Основы теории систем. Учебное пособие

дель. Классификацию систем можно осуществить по разным критериям и признакам, помня, однако, слова Антони Шефтебери, что «природа столь тонко связала концы, что одно переходит в другое и неразличимо».

Все системы можно разделить на два класса:

реальные (механические, биологические, химические…);

абстрактные, или концептуальные (языки, системы исчисле-

ния, теории, идеи, концепции…).

По происхождению системы (элементов, связей, подсистем):

искусственные (орудия, механизмы, машины, автоматы, роботы и т.д.);

естественные (живые, неживые, экологические и т.д.);

виртуальные (воображаемые, реально не существующие, но функционирующие так же, как и в случае, если бы они реально существовали);

смешанные (экономические, биотехнические, организационные и т.д.).

При этом все рассмотренные выше системы могут дополнительно классифицироваться по широкому спектру признаков.

По сложности структуры и поведения: простые, сложные,

сверхсложные (глобальные). Такое деление систем на классы неоднозначно, поэтому подробнее этот вопрос будет рассмотрен ниже.

По причинной обусловленности и виду формализованного ап-

парата представления: детерминированные и стохастические.

Детерминированными называют системы с четко определённой структурой и полностью предопределённым поведением.

Стохастическими называются системы, поведение которых носит вероятностный характер. Это системы, содержащие элементы с непредсказуемым воздействием на систему и (или) функционирующие под воздействием случайных факторов.

В действительности выделить абсолютно детерминированные или

стохастические системы невозможно, поэтому системы классифицируют по доминирующему признаку в контексте решаемой задачи.

51

По организации в пространстве: сосредоточенные и распреде-

ленные.

По отношению к времени: статические и динамические. Ста-

тической называется система, состояние которой не изменяется с течением времени. Динамической – система, состояние которой изменяется с течением времени. В широком смысле слова все является динамической системой.

По характеру протекания процессов: непрерывные, дискрет-

ные, дискретно-непрерывные.

По характеру взаимодействия с окружающей средой:

открытые системы – способны осуществлять обмен ресурсами с окружающей средой. Благодаря ресурсной подпитке открытые системы могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в направлении увеличения порядка и сложности;

замкнутые системы – не обмениваются ресурсами с окружающей средой;

системы с конечной степенью открытости;

активные системы – дают ответную реакцию на воздействующие факторы;

пассивные системы – не оказывают ответного воздействия на

среду.

В зависимости от воздействия на окружение и характер взаимодействия с другими системами функции систем можно расположить по возрастающему рангу следующим образом:

пассивное существование;

материал для других систем;

обслуживание систем более высокого порядка (прислуживание);

противостояние другим системам (выживание);

поглощение других систем (экспансия);

преобразование других систем и сред (активная роль).

В свою очередь можно привести характеристики и признаки

классификации внешней среды.

52

По характеру активности:

благодатная (представляет для системы источник ресурсов);

нейтральная;

агрессивная (агрессивно воздействует на систему, отбирает ресурсы у системы).

По уровню организованности:

организованная;

стихийная, неорганизованная (непредсказуемая в своих проявлениях).

По функциональному выражению:

ресурсная – источник материальных, энергетических и информационных ресурсов для системы;

информационная – частный вид ресурсной среды, когда в качестве ресурса выступает только информация;

конфликтогенная – источник противоборства и конфликтов с системой;

миссионерско-реализаторская – поле для реализации результа-

тов деятельности системы, выполнения её миссии.

По структуре среды:

гомогенная (однородное образование, включающее системы одной природы);

гетерогенная (состоит из систем различной природы). Вернёмся к классификации систем по степени организованности,

описанию закона функционирования, управляемости и сложности.

По степени организованности: хорошо организованные, плохо организованные (диффузные), самоорганизующиеся.

Систему можно назвать хорошо организованной, если определены ее элементы, их связи, правила их объединения в более крупные компоненты, а также цели, с которыми рассматривается ситуация и для достижения которых создается и функционирует система. Примеры хорошо организованных систем: модели солнечной системы, описывающие наиболее существенные закономерности движения

53

планет вокруг солнца; описание работы сложного электронного устройства с помощью системы уравнений.

Систему можно назвать плохо (недостаточно) организованной,

или диффузной (хаос-системой), если при ее представлении невозможно определить все компоненты, их свойства и связи между ними и целями системы. Такие системы характеризуются некоторым набором закономерностей и характеристик, которые определяются на основе выборочных исследований. При этом делаются соответствующие оговорки. Например, при получении статистических закономерностей их распространяют на поведение всей системы с некоторой доверительной вероятностью.

Самоорганизующиеся системы обладают способностями выхо-

дить на новый уровень развития, противостоять энтропийным процессам, адаптироваться к изменяющимся условиям, преобразуя при необходимости свою структуру и функционирование.

Становлению понятия самоорганизации в большой мере способствовали исследования в области синергетики, называемой часто теорией самоорганизации. Самоорганизующиеся системы обладают признаками диссипативных систем: стохастичностью поведения, нестационарностью отдельных параметров и процессов. К этому добавляются такие признаки, как непредсказуемость поведения; способность адаптироваться к изменяющимся условиям среды, изменять структуру при взаимодействии системы со средой, сохраняя при этом свойства целостности; способность формировать возможные варианты поведения и выбирать из них наилучший.

Синергетической концепцией диссипативных структур, возникающих при разрушении прежней и возникновении качественно новой организации за счёт диссипации (рассеяния) энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой энергии, что характерно для открытых систем, первоначально объяснялось явление самоорганизации. Впоследствии появились работы, опирающиеся на активное начало элементов системы (системогенетика А.И. Субетто, Ф.Е. Темникова, инициирование целей В.Н. Сагатовского, Ф.И. Перегудова).

54

Иногда в этом классе систем выделяют адаптивные или самоприспосабливающиеся системы, самовосстанавливающиеся, самовоспроизводящиеся и другие подклассы, соответствующие различным свойствам развивающихся систем.

Примерами могут служить биологические системы, коллективное поведение людей, организация управления на уровне предприятия, отрасли, государства в целом.

Процессы самоорганизации характеризуются темпоральностью

– свойством самоорганизации систем, в основе которого лежит функциональная взаимозависимость скорости и продуктивности системных процессов.

По типу описания законов функционирования системы:

типа «Черный ящик» (закон функционирования системы неизвестен; известны только входные воздействия и выходные реакции системы);

непараметризованные (закон не описан, известны лишь некоторые априорные свойства закона);

параметризованные (закон известен с точностью до параметров и его можно отнести к некоторому классу зависимостей);

типа «Белый (прозрачный) ящик» (полностью известен закон).

По способу управления системой (в системе):

управляемые извне системы (без обратной связи, регулируемые, управляемые структурно, информационно или функционально);

управляемые изнутри (самоуправляемые или саморегулируемые, программно управляемые, регулируемые автоматически, адаптируемые – приспосабливаемые с помощью управляемых изменений состояний и самоорганизующиеся – изменяющие во времени и в пространстве свою структуру наиболее оптимально, упорядочивающие свою структуру под воздействием внутренних и внешних факторов);

с комбинированным управлением (автоматические, полуавто-

матические, автоматизированные, организационные).

Наряду с рассмотренными признаками классификации возможно использование и многих других.

55

4.2. БОЛЬШИЕ И СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ

Существует ряд подходов к разделению систем по сложности. Так, например, в классификации Г.Н. Поварова выделяется четыре класса систем в зависимости от количества входящих в них элементов: малые системы (10…103 элементов), сложные (104…107 элементов), ультрасложные (108…1030 элементов), суперсистемы (1030…10200 элементов). Поскольку выделение элементов в системе определяется задачами и целями исследования, данное определение сложности является условным, субъективным и несколько наивным.

С. Бир разделял кибернетические системы на простые и сложные в зависимости от способа их описания: детерминированное или тео- ретико-вероятностное.

А.И. Берг определял сложную систему как систему, которую можно описать не менее чем на двух различных «математических языках», например, с помощью дифференциальных уравнений и алгебры Буля. Часто сложными называют системы, которые нельзя корректно описать математически либо из-за большого количества содержащихся в системе элементов, неизвестным образом связанных друг с другом, либо по причине неизвестности природы происходящих в ней явлений.

В современной теории систем большой системой (системой большого масштаба, Large Scale Systems) называют систему, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой компонентов и способна выполнять сложную функцию, и если ее исследование или моделирование затруднено из-за большой размерности. Какую же размерность нужно считать большой, возможно судить только для конкретной проблемы (системы), конкретной цели и конкретных ресурсов.

Большая система сводится к системе меньшей размерности использованием более мощных исследовательских средств (ресурсов) либо разбиением задачи на ряд задач меньшей размерности, если это возможно.

56

Все это свидетельствует об отсутствии единого определения понятия сложности системы. Четких границ, отделяющих малые системы от больших и простые системы от сложных, нет. Деление это условно и связывается, в основном, с наличием в составе системы отдельных подсистем и функциональной избыточностью, а также рядом свойственных таким системам характерных особенностей:

неоднородность и большое количество элементов в системе;

большое разнообразие возможных состояний;

неопределенность и сложность реализуемых функций;

многофункциональность системы заданной структуры, которая проявляется в свойствах гибкости, адаптации, живучести;

сложный характер взаимосвязей и взаимодействий между элементами, наличие прямых и обратных связей в системе;

наличие и иерархичность структуры управления;

невозможность формального описания системы в целом в рамках одного метода или подхода.

Кроме того, большие и сложные системы, как правило, предполагают наличие человека в контуре управления. Участие человека позволяет учитывать социальные, психологические, моральные факторы, которые не поддаются формализации, позволяет принимать решения на основе неполной информации, принимать в расчет и обобщать априорную информацию на основе знаний и опыта.

Обобщая сказанное с позиций системного подхода, можно выде-

лить три системные концепции сложных систем:

Структурная концепция, в рамках которой система рассматривается как целостность взаимосвязанных элементов. При этом отношения между элементами придают системе дополнительные качества: интегративность, эмерджентность. Следствием интегрального эффекта является то, что локальная оптимизация одного из объектов или процессов системы оказывается неэффективной и нередко убыточной.

Иерархическая концепция, которая строится на утверждении, что любая система входит в систему более высокого уровня, а её от-

57

дельные части могут рассматриваться как подсистемы. Такие связи не однозначны и могут образовывать многоуровневые структуры.

Функциональная концепция, которая основана на том, что система характеризуется входными и выходными сигналами и параметрами состояния. При этом решаются вопросы: «что делает система?», «как изменяются её параметры?», «как она взаимодействует с внешней средой?».

Более строгое и формализуемое определение сложной системы может быть сформулировано на основе понятия «дефицита ресурса».

Система называется сложной, если у пользователя не хватает ресурсов для понимания и эффективного описания её состояний и законов функционирования, для определения и описания управляющих параметров и методов принятия решений в таких системах.

В рамках такого подхода можно выделить различные виды сложности систем:

структурной или статической (не хватает ресурсов для по-

строения, описания, управления структурой);

динамической или временной (не хватает ресурсов для описания динамики поведения системы и управления ее траекторией);

информационной или информационно-логической, инфоло-

гической (не хватает ресурсов для информационного, информацион- но-логического описания системы);

вычислительной или сложности реализации, исследования

(не хватает ресурсов для эффективного прогноза, расчетов параметров системы, или их проведение затруднено нехваткой ресурсов);

алгоритмической или конструктивной (не хватает ресурсов для описания алгоритма функционирования или управления системой, для функционального описания системы);

развития или эволюции, самоорганизации (не хватает ресур-

сов для устойчивого развития, самоорганизации).

Чем сложнее рассматриваемая система, тем более разнообразные

иболее сложные внутренние информационные процессы приходится актуализировать для того, чтобы была достигнута цель системы.

58

Структурная сложность системы оказывает влияние на динамическую, вычислительную сложность. Изменение динамической сложности может привести к изменениям структурной сложности, хотя это не является обязательным условием. При этом сложной системой может быть и система, не являющаяся большой системой; существенным при этом может стать связность (сила связности) элементов и подсистем системы.

Сложность системы также может быть внешней и внутренней. Внешняя сложность определяется сложностью взаимоотноше-

ний с окружающей средой, сложностью управления системой потенциально оцениваемых по обратным связям системы и среды.

Внутренняя сложность определяется сложностью множества внутренних состояний, потенциально оцениваемых по проявлениям системы, сложностью управления в системе.

Понятие сложности детализируется и конкретизируется в различных предметных областях по-разному. Для конкретизации этого понятия необходимо учитывать предысторию, внутреннюю структуру системы и управления, приводящие систему к устойчивому состоянию. Впрочем, все внутренние связи на практике достаточно трудно не только описать, но и обнаружить.

Например, сложность иерархической системы можно определить как число уровней иерархии. Увеличение сложности при этом требует больших ресурсов для достижения цели. Сложность линейной и матричной структур – как количество подсистем системы. Сложность сетевой структуры – как максимальную из сложностей всех линейных структур соответствующих различным стратегиям достижения цели.

В математических, формальных системах сложность системы может пониматься как алгоритмизируемость, вычислимость оператора системы, в частности, как число операции и операндов, необходимых для получения корректного результата при любом допустимом входном наборе.

Само понятие сложности системы не является чем-то универсальным, неизменным и может меняться динамически, от состояния к

59

состоянию. При этом и слабые связи, взаимоотношения подсистем могут повышать сложность системы.

Уменьшив сложность системы зачастую можно увеличить её информативность, исследуемость. Например, выбор рациональной проекции пространственного объекта делает чертеж более информативным, использование микроскопа позволяет рассмотреть некоторые невидимые невооружённым глазом свойства объекта.

4.3.КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

ИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СИСТЕМ

Более детальный анализ сложных систем может быть произведён на основании классификаций элементов и функциональных осо-

бенностей системы [18]. Под элементом в данном случае будем понимать часть системы (собственно элемент, компонент, подсистему). Рассмотрим классификацию элементов по следующим признакам.

По роли в системе:

основной элемент – играет главную роль в системе;

неосновной, второстепенный.

По активности в системе:

активный – воздействующий на процессы;

пассивный – слабо воздействующий на процессы в системе.

По степени самостоятельности:

программный – элемент с жёсткой логикой функционирования;

адаптивный – обладает способностью приспособления к условиям работы;

инициативный – обладает способностью изменить условия работы (действительность).

По отношению к этапам жизненного цикла системы:

постоянный – существующий на нескольких этапах жизненного цикла системы;

временный – возникающий на короткие периоды работы сис-

темы;

60