Основы теории систем. Учебное пособие

чивой, если она сохраняет тенденцию стремления к тому состоянию, которая наиболее соответствует целям системы, целям сохранения качества без изменения структуры или не приводящим к сильным изменениям структуры системы на некотором заданном множестве ресурсов (например, на временном интервале). Понятие «сильное изменение» каждый раз должно быть конкретизировано.

В упрощённом толковании устойчивость – это способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий.

Стабильное (равновесное) состояние – состояние, в котором сис-

тема способна сохранять свою целостность и свои характеристики.

Устойчивое состояние равновесия – состояние, в которое сис-

тема способна возвращаться после того, как она была выведена из этого состояния под влиянием внешних возмущающих воздействий.

Переходное состояние – состояние системы, находящейся в процессе, на интервале между двумя стабильными состояниями.

Кризисное состояние – состояние, в котором система перестаёт соответствовать своему назначению.

Процесс – изменение состояния системы. Функционирование – деятельность системы без смены целей.

Поведение. Если система способна переходить из одного состояния в другое определённым образом, то говорят, что она обладает поведением. В основном понятие «поведение» используют в отношении организационных и человеко-машинных систем. Поведение системы связано с характером взаимодействия с окружающей средой и другими системами, но в отличие от управления, когда изменение состояния системы достигается за счет внешних воздействий, поведение реализуется исключительно самой системой исходя из собственных целей.

Ограничения – условия и связи, сужающие область функционирования системы. Такими ограничениями могут быть: предельные возможности объекта управления, возможности органа управления, законы, указания и распоряжения вышестоящих органов в организационных системах.

41

Развитие – это процесс перехода из одного состояния в другое, более совершенное, переход из старого качественного состояния в новое качественное состояние, от низшего к высшему. Как правило, это деятельность системы со сменой целей.

Развитие может происходить медленно, естественным путём (эволюционно) или скачкообразно (революционно), под воздействием внутренних сил системы или внешних факторов. Механизмы развития могут носить детерминированный, бифуркационный или вероят- ностно-статистический характер.

В результате процесса развития система претерпевает изменения, которые можно классифицировать по доминирующему типу преоб-

разования:

субстратное преобразование – ориентированное на изменение природы элементов, состава системы;

структурное преобразование – направленное на изменение структуры системы;

организационное преобразование;

функциональное преобразование – ориентированное на совер-

шенствование функций системы.

Адаптация – приспособление системы к условиям окружающей среды без потери своей идентичности.

Робастность (от англ. robust – крепкий, сильный) – способность сохранять частичную работоспособность сложной системы при отказе её отдельных элементов или подсистем. Робастность обеспечивается структурной или (и) функциональной избыточностью.

Живучесть – способность системы находиться в функциональном состоянии. Живучесть системы характеризуется средним временем или вероятностью пребываниясистемыв функциональном состоянии.

Восстанавливаемость – способность системы переходить в состояние, в котором она может выполнить возлагаемые на неё функции в соответствии с целевым назначением.

Надежность – способность системы работать без отказов. На-

дёжность характеризуется средним временем безотказной работы (наработкой на отказ) или вероятностью безотказной работы.

42

Деградация – ухудшение характеристик системы.

Разрушение – приведение к неупорядоченности, потеря целостности, повышение энтропийности вплоть до достижения хаоса.

Гомеостаз (греч. homeo – подобный, stasis – неподвижность) – способность системы сохранять в процессе взаимодействия со средой значения своих характеристик в некоторых заданных пределах, основанная на внутренней устойчивости к возмущающим воздействиям внешней среды. Понятие было впервые введено биологом Кэнноном для физиологических процессов, поддерживающих существенные состояния организма (температура, кровяное давление).

Управляемость – способность системы изменять своё состояние. Идентифицируемость системы означает наличие у неё отличительных признаков, которые позволяют выделять её из множества

других систем.

Эквифинальность – свойство системы приходить в некоторое состояние, определяемое лишь её собственной структурой, независимо от начального состояния и изменения внешней среды.

3.5. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ СИНЕРГЕТИКИ В ТЕОРИИ СИСТЕМ

Базовыми для синергетики являются три основные идеи:

открытость, неравновесность и нелинейность. С синергетикой устойчиво ассоциируются такие понятия и явления как:

аттракторы, бифурикация, самоорганизация, хаос и детерминированный хаос, открытие системы в неравновесном состоянии, фракталы, диссипативные процессы.

Открытость – способность системы постоянно обмениваться веществом, энергией, информацией с окружающей средой и обладать как «источниками» – зонами подпитки ее энергией окружающей среды, действие которых способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, так и «стоками» – зонами рассеяния, «сброса» энергии, в результате действия которых происходит сглаживание структурных неоднородностей в системе.

43

Неравновесность можно определить как состояние открытой системы, при котором происходит изменение ее макроскопических параметров, то есть ее состава, структуры и поведения.

Состояние равновесия может быть устойчивым (стационарным) и динамическим. О стационарном равновесном состоянии говорят в том случае, если при изменении параметров системы, возникшем под влиянием внешних или внутренних возмущений, система возвращается в прежнее состояние. Состояние динамического (неустойчивого) равновесия имеет место тогда, когда изменение параметров влечет за собой дальнейшие изменения в том же направлении и усиливается с течением времени. Важно подчеркнуть, что такого рода устойчивое состояние может возникнуть в системе, находящейся вдали от стационарного равновесия.

Открытые системы, попав в область неравновесности, проявляют сложное поведение, в том числе и хаотическое. Для такого рода систем характерно двойственное рассмотрение их поведения: как с точки зрения динамики, когда доминирующую роль играет энергия, так и с точки зрения протекающих в них информационных процессов, когда основную роль играет «смысловое» содержание сигналов управления. В таких условиях в системе могут возникнуть элементы самоорганизации, когда оба процесса – энергетический и информационный – образуют единое целое, приводящее к когерентному поведению большого числа переменных системы.

Нелинейностью называется свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы. Всякий раз, когда поведение таких объектов удается выразить системой уравнений, эти уравнения оказываются нелинейными в математическом смысле. Математическим объектам с таким свойством соответствует возникновение множества решений вместо одного единственного решения системы уравнений, описывающих поведение системы. В отличие от линейных систем, подсистемы которых слабо взаимодействуют, то есть обладают свойством аддитивности, поведение каждой

44

подсистемы в нелинейной системе определяется в зависимости от координации с другими. Это создает феномен сложного и разнообразного поведения, не укладывающегося в единственную теоретическую схему. Эволюция поведения данного типа систем сложна и неоднозначна, поэтому внешние или внутренние воздействия могут вызвать отклонения такой системы от ее стационарного состояния в любом направлении.

Важным достижением синергетики является открытие механизма

резонансного возбуждения. Оказывается, что система, находящаяся в неравновесном состоянии, чутка к воздействиям, согласованным с ее собственными свойствами. Поэтому флуктуации во внешней среде оказываются не «шумом», а фактором генерации новых структур. Малые, но согласованные с внутренним состоянием системы внешние воздействия на нее могут оказаться более эффективными, чем большие. Нелинейные системы демонстрируют неожиданно сильные ответные реакции на релевантные их внутренней организации резонансные возмущения.

Понятие нелинейность начинает использоваться все шире, приобретая мировоззренческий смысл. Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и её необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью.

Синергетика изучает два типа структур: диссипативные и неста-

ционарные.

Диссипативные структуры появляются в открытых колебательных системах с сильной внешней подпиткой. Запасенная в них энергия способна высвобождаться в частности при поступлении в систему слабых возбуждений, а отклик системы на это возбуждение может быть непредсказуемо сильным. Диссипативные структуры «живут» за счёт использования отторгнутой энергии внешней среды.

Диссипативные системы имеют внутренние степени свободы, или параметры порядка, соответствующие их внутренним аттракторам, т.е. некоторым мультистабильным состояниям. Отсюда следу-

45

ет, что выбор соответствующей траектории движения в бифуркационных точках системы будет определяться состоянием внутренних степеней свободы, т.е. параметров порядка. Если размазывающий процесс диссипации (диффузия, молекулярный хаос) ведет равновесную систему к хаосу, то в неравновесных системах он приводит, напротив, к возникновению новых структур, так как устраняет все нежизненные, неустойчивые состояния. «Диссипативность – фактор

"естественного отбора", разрушающий все, что не отвечает тенденциям развития» (И. Пригожин)

Флуктуации – движения элементов микроуровня, обычно расцениваемые как случайные и не составляющие интереса для исследователя. Флуктуации бывают внутренние (внутрисистемные) и внешние (микровозмущения среды). В зависимости от своей силы флуктуации, воздействующие на систему, могут иметь совершенно разные для нее последствия. Если флуктуации открытой системы недостаточно сильны, система ответит на них возникновением сильных тенденций возврата к старому состоянию, структуре или поведению. Если флуктуации очень сильны, система может разрушиться. И, наконец, третья возможность заключается в формировании новой диссипативной структуры и изменении состояния, поведения и состава системы.

Любая из описанных возможностей может реализоваться в так называемой точке бифуркации, вызываемой флуктуациями, в которой система испытывает неустойчивость. Явление бифурикации типично для большинства процессов, развивающихся во времени. Точка бифуркации представляет собой переломный, критический момент в развитии системы, в котором она осуществляет выбор пути; иначе говоря, это точка ветвления вариантов развития, точка, в которой про-

исходит «катастрофа».

Термином «катастрофа» в теории самоорганизации называются качественные, скачкообразные изменения, возникающие при плавном изменении внешних условий.

Влияние на систему как внешних, так и внутренних флуктуаций различных видов основано на действии кумулятивного эффекта,

46

который заключается в том, что незначительная причина вызывает цепь следствий, каждое из которых все более существенно. Кумулятивный эффект способствует накоплению определенных свойств системы. Нередко он непосредственно связан с петлей положительной обратной связи.

При построении и анализе многосвязных систем управления нелинейными многомерными динамическими объектами плодотворной оказывается идея притягивающих инвариантных многообразий – аттракторов, представляющих собой устойчивые состояния системы. Такие аттракторы формируют внутрисистемные динамические связи, в результате чего в фазовом пространстве системы возникает ко-

герентное коллективное движение. Это позволяет реализовать на-

правленную самоорганизацию коллективного состояния в динамических системах различной природы.

3.6. УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ И УПРАВЛЕНИЕ В СИСТЕМЕ

Под управлением системой понимается воздействие на систему с целью обеспечения её функционирования для решения определённых задач, необходимых для достижения намеченных целей.

Объект управления – элемент системы, воздействие на который приводит к изменениям показателей её функционирования для достижения определённых целей.

Орган управления – элемент системы, оказывающий воздействие на объект управления.

Параметры управления – совокупность условий,

характеризующих режим работы системы. Для экономической системы одним из многих параметров управления является величина средств, выделяемых на статью бюджета.

Выделяют следующие виды управления системами:

Целевое. В этом случае выработка, реализация и коррекция управленческих воздействий ориентированы на достижение намеченных целей. Недостатком целевого управления является чрезмерный априорный детерминизм в оценке ситуации.

47

Программно-целевое. Под определённые и упорядоченные цели вырабатываются программы управления и формируются организационные структуры, обеспечивающие реализацию программ. Недостаток тот же плюс рост бюрократии.

Плановое. При этом виде управления разрабатывается план предстоящей деятельности (изменений), закрепляются соответствующие подразделения за пунктами плана, осуществляется контроль по ресурсам, результатам и срокам. Недостатки заключаются в субъективизме планирования и сдерживании механизмов саморазвития.

Комплексное. Управление осуществляется с учётом множества составляющих управленческого процесса. Достоинства подхода очевидны, однако проблема в реализации данного подхода заключается в невозможности учёта всех составляющих и сложности оценки значимости каждого фактора.

Равновесное. Управление осуществляется путём формирования и поддержания баланса действующих сил системы. Такой вид управления хорош для стабильных (консервативных) систем. В иных случаях тормозится развитие систем.

Антикризисное. По результатам диагностики и мониторинга системы вырабатываются меры по профилактике и выходу из кризиса управляемой системы. К этому виду управления прибегают в особых форс-мажорных условиях, понимая, что он достаточно сложен и требует дополнительных затрат.

Синергетическое. Выявляются критические точки (точки бифуркации) в управляемой системе, вырабатываются меры по обеспечению синергетических процессов в этих точках (нововведений, резонанса, стартового взрыва). Этот вид управления сложен, требует больших затрат и высокопрофессионального персонала.

Иерархическое. Формируются иерархии, закрепляются уровни от-

ветственности и соподчинения, формулируются задачи перед верхним уровнем иерархии. Вид управления достаточно распространённый, но требует больших временных затрат на принятие и исполнение управленческих решений и способствует коллективной безответственности.

48

Операциональное. Процесс управления разбивается на операции, строится и оптимизируется сетевая операционная модель, на основе которой реализуется управление.

Ситуационное. Определяется тип ситуации, выделяются параметры ситуации, на которые направляются управляющие воздействия. Проблемы в реализации этого вида управления связаны со сложностью анализа ситуаций.

Оптимальное. На основе выбора или построения критериев оптимальности разрабатываются и реализуются соответствующие алгоритмы управления. Вид управления весьма привлекателен, но применение его возможно лишь для хорошо формализуемых систем. Определение критериев требует высокой квалификации и знания предметной области.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое система? Назовите основные признаки и характерные отличия систем.

2.Что такое элемент, компонент и подсистема? Сопоставьте эти понятия. Каким образом проводят выделение подсистем из систем?

3.Что такое прямая и обратная связи? Охарактеризуйте положительную и отрицательную обратные связи, как механизмы коллективного взаимодейст-

вия в сложных системах.

4.Определите понятия, характеризующие функционирование систем (состоя-

ние, поведение, равновесие, устойчивость, развитие).

5.Дайте общую характеристику сетевых и иерархических, централизованных и децентрализованных структур.

6.Назовите характерные признаки и отличия стратифицированных иерархиче-

ских структур.

7.Охарактеризуйте слоистые иерархические структуры. Приведите примеры слоистых структур.

8.Что такое эшелонированные структуры? В чём их характерные отличия от других видов иерархических структур?

9.Охарактеризуйте понятия «равновесие», «равновесность» и «устойчивость».

10.Охарактеризуйте понятия «функционирование», «поведение» и «развитие» системы.

49

11.Охарактеризуйте понятия «адаптивность», «робастность» и «надёжность» системы.

12.Назовите и охарактеризуйте основные понятия синергетики.

13.Синергетика и самоорганизация. В чём их общность?

14.Объясните смысл и значение понятий «открытость» и «неравновесность» в

теории самоорганизации и синергетике.

15.Объясните смысл понятия «нелинейность» и роль этого свойства в теории самоорганизации и синергетике.

16.Охарактеризуйте целевое, программно-целевое и плановое управление сис-

темами.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ

Необобщенные данные – не более чем сплетня. (Постулат Пирсига)

Одни говорят, что это камень, другие – что это птица. В действительности это яйцо. (Ланца Дель Васто)

4.1.ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ КЛАССИФИКАЦИИ

ИВИДЫ СИСТЕМ

Классификации всегда условны и относительны, что, однако, не умаляет важности «хорошей» классификации в любой области знаний. Различают два вида классификаций: искусственную и естественную.

При искусственной классификации разделение на классы производится исходя из сформулированных целей и задач (по принципу «как надо»).

Естественные классификации подсказываются природой систем, и производятся по принципу «как есть». Формально это проявляется явной неоднородностью рассматриваемого множества классифицируемых объектов. Естественные группы (кластеры) как бы напрашиваются быть определёнными как классы.

Классификация – простейшая абстрактная модель разнообразия реальности. При этом всегда надо помнить о том, что это только мо-

50