Основы теории систем (Курс лекций УлГТУ)

напротив, отношение рассматривают как частный случай связи; третьи – предлагают понятие «связь» применять для описания статики системы, ее структуры, а понятием отношение характеризовать некоторые действия в процессе функционирования (динамики) системы. Не решен вопрос о достаточности и полноте сети связей для того, чтобы систему можно было считать системой. Один из подходов к решению этой проблемы предлагается, например, В. И. Николаевым и В. М. Бруком [2,4,5], которые считают, что для того, чтобы система не распалась на части, необходимо обеспечить превышение суммарной силы (мощности) связей между элементами системы над суммарной мощностью связей между элементами системы и элементами среды. К сожалению, на практике подобные измерения (особенно в организационных системах) трудно реализовать, однако, можно оценивать тенденции изменения этого соотношения с помощью косвенных факторов.

Связи можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом). По первому признаку связи делят на направленные и ненаправленные. По второму признаку – на сильные и слабые связи.

По характеру (виду) различают связи подчинения, порождения,

равноправные и связи управления.

Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы несколькими из названных признаков. Важную роль в моделировании систем играет понятие обратной связи. Обратная связь является основой саморегулирования, развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования.

При разработке моделей функционирования сложных саморегулирующихся, самоорганизующихся систем в них, одновременно присутствуют и отрицательные, и положительные обратные связи. На использовании этих понятий базируется, в частности, имитационное

динамическое моделирование [2].

Цель. Понятие «цель» и связанные с ним понятия «целесообразность» и «целенаправленность» лежат в основе развития системы. Изучению этих понятий большое внимание уделяется в философии, психологии, кибернетике.

Процесс целеобразования и соответствующий ему процесс обоснования целей в организационных системах весьма сложен. На протяжении всего периода развития философии и теории познания происходило развитие представлений о цели.

Анализ определений цели и связанных с ней понятий показывает, что в зависимости от стадии познания объекта, этапа системного анализа, в понятие «цель» вкладывают различные оттенки – от идеальных устремлений (цель – «выражение активности сознания») до конкретных

11

целей – конечных результатов. Эти результаты достижимы в пределах некоторого интервала времени, формулируемых иногда даже в терминах конечного продукта деятельности [2]. В некоторых определениях цель как бы трансформируется, принимая различные оттенки в пределах условной «шкалы» – от идеальных устремлений к материальному воплощению, конечному результату деятельности.

У ряда исследователей, наряду с приведенным выше определением, целью называет «то, к чему стремится, чему поклоняется и за что борется человек» («борется» подразумевает достижимость в определенном интервале времени) [2]. Л. А. Растригин и П. С. Граве [2] под целью понимают «модель желаемого будущего» (при этом в понятие «модель» можно вкладывать различные оттенки реализуемости). Вводится также понятие, характеризующее разновидность цели, и кроме того, вводят понятие «мечта» – это цель, не обеспеченная средствами ее достижения [2]. Противоречие, заключенное в понятии «цель», – необходимость быть побуждением к действию «опережающим отражением», или «опережающей идеей», и одновременно материальным воплощением этой идеи. Значение «быть достижимой» – проявлялось с момента возникновения этого понятия. Так, древнеиндийское понятие «артха» включало в себя одновременно значения терминов «мотив», «причина», «желание», «цель», «способ».

Сущность диалектической трактовки понятия цели раскрывается в теории познания, в которой показывается взаимосвязь понятий цели, оценки, средства, целостности (и ее «самодвижения»).

Изучение взаимосвязи этих понятий показывает, что, поведение одной и той же системы может быть описано как в терминах цели или целевых функционалов, связывающих цели со средствами их достижения, так и без упоминания понятия цели, в терминах непосредственного влияния одних элементов или описывающих их параметров на другие, в терминах «пространства состояний». Поэтому одна и та же ситуация в зависимости от предшествующего опыта и характера самого исследователя может быть представлена тем или иным способом.

Структура. Система может быть представлена, как уже отмечалось, простым перечислением элементов или «черным ящиком» (моделью «вход

– выход»). Однако чаще всего при исследовании объекта такого представления недостаточно, так как требуется выяснить, что собой представляет объект, что в нем обеспечивает выполнение поставленной цели, получение требуемых результатов. В этих случаях систему отображают путем разделения на подсистемы, компоненты, элементы с взаимосвязями, которые могут носить различный характер, и вводят понятие «структура».

12

Структура от лат. «structure», означает дословно – строение, расположение, порядок. Она отражает «определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, устройство, строение» [2]. При этом в сложных системах структура включает не все элементы и связи между ними, а лишь наиболее существенные компоненты и связи, которые мало меняются при текущем функционировании системы и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. В предельном случае, когда пытаются применить понятие структуры к простым, полностью детерминированным объектам, понятия структуры и системы совпадают. Иными словами, структура характеризует организованность системы, устойчивую упорядоченность элементов и связей.

Структурные связи обладают относительной независимостью от элементов и могут выступать как инвариант при переходе от одной системы к другой, перенося закономерности, выявленные и отраженные в структуре одной из них, на другие. При этом системы могут иметь различную физическую природу.

Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания объектов или процессов, от аспекта их рассмотрения, цели создания. При этом по мере развития исследований или в ходе проектирования структура системы может изменяться.

Равновесие. Понятие «равновесие» определяют как способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго. Это состояние называют состоянием равновесия.

Устойчивость. Под устойчивостью понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних (или в системах с активными элементами – внутренних) возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам тогда, когда отклонения не превышают некоторого предела.

Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия. Возврат в это состояние может сопровождаться колебательным процессом. Соответственно в сложных системах возможны неустойчивые состояния равновесия.

Это понятие также обычно поясняют на примерах. Простейший пример – устойчивое состояние шарика в ямке до величины отклонений (под воздействием внешних возмущений), которые не выбрасывают его из ямки.

Равновесие и устойчивость в экономических системах, несмотря на кажущуюся аналогию с техническими, – гораздо более сложные понятия, и

13

ими можно пользоваться в основном как некоторыми аналогиями для предварительного описания поведения системы.

Развитие. Это понятие помогает объяснить сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе. Исследование процесса развития, соотношения развития и устойчивости, изучение механизмов, лежащих в их основе, – наиболее сложные задачи теории систем. Необходимо отметить целесообразность выделения особого класса развивающихся (самоорганизующихся) систем, обладающих особыми свойствами и требующих использования специальных подходов к их моделированию.

В развивающихся системах говорят о динамическом равновесии, и устойчивость можно условно представить состоянием равновесия как бы «на ступеньке». Внешнее воздействие может либо вывести систему на более высокий уровень, либо «столкнуть» ее на более низкий уровень.

Жизненный цикл (ЖЦ). Под ним понимают период времени от возникновения потребности в системе и ее становления до снижения эффективности функционирования системы и ее ликвидации.

Такая трактовка «жизненного цикла» системы сформировалась не сразу. Тот факт, что время является непременной характеристикой системы, и что любая система не только возникает, функционирует, развивается, но и погибает, осознавался с древних времен. Однако при создании искусственных систем, а тем более для конкретных сложных технических комплексов, и особенно организационных систем, не всегда легко определить эти периоды.

Для каждой отрасли промышленности деятельность предприятий и организаций на этапах ЖЦ от формирования требований к продукции до окончания ее эксплуатации определялась в ГОСТах. Понятие «жизненный цикл» используется в качестве признака структуризации при разработке методик структуризации целей и функций.

14

ЛЕКЦИЯ 3.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ

Системы разделяют на классы по различным признакам, и в зависимости от решаемой задачи можно выбирать разные принципы классификации. Предпринимались попытки классифицировать системы по следующим признакам:

•по виду отображаемого объекта (технические, биологические,

экономические и т.п. системы);

•по виду научного направления, используемого для их моделирования (математические, физические, химические и др.);

•взаимодействию со средой (открытые и закрытые);

•величине и сложности (простые и сложные).

Предлагалось также различать следующие типы систем: детерминированные и стохастические (стохастика – учение о вероятности); абстрактные и материальные (существующие в объективной реальности); и т. д.

Классификации всегда относительны. Так, в детерминированной системе можно найти элементы стохастичности, и, напротив, детерминированную систему можно считать частным случаем стохастической (при вероятности равной единице). Аналогично, если принять во внимание диалектику субъективного и объективного в системе, то станет понятной относительность разделения систем на абстрактные и объективно существующие: это могут быть стадии развития одной и той же системы.

Действительно, естественные и искусственные объекты, отражаясь в сознании человека, выступают в роли абстракций, понятий, а абстрактные проекты создаваемых систем воплощаются в реально существующие объекты, которые можно ощутить, а при изучении снова отразить в виде абстрактной системы.

Однако относительность классификаций не должна останавливать исследователей. Цель любой классификации – ограничить выбор подходов к отображению системы, сопоставить выделенным классам приемы и методы системного анализа и дать рекомендации по выбору методов для соответствующего класса систем. При этом система, в принципе, может быть охарактеризована несколькими признаками, т.е. ей может быть найдено место одновременно в разных классификациях, каждая из которых может оказаться полезной при выборе методов моделирования.

15

Рассмотрим некоторые из наиболее важных классификаций систем.

Открытые и закрытые системы. Понятие «открытая система» ввел Л. фон Берталанфи [2]. Основные характерные черты открытых систем – способность обмениваться с окружающей средой массой, информацией и энергией. Предполагается, что в отличие от них закрытые системы полностью лишены этой способности, т.е. изолированы от среды.

Имеют место частные случаи: например, не учитываются энергетические и гравитационные процессы, а в модели системы отражается только информационный обмен со средой. В этом случае такие системы называют информационно-проницаемые или, информационнонепроницаемые.

В открытых системах «проявляются законы термодинамики, противоречащие ее второму началу» [2]. Напомним, что второй закон термодинамики («второе начало»), сформулированный для закрытых систем, характеризуется ростом энтропии, тенденции к неупорядоченности, разрушению. Этот закон работает и в открытых системах (например, старение биологических систем). Однако, в отличие от закрытых систем, в открытых системах возможно снижение энтропии путем ее вывода в окружающую среду.

Целеустремленные, целенаправленные системы. При изучении экономических, организационных объектов необходимо выделять класс целеустремленных или целенаправленных систем [2]. В этом классе, в свою очередь, можно выделить системы, в которых цели заданы извне (обычно такое возможно в закрытых системах), и системы, в которых образование и формирование целей происходит внутри. Такое характерно для открытых, самоорганизующихся систем.

Классификации систем по сложности. Существует несколько подходов к делению систем по сложности. Изначально понятия «большая система» и «сложная система» рассматривались как синонимы. Некоторые исследователи связывали сложность с числом элементов.

Например, для сфер биологических, экономических, социальных систем иногда понятие большой системы связывали в значительной степени с важными для них понятиями эмерджентность – наличие у системы свойств, не присущих ее компонентам по отдельности, несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; «открытость», «активность элементов». В результате чего такая система обладает как бы «свободой воли», нестабильным и непредсказуемым поведением и другими характеристиками развивающихся, самоорганизующихся систем.

16

Однако, некоторые авторы связывают понятие «большая система» с величиной системы, количеством элементов (часто относительно однородных), а понятие «сложная система» – со сложностью связей, алгоритмов. За основу классификации Б. С. Флейшман принимает сложность поведения системы [2]. Существуют и более ясные объяснения различия понятий «большая система» и «сложная система».

В частности, ряд исследователей предлагал называть большой системой «такую систему, которую невозможно исследовать кроме, как по подсистемам», а сложной – «такую систему, которая применяется для решения многоцелевой, многоаспектной задачи» (рис. 1) [2]. Приводя соответствующие примеры, подчеркивалось, что для большой системы объект может быть описан как бы на одном языке, т.е. с помощью единой модели, хотя и по частям – подсистемам. А сложная система определяет объект «разносторонне в нескольких моделях, имеющих свой собственный язык», а для согласования этих моделей нужен особый, своего рода

универсальный метаязык.

Рис. 1

Понятие большой и сложной системы связывались с определением «наблюдатель»: для изучения большой системы нужен один «наблюдатель» (имеется в виду не количество участников исследования или проектирования системы, а относительная однородность их квалификации: например, врач или учитель). Для понимания и верного представления о сложной системе нужно несколько «наблюдателей» различной квалификации. Например, инженер-энергетик, IT-специалист, наладчик станков с ЧПУ, экономист, а возможно, и юрист, психолог и т.п.

Классификация систем по степени организованности.

Разграничение систем по степени организованности предложено в продолжение идеи об их классификации на хорошо организованные и

17

плохо организованные, или диффузные. Дополнительно к этим классам был добавлен еще класс развивающихся, или самоорганизующихся систем.

Хорошо организованная система. Определение объекта или процесса принятия решения в виде хорошо организованной системы возможно тогда, когда исследователь в состоянии определить ее элементы

иих взаимосвязи между собой, а также цели системы в виде детерминированных зависимостей. При определении объекта этим классом систем отсутствует разделение задач выбора целей и указание средств их достижения (элементов, связей). Описание проблемной ситуации возможно в виде выражений, связывающих цель со средствами (т.е. в виде различных критериев функционирования, или показателя эффективности, функции цели и т.п.), которые возможно представить уравнением, формулой или системой уравнений. Этот класс систем применяется тогда, когда можно предложить детерминированное описание

иэкспериментально показать правомерность и справедливость его применения, т.е. экспериментально доказать соответствие модели реальному объекту или процессу. Однако попытки применения этого класса систем для определения сложных многокомпонентных объектов или многокритериальных задач, которые необходимо решать при разработке технических комплексов, совершенствования управления предприятиями и организациями и т.д., оказались практически безрезультатными. Такой подход требует большого количества времени на формирование модели, и, кроме того, как правило, не представляется возможным поставить эксперимент, подтверждающий адекватность модели.

Плохо организованная система. Если существует необходимость представления объекта в виде плохо организованной или диффузной системы, то тогда не ставится задача определить все компоненты системы

иих связи с целями. Система характеризуется некоторым перечнем макропараметров и закономерностями, которые обнаруживаются при исследовании определенной с помощью ряда правил достаточно тщательной выборки компонентов или частей, отражающих исследуемый объект или процесс. Отображение объекта в виде диффузных систем нашло широкое применение при определении их пропускной способности, при определении численности штата, и т.д.

Самоорганизующаяся или развивающаяся система. Этот класс характеризуется рядом особенностей и признаков, приближающих их к реальным развивающимся объектам. В результате исследования этих особенностей выявлено важное отличие развивающихся систем с активными элементами от закрытых систем – принципиальная

18

ограниченность их формализованного описания. При изучении объекта как системы этого класса появляется возможность исследовать минимально изученные объекты и процессы с большой степенью неопределенности в начале постановки задачи. В качестве примера можно привести задачи, возникающие при создании сложных технических комплексов, а также при разработке и исследовании систем управления организациями.

Большинство существующих методик и моделей системного анализа представляют объекты в виде самоорганизующихся систем, хотя нередко это допускается по умолчанию. Формируя такие модели, необходимо менять привычное представление о них, имеющееся в математическом моделировании и прикладной математике. Доказательство адекватности таких моделей также существенно меняется. Оно реализуется как бы последовательно (по мере формирования системы), оценивая правильность отражения в каждой последующей модели связей и компонентов, необходимых для достижения конечного результата.

Впредлагаемой классификации систем использованы уже известные

ксередине 70-х гг. ХХ в. термины, и далее, образовывается единая классификация, в которой выделенные классы рассматриваются как

определенные подходы к решению задачи или отображению объекта. В осуществить выбор класса для отображения объекта в зависимости от уровня его познания и возможности получения о нем информации. Проблемным ситуациям с практически полным отсутствием начального определения соответствуют системы третьего класса представления объекта. В этом случае сам процесс моделирования становится как бы своего рода «механизмом» развития системы. Реализовать такой «механизм» возможно путем разработки порядка построения модели процесса принятия решения. Разработка модели начинается с применения системы знаков (языка моделирования). В основе этой системы лежит один из методов дискретной математики (например, теоретикомножественные представления, математическая лингвистика, математическая логика) или некоторых методов системного анализа (например, имитационное динамическое моделирование и т.д.). При необходимости моделирования сложных процессов (например, совершенствования организационных структур, процессов формирования структур целей, и т.п.) «механизм» развития или самоорганизации можно реализовать в форме соответствующей методики системного анализа.

Указанные признаки самоорганизующихся, или развивающихся, систем имеют различные проявления, которые в отдельных случаях можно выделить как самостоятельные особенности. Эти особенности наиболее часто обусловлены присутствием в системе активных элементов и имеют

19

двойственный характер: они являются новыми свойствами, используемыми для существования системы, а также дают возможность системе приспосабливаться к изменяющимся условиям среды, но в то же время существенно снижают определенность, затрудняют управление системой.

Обозначенный класс систем можно разбить на подклассы, в которых можно выделить адаптивные или самоприспосабливающиеся системы, самообучающиеся системы, самовосстанавливающиеся, самовоспроизводящиеся и т.п. классы систем, где в различной степени реализуются рассмотренные выше и еще не изученные (например, для самовоспроизводящихся систем) особенности.

В случае представления объекта классом самоорганизующихся систем задачи определения целей и выбора средств в основном разделяются. Определение целей, в свою очередь, может быть описано в виде самоорганизующихся систем. Содержание и строение основных направлений развития предприятия, план, структура функциональной части АСУ (автоматизированной системы управления) и т.д. должны последовательно развиваться, и здесь необходимо чаще включать «механизм» развития, как и задачи выбора средств, создания структуры обеспечивающей части АСУ, организационного состава предприятия и т.д.

20