4.1.3. Спільне та відмінності складних і великих систем

Складна система — система, поняття, що широко використовується в сучасній науковій літературі і вказує на специфічні особливості об'єктів дослідження практично в усіх розділах природничих та гуманітарних наук. Саме ця всеохопність терміну пояснює відсутність єдиного загально визначення складної системи.

Серед численних ознак складної системи основними є наступне:

- відкритість системи;

- здатність до самоорганізації;

- ієрархічність та поліструктурність субрівнів організації системогенезу об'єкт-систем;

- відтворюваність системи за умов запуску ієрархічної системогенезу.

При аналізі складних систем розрізняють структурну, функціональну та динамічну складності. По відношенню до задач обчислювальної математики важливе значення має введене А. М. Колмогоровим поняття алгоритмічної складності. Зараз в світі англійською мовою видається 12 наукових журналів, в назві (а отже, і в тематиці) яких вживано термін «Complexity» (Складність).

В програмній інженерії складною системою вважають систему з багатьма рівнями абстрації.

Як правило, в складних системах вдається виділити певні складові елементи (підсистеми). Особливості взаємодії між підсистемами та специфіка реакції системи на зовнішні впливи виключають можливість описати поведінку складної системи лише на основі знань про властивості формуючих її підсистем. Визначальні результати в теорії складних ситем, формулюванню критеріїв простоти та складності належать академіку НАН України О. М. Шарковському. Результати досліджень різного типу складних систем виявили методичну неспроможність редукціонізму, як методу пізнання природи та суспільства. Результати дослідження складних систем стимулюють широке використання принципів холізму, які базуються на класичному висловлюванні Аристотеля, що ціле завжди більше суми його частин.

Для систематичного дослідження в теорії складних систем в 1984 році в США було створено спеціальний дослідницький центр — Інститут Санта-Фе. В дослідженнях з теорії складних систем характерні ключові слова: нестійкість, нерівноважність, незворотність, хаос, самоорганізація.

Методологія вивчення складних систем є предметом численних досліджень в рамках конкретних дисциплін (див., наприклад, фізика складних систем) та в філософії сучасної науки.

Поняття «Складна система» широко використовується; у системотехніці, системному аналізі, при дослідженні операцій і системному підході в різних галузях науки, техніки та економіки. Складну систему можна розчленувати (не обов'язково єдиним способом) на кінцеве число частин, так званих підсистем вищого рівня. Кожну таку підсистему можна у свою чергу розчленувати на кінцеве число дрібніших підсистем і т. ін., аж до отримання підсистем першого рівня, так званої складної системи, які або об'єктивно не підлягають розчленовуванню на частини, або щодо їх подальшої неподільності є відповідна домовленість. Таким чином, підсистема, з одного боку, сама є складною системою (для підсистем нижчого рівня), що складається з декількох елементів, з іншого боку, вона — елемент системи вищого рівня.

Приклади. До категорії складних систем, перш за все, слід віднести живі організми. Як результат еволюції всі живі організми проявляють три надзвичайно важливі властивості: адаптацію до навколишнього середовища, величезну різноманітність, надзвичайну складність внутрішньої структури. При цьому складність розуміється не в сенсі наявності великої кількості складових елементів (підсистем), а саме в складності механізмів взаємодії між ним та навколишнім світом. Розвиток теорії складних систем дозволив сформувати тезу: хвороба — це втрата складності живою системою. Основні поняття теорії складних систем формувалися при вивченні властивостей нелінійних динамічних систем. Приклади таких досліджень та їх узагальнення приведені в монографії.

Кількість складових елементів, які можна виділити в системі, не є визначальною для того, щоб віднести її до категорії складних систем. Як приклад системи лише з двома елементами вкажемо на фізичний маятник з двох компонентів.

При значному початковому відхиленні від положення рівноваги маятник починає здійснювати коливальні рухи. Для відображення складності цих рухів досить розглянути траєкторію, яку описує кінець другого компоненту цього маятника. Ця траєкторія відображена на анімації. Складність траєкторії точки в досить простій структурно системі вказує на відсутність прямого зв'язку між структурною та динамічною складністю.

Тут бачимо типову поведінку динамічних систем з сильною нелінійністю. Такі системи проявляють властивість хаотизації руху. Оскільки в математичній моделі таких систем всі характеристики детерміновані, то таке явище одержало назву детермінованого хаосу.

Властивості атома водню такі як спектральні характеристики його випромінювання, є властивості складної системи, які неможливо звести до властивостей його складових — електрона і протона (кожен з яких у свою чергу є системою).

Порівняння з простою системою

Для розкриття поняття «складна система» доцільно вказати основні відмінності простої та складної системи.

Проста система

• однозначність зв'язку між зовнішньою дією та реакцією системи.

• малі зміни в характері зовнішньої дії викликають малі зміни в реакції системи.

• передбачуваність. Можливість якісно і кількісно передбачити поведінку системи на будь-якому інтервалі часу.

Складна система

• циклічна причинність, зворотний зв'язок.

• малі зміни зовнішньої дії викликають суттєві, часто якісні, зміни в реакції системи.

• непередбачуваність.

Система називається складною, якщо її дослідження, моделювання, опис та керування ускладнене через брак ресурсів (головним чином, – інформаційних).

Відповідно ознакою простої системи є достатність інформації для її керування.

За типом складності системи бувають:

• структурної чи статичної складності;

• динамічної чи тимчасової складності;

• інформаційної чи інформаційно-логічної складності;

• обчислювальної складності;

• алгоритмічної чи конструктивної складності;

• складності розвитку чи еволюції, самоорганізації.

Складні системи - це цілеспрямовані системи, побудовані для розв'язування багатоцільових задач і для їх опису використовують взаємопов'язаний комплекс різних моделей. До таких систем відносяться місто, корпорація з чисельністю співробітників понад 15 тис., економічна система країни, нейрофізіологічна система мозку людини тощо.

Внаслідок недостатньої інформації управління складною системою може давати непередбачені або ж небажані наслідки. Є два основних способи переведення складної системи у просту. Перший полягає у з`ясуванні причин складності, отриманні необхідної інформації та введенні її в модель системи. Другий – зміна мети системи.

Великі системи – це системи, для дослідження яких з метою управління не вистачає матеріальних ресурсів, часу, бази даних, інших засобів. Тобто великими є системи, моделювання яких ускладнено внаслідок їх розмірності. Великі системи обов'язково розглядаються як сукупність підсистем. При цьому, для їх дослідження використовують два шляхи:

а) композицію – це дослідження від елементів, підсистем до системи;

б) декомпозицію – коли нова інформація отримується зі знання системи загалом.

Розподіл систем на прості, складні й великі підкреслює, що в системному аналізі розглядаються не будь-які, а саме складні системи великого масштабу. При цьому виділяють структурну й функціональну (обчислювальну) складність.

Загальновизнаної межі, яка розділяла б прості, великі й складні системи, немає. Однак умовно будемо вважати, що складні характеризуються трьома основними ознаками: властивістю працеспроможності, наявністю неоднорідних зв'язків і емержентністю.

Під працеспроможністю розуміють здатність системи зберігати часткову працездатність (ефективність) при відмові її окремих елементів чи підсистем. Вона зумовлюється функціональною надмірністю складної системи й виявляється в зміні ступеня деградації виконуваних функцій, що залежить від глибини збуджуючих дій. Проста система може знаходитися не більше ніж у двох станах: повної працездатності (справному) або повної непрацездатності (несправному).

У складних системах, крім значної кількості елементів, присутні численні й різні за типами (неоднорідні) зв'язки між елементами. Основними є такі види зв'язків: структурні (у тому числі ієрархічні), функціональні, каузальні (причинно-наслідкові, відносини істинності), інформаційні, просторово-часові. За цією ознакою будемо відрізняти складні системи від великих систем, що є сукупністю однорідних елементів, об'єднаних зв'язком одного типу.

Складна система має властивості, відсутні у кожного з її компонентів. Це називають інтегративністю (цілісністю), чи емержентністю системи.

У літературі наводяться й інші класифікації систем. Так, проф. Ю. Черняк пропонує наступний поділ систем.

Великі системи (ВС) - це системи, котрі не можна спостерігати одночасно з позиції одного спостерігача або в часі, або в просторі. У таких випадках система розглядається послідовно по частинах із поступовим переміщенням з нижчого на вищий рівень.

Складні системи (СС) - це системи, які не можна скомпонувати з певних підсистем. Це означає, що:

• спостерігач послідовно змінює свою позицію стосовно об’єкта і спостерігає його з різних сторін;

• різні спостерігачі досліджують об’єкт з різних сторін.