знаний различных дисциплин на основе системного анализа и системотехники, использование методологических подходов теории функциональных систем, системной динамики и синергетики.
В таблице 2 приведены фамилии наиболее известных ученых, работавших в данной области.