Принципы системного подхода

Основной общий принцип системного похода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды.

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их проектирование, чаще всего называют системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых, организация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы, принципы их проектирования и исследования.

Основные понятия системотехники

В теории систем и в системотехнике введен ряд терминов. К базовым относятся следующие понятия:

Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой. Система в широком смысле – эквивалент понятия математической модели и задается парой множеств U,Y (U – множество входов, Y - множество выходов) и отношением на U  Y, формализующим связь (зависимость) между входами и выходами.

Любой системе присущи следующие свойства:

Целостность (единство) – свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым повторением или суммой параметров элементов. Целостность означает, что система отделена от внешней среды; среда может оказывать на нее действие через входы и воспринимать отклик (реакцию) на эти действия через выходы.

Структурированность означает, что система разделена внутри на несколько подсистем, связанных и взаимодействующих между собой так же как целая система взаимодействует с внешней средой.

Целенаправленность – свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы. Целенаправленность требует задания некоторой цели, достижение которой говорит о правильной работе системы.

Приведенное формальное определение системы весьма общо; под него попадают практически все виды математических моделей систем. Можно трактовать как систему любой преобразователь входных данных в выходные можно трактовать как систему («черный ящик»)

Например, системой можно назвать процесс решения любой задачи. При этом входами будут являться исходные данные, выходами – результаты, а целью правильное решение

Такой подход к системе подчеркивает ее целенаправленность и ведет свое происхождение от исследования операций – научной дисциплины, занимающейся разработкой количественных методов обоснования решений. Основное понятие здесь – операция: действие, которое подвергается исследованию (проектирование, конструирование, управление, экономическая деятельность и т.д.). Операция соответствует некоторой системе. Входами этой системы являются элементы принимаемого решения о проводимой операции, выходами - результаты проведения операции (показатели ее эффективности)

Для развития навыков системного подхода полезно искать примеры систем в окружающем мире. Рассмотрим некоторые их них.

Таблица

Примеры систем

Система	Вход	Выход	Цель
Радиоприемник	Радиоволны	Звуковые волны	Неискаженный звук
Термометр	Температура воздуха	Высота столбика	Верное показание
Водопроводный кран	Поворот ручки	Струя воды	Заданный расход
Студент	Лекция, текст в учебнике, книги	Отметки, знания, поступки	Хорошие отметки, хорошие знания, хорошие поступки
Робот	Команды	Движения	Точное исполнение команд
Популяция зайцев в лесу	Пища	Численность	Максимальная численность
Программа ЭВМ решения уравнения ах2 + bx + c= 0	Коэффициенты a, b,c, точностьЕ	х1,х2	Решение с заданной точностью
Задача решения уравнения ах2 + bx + c = 0	a, b , c	Формула	Правильная формула
Электромотор	Электрический ток	Вращение ротора	Вращение с заданной частотой

Функционирование системы – это процесс, разворачивающийся во времени, т.е множества возможных входов и выходов U , Y – это множества функций от времени со значениями соответственно в множествах U, Y:

U = {u : T  U}, Y = {y : T  Y},

где Т – множество моментов времени, на котором рассматривается система.

Система называется функциональной, если каждой входной функции u(t) соответствует единственная выходная функция y(t). В противном случае система называется неопределенной.

Важным свойством, присущим реальным системам, является причинность. Она означает, что если входные функции u₁(s) и u₂(s) совпадают при s  t, т.е. u₁(s) = u₂(s) при s  t, то соответствующие выходные функции удовлетворяют условию y₁(t) = y₂(t), т.е. «настоящее не зависит от будущего при заданном прошлом».

Элемент – часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать дальнейшему членению при проектировании.

Сложная система – система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов.

Подсистема – часть системы, которая имеет свойства системы.

Так, например, технологические системы сервиса обычно состоят из следующих подсистем: электросиловое оборудование, осветительное электрооборудование, технологическое оборудование (швейные машины, оборудование влажно-тепловой обработки, варочное оборудование, жаро-пекарное оборудование, холодильное оборудование и т.д.), оборудование технических систем сервиса (вентиляция, кондиционирование, пожаротушение, сигнализация и т.д.).

Надсистема – система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой.

Например, для технологических систем сервиса в качестве надсистем может выступать внутренняя электрическая сеть здания.

Параметр – величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды. Параметры – это величины, которые можно считать постоянными на промежутке времени рассмотрения системы. Остальные числовые величины, связанные с системой являются переменными. Значения параметров и переменных определяют количественную информацию о системе. Оставшаяся информация, т.е. качественная, определяет структуру системы.

Структура – отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей. Понятие структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

Состояние – совокупность значений переменных, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования системы.

Поведение (динамика) системы – изменение состояния системы в процессе функционирования.

Иерархичность – свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т.е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения целое – часть.

Любая технологическая система может быть представлена в виде следующей информационной модели.

В данной системе выделены 2 группы факторов – независимых переменных, соответствующих одному из возможных способов воздействия на систему: входные факторы Х и выходные факторы У. Входными факторами могут быть параметры перерабатываемого сырья (его состав, температура и т.д.). Они измеряемы, контролируемы, но воздействовать на них нельзя.

Система обычно подвержена возмущениям, которые изменяются во времени и не поддаются измерению (например, содержание различных примесей в исходном сырье). Для компенсации возмущений используют управляющие воздействия.

Выходные факторы определяются состоянием технологической системы, возникшем в результате взаимодействия входных факторов, возмущений и управляющих воздействий.

Под режимом работы системы понимают ее состояние, определяющееся множеством различных процессов и зависящее от ее собственных параметров и параметров возмущающих воздействий.