Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория технических систем и методы инженерного творчества в решении задач автоматизации технологических процессов. Учебное пособие
.pdf
под влиянием внешних (или в системах с активными элементами – внутренних) воз-
мущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам только 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 неустой-
чивые 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 ими можно пользо-
ваться в основном как некоторыми аналогиями для предварительного описания пове-
дения системы.
Эмпирически обнаруженная закономерность о существовании порога в дей-
ствиях обобщается и формулируется так: для изменения состояния системы необхо-
дим прирост действия, превосходящий некоторый порог,– квант (от лат. quantum–
сколько), который является в общем случае функцией количества определенного ве-
щества, количества энергии определенного качества и информации определенного
качества и количества.
Существование порогов позволяет не только стратифицировать изучаемые объ-
екты, но и устанавливать области их устойчивого функционирования. Так, если O(a,
b, c) есть точка равновесия некой системы, заданная в трёхмерном пространстве состояний (x,y,z), то область устойчивости может быть задана сферой:
(x–a)2 + (y–b)2 + (z–c)2 = R2,
где R– условный порог устойчивости.
В том случае, когда система обладает единственной областью устойчивости, с
превышением отклоняющего воздействия ξ, порога R(ξ>R) происходит нарушение её
31
функционирования в том смысле, что она уже не может вернуться в точку равновесия.
Если отклоняющее воздействие не превосходит порог ξ<R, то функционирование си-
стемы не нарушается, она возвращается в точку своего равновесия. При наличии у
системы нескольких областей устойчивости, она под отклоняющими воздействиями
может либо перейти в другую устойчивую область (при ξ > R), либо вернуться в преж-
нюю точку равновесия (при ξ<R). Система, у которой существует одна единственная
область устойчивости, называется системой с сильной или глобальной устойчиво-
стью. Система, обладающая множеством устойчивых областей, в каждую из которых
она способна переходить в результате отклоняющих воздействий, называется систе-
мой со слабой или локальной устойчивостью. По всей видимости, в природе не суще-
ствует систем с областями сильной устойчивости. Такая система, скорее всего, – аб-
стракция. Однако подобное абстрагирование часто встречается в практике системных
исследований. Это связано, прежде всего, с недостаточной изученностью объекта, ко-
гда по той или иной причине не представляется возможным провести его стратифи-
кацию и установить весь спектр областей устойчивости (за исключением одной оче-
видной области, явно проявившей себя).
Конечно, можно предположить, что существование порогов – не более чем ил-
люзия: достаточно увеличить детальность изучения процесса, ввести более мелкий
масштаб, и пороги исчезнут сами собой. Однако более убедительной и конструктив-
ной представляется иная точка зрения, согласно которой всем взаимодействиям при-
суща иерархия в порогах действия, обусловленная дискретностью, а точнее, бинарно-
стью устройства нашего мира, то есть мира, воспринимаемого нашими органами
чувств. Любая, сколь угодно подробная, детализация образующих его объектов при-
водит лишь к появлению новых порогов в действиях, но не исключает их вовсе. Там,
где заканчивается бинарность, исчезает источник движения всего сущего и начина-
ется не наш, а другой мир – мир единого, непрерывного и нерасчленимого.
Развитие. Это понятие помогает объяснить сложные термодинамические и ин-
формационные процессы в природе и обществе. Исследование процесса развития, со-
отношения развития и устойчивости, изучение механизмов, лежащих в их основе, –
наиболее сложные задачи теории систем. Ниже будет показано, что целесообразно
32
выделять особый класс развивающихся (самоорганизующихся) систем, обладающих
особыми свойствами и требующих использования специальных подходов к их моде-
лированию.
В развивающихся системах говорят о динамическом равновесии, и устойчи-
вость можно условно представить состоянием равновесия как бы «на ступеньке».
Внешнее воздействие может либо вывести систему на более высокий уровень, либо
«столкнуть» её на более низкий.
1.5 Вопросы для самоконтроля
1) Какие бывают классы технических систем по происхождению?
2) Какова цель и структура теории технических систем?
3) Какие виды теории технических систем вы знаете?
4) Какова взаимосвязь теории с другими дисциплинами?
4) Каково применение теории технических систем?
5) Что такое элемент, компоненты и подсистем?
6) Что такое связь?
7) Какие виды отношений вам известны?
8) Что такое цель системы?
9) Что такое структура системы?
10) Что такое состояние, поведение, равновесие системы?
11) Что такое устойчивость системы?
33
2 Закономерности функционирования и развития систем
Закономерности
систем
Закономерности
взаимодействия части и
целого
Целостность или эмерджентность
Прогрессирующая систематизация
Прогрессирующая факторизация
Аддитивность
Закономерности
иерархической
упорядоченности систем
Коммуникативность
Иерархичость
Закономерности
осуществимости систем
Эквифинальность
Закон "необходимого разнообразия"
У.Р.Эшби
Потенциальная осуществимость
Б.С.Флейшмана
Закономерности развития
систем
Историчность
Самоорганизация
Закономерности функционирования и развития систем (в более краткой фор-
мулировке – закономерности систем) – общесистемные закономерности, характери-
зующие принципиальные особенности построения, функционирования и развития
сложных систем.
Такие закономерности Людвиг фон Берталанфи вначале называл системными
параметрами, а А. Холл – макроскопическими свойствами и закономерностями.
Закономерности систем можно условно разделить на четыре группы, приведён-
ные в соответствии с рисунком 2.1.
Рисунок 2.1 – Закономерности систем
34
2.1 Закономерности взаимодействия части и целого
;
1
n
i
is
qQ
).(isqfQ
В процессе изучения особенностей функционирования и развития сложных от-
крытых систем с активными элементами был выявлен ряд закономерностей, помога-
ющих глубже понять диалектику части и целого в системе, чтобы учитывать их при
принятии решений. Рассмотрим основные из этих закономерностей.
Целостность. Закономерность целостности (эмерджентностъ) проявляется в
системе в появлении (emerge – появляться) у нее новых свойств, отсутствующих у
элементов. Другими словами, система, состоящая из нескольких выделенных частей,
обладает целостностью, если:
а) в нем в результате взаимодействия частей образуется новое качество (обще-
системное свойство), отсутствующее у частей;
б) каждая составная часть приобретает иные качества (системные свойства ком-
понентов) по сравнению с качествами, присущими этим же частям вне данного объ-
екта.
Проявление этой закономерности легко пояснить на примерах поведения попу-
ляций, социальных систем и даже технических объектов (свойства станка отличаются
от свойств деталей, из которых он собран).
Для того чтобы глубже понять закономерность целостности, необходимо,
прежде всего, учитывать две её стороны:
1) свойства системы (целого) Qs не являются простой суммой свойств составля-
ющих её элементов (частей) qi:
2) свойства системы (целого) зависят от свойств составляющих её элементов
(частей):
Кроме двух основных сторон, следует иметь в виду еще одну:
3) объединенные в систему элементы, как правило, утрачивают часть своих
свойств, присущих им вне системы, то есть система как бы подавляет ряд свойств
35
элементов; но, с другой стороны, элементы, попав в систему, могут приобрести новые
свойства.
Поясним это на примерах. Так, из датчиков, транзисторов, резисторов и других
деталей может быть собрана система управления станком. При этом система, полу-
ченная из деталей-элементов, проявляет новые свойства по сравнению со свойствами
каждого из отдельно взятых элементов, а элементы утрачивают при объединении в
систему часть своих свойств. Например, транзистор может использоваться в различ-
ных режимах работы в разных устройствах – радиоприемниках, телевизорах и т. п., а
став элементом системы автоматического управления станком, он утратил эти воз-
можности и сохранил только свойство работать в необходимом для этой схемы ре-
жиме. Аналогично производственная система в рабочее время подавляет у своих эле-
ментов-рабочих вокальные, хореографические и некоторые другие способности и ис-
пользует только те свойства, которые нужны для осуществления процесса производ-
ства. Еще в большей степени подавляет проявление способностей человека конвейер.
Таким образом, первая сторона закономерности целостности характеризует из-
менение взаимоотношений системы как целого со средой (по сравнению с взаимодей-
ствием с ней отдельно взятых элементов) и утрату элементами некоторых свойств,
когда они становятся элементами системы. Эти изменения бывают настолько рази-
тельны, что может показаться, будто свойства системы вообще не зависят от свойств
элементов. Поэтому необходимо обращать внимание на вторую сторону закономер-
ности целостности.
В самом деле, если транзистор или другой элемент вышел из строя или если
поставлен датчик с другой чувствительностью, то либо система управления станком
вообще перестанет существовать и выполнять свои функции, либо, по крайней мере,
изменятся ее характеристики (во втором случае). Аналогично замена элементов в ор-
ганизационной структуре системы управления предприятием может существенно по-
влиять на качество его функционирования.
Свойство целостности связано с целью, для выполнения которой создается си-
стема. При этом если цель не задана в явном виде, а у отображаемого объекта наблю-
36
даются целостные свойства, можно попытаться определить цель или выражение, свя-
зывающее цель со средствами ее достижения (целевую функцию, системообразую-
щий критерий), путем изучения причин появления закономерности целостности.
В приведенном примере целостность определяется конструкцией системы
управления станком, технологической схемой взаимодействия деталей и узлов. Но в
подобных примерах и цель несложно сформулировать. А вот в организационных си-
стемах не всегда сразу легко понять причину возникновения целостности и требуется
проводить анализ, позволяющий выявить, что привело к возникновению целостных,
системных свойств.
Исследованию причин возникновения целостных свойств в теории систем уде-
ляется большое внимание. Однако в ряде реальных ситуаций не удается выявить фак-
торы, обусловливающие возникновение целостности. Тогда системные представле-
ния становятся средством исследования: благодаря тому, что отображение объекта в
виде системы подразумевает в силу закономерности целостности качественные изме-
нения при объединении элементов в систему и при переходе от системы к элементам
(и эти изменения происходят на любом уровне расчленения системы), можно хотя бы
структурой представить объект или процесс, для изучения которого не может быть
сразу сформирована математическая модель, требующая выявления точных, детер-
минированных взаимоотношений между элементами системы.
Иными словами, с помощью понятий система и структура можно отображать
проблемные ситуации с неопределенностью, при этом как бы разделяют «большую»
неопределенность на более «мелкие», которые в ряде случаев легче поддаются изуче-
нию, что помогает выявить причины качественных изменений при формировании це-
лого из частей. Расчленяя систему, можно анализировать причины возникновения це-
лостности на основе установления причинно-следственных связей различной природы между частями, частью и целым, выявления причинно-следственной обусловленности целого средой.
Наряду с изучением причин возникновения целостности, можно получать по-
лезные для практики результаты путем сравнительной оценки степени целостности
систем (и их структур) при неизвестных причинах ее возникновения. В связи с этим
37
обратимся к закономерности, двойственной по отношению к закономерности целост-
.
1
n
i
is
qQ
ности. Её называют физической аддитивностью, независимостью, суммативно-
стью, обособленностью.
Свойство физической аддитивности проявляется у системы, как бы распав-
шейся на независимые элементы; тогда становится справедливым
В этом крайнем случае и говорить-то о системе нельзя. Но, к сожалению, на
практике существует опасность искусственного разложения системы на независимые
элементы, даже когда при внешнем графическом изображении они кажутся элемен-
тами системы.
Строго говоря, любая развивающаяся система находится, как правило, между
состоянием абсолютной целостности и абсолютной аддитивности, и выделяемое со-
стояние системы (ее «срез») можно охарактеризовать степенью проявления одного из
этих свойств или тенденций к его нарастанию или уменьшению.
Для оценки этих тенденций А. Холл ввел две сопряженные закономерности, ко-
торые он назвал прогрессирующей факторизацией – стремлением системы к состоянию со всё более независимыми элементами, и прогрессирующей систематиза-
цией – стремлением системы к уменьшению самостоятельности элементов, то есть к
большей целостности.
В последнее время появляются попытки введения сравнительных количествен-
ных оценок степени целостности α и коэффициента использования свойств элементов
β в целом.
С другой стороны, неаддитивность проявляется в том, что свойства изучаемой
системы невозможно свести к свойствам её частей, а также вывести лишь из них. Этот
признак в несколько иной интерпретации можно выразить формулой: если изучаемый
объект представляется в данном исследовании как система, то при любом способе
разделения такого объекта на части невозможно выявить его целостные свойства.
38
Эффективность любой реальной системы представляет собой весьма сложную
функцию от частных эффективностей её компонентов, которую можно выразить в
аналитической форме лишь в исключительных случаях. Как правило, задать такую
функцию удается только в модельном виде.
Неаддитивность является следствием так называемого синергетического эф-
фекта (от греческого synergeia – содружественное, совместное), физический смысл
которого состоит в следующем. В процессе взаимодействия объектов, объединенных
в систему, происходит их самосинхронизация: под воздействием либо внешних, либо
внутренних факторов они начинают вести себя таким образом, что поведение каж-
дого отдельного компонента приобретает согласованную направленность. Их дей-
ствия становятся когерентными (от латинского cohaerentia – сцепление, связь), или
кооперативными (от латинского cooperatio – сотрудничество). Результирующий эффект такого когерентно-кооперативного действия получается иным, нежели простая
сумма эффектов действий каждого компонента в отдельности. Так, если речь идет о
синергетическом «сложении» мощностей, то когерентность выражается в том, что си-
стема начинает черпать дополнительную энергию из окружающего пространства и
концентрировать ее в нужном направлении. В результате суммарная сила действия
превышает сумму действий частей.
В социологических исследованиях хорошо известен так называемый фактор
толпы, представляющий собой не что иное как проявление синергетического эффекта
в системе, состоящей из множества людей с самогенерируемым кооперативным по-
ведением.
Простейшим примером, объясняющим возникновение синергетического эф-
фекта в технике и в природе, может служить резонанс – явление резкого возрастания
амплитуды электрических, механических и других колебаний в системе, когда ча-
стота ее собственных колебаний совпадает с частотой колебаний внешней силы. Ре-
зонансы нарушают простоту движения систем, и приводят к тому, что периодическое
или почти периодическое движение переходит то в случайное, то в детерминирован-
ное. Описать такое движение аналитическими функциями классической динамики
становиться уже невозможным.
39
Неаддитивный характер взаимодействия компонентов систем порождает из-
вестный парадокс: не расчленив систему на части, очень трудно ее изучать, но, обосо-
бив составные части, можно легко потерять суть целого и неправильно установить
свойства частей. Выход из такого положения состоит в совместном применении прин-
ципов «от целого к частям» и «от частей к целому», то есть в организации процесса
исследований в виде поэтапного разукрупнения изучаемого объекта на эшелоны,
страты и слои с одновременным установлением связей между ними за счет организа-
ции итегративных циклов.
Интегративность. Этот термин часто употребляется как синоним целостности.
Однако некоторые исследователи (например, В.Г. Афанасьев) выделяют эту законо-
мерность как самостоятельную, стремясь подчеркнуть интерес не к внешним факто-
рам проявления целостности, а к более глубоким причинам, обусловливающим воз-
никновение этого свойства, к факторам, обеспечивающим сохранение целостности.
Интегративными называют системообразующие, системосохраняющие фак-
торы, в числе которых важную роль играют неоднородность и противоречивость
элементов (исследуемые большинством философов), с одной стороны, и стремление
их вступать в коалиции, с другой.
В связи с этим отметим, что носителями целостного знания о мире являются
философские концепции, опираясь на которые можно дополнить закономерность ин-
тегративности рекомендациями, основанными на закономерностях развития систем,
базирующихся на законах диалектики. Обратим также внимание на тот факт, что для
сложных развивающихся систем, в принципе, невозможно разработать полный пере-
чень рекомендаций по созданию и сохранению целостности и что проблема выбора и
сохранения интегративных факторов должна решаться в конкретных приложениях на
моделях, сочетающих средства качественного и количественного анализа.
2.2 Закономерности иерархической упорядоченности систем
Эта группа закономерностей тесно связана с закономерностью целостности, с
расчленением целого на части. Однако характеризует и взаимодействие системы с её
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]