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
этой закономерности большой вклад внес А.Г. Ивахненко, разработавший теорию самоорганизации применительно к техническим системам.
Важные результаты в понимании закономерности самоорганизации получены
в исследованиях, которые относят к развивающейся науке, называемой синергетикой.
Термин «синергетика» был введен немецким физиком Г. Хакеном при проведе-
нии исследований кооперативных процессов («синергизм») в лазерах и неравновес-
ных фазовых переходов. Этим термином Хакен предложил назвать междисциплинар-
ное направление для объединения аналогичных явлений в других физических средах.
В этом смысле термин синергетика больше соответствует закономерности це-
лостности, понятию синергизма в биологии. В то же время термин «синергизм» не
отражает появления у целого новых свойств, и поэтому в теории систем принят термин «эмерджентность».
Бельгийский ученый И.Р. Пригожин, также назвавший свою науку о самоорга-
низации синергетикой, пришел к своим идеям из анализа специфических химических
реакций, которые приводят к образованию нестабильной, диссипативной (распадаю-
щейся) пространственной структуры, образующейся за счет диссипации (рассеяния)
энергии, использованной системой, и способной воспринимать новую энергию из
среды, благодаря чему может изменяться прежняя структура и система может пере-
ходить в новое состояние. Простейшим аналогом подобных структур, исследуемых
термодинамикой, является эффект Бенара (структура, возникающая в момент начала
кипения).
В дальнейшем И.Р. Пригожин и его последователи показали, что такие явления
возникают в нелинейных неравновесных системах под воздействием флюктуаций в
состояниях, когда система удалена от точки термодинамического равновесия. Точки,
в которых возможен переход системы в новое состояние, называют точками бифур-
кации (раздвоения, разветвления), поскольку в них возникает выбор (зависящий от
случайных факторов), в какое из новых состояний перейти системе.
Синергетика И.Р. Пригожина является основой закономерности самоорганиза-
ции. Однако понятия, введенные в ней применительно к химическим процессам, пока
еще недостаточно хорошо интерпретированы для социально-экономических систем,
51
и поэтому в теории систем для объяснения закономерности, лежащей в основе развития системы, предпочтение отдано термину «закономерность самоорганизации»
Первоначально, опираясь на Людвига фон Берталанфи, исследователи объясняли способность системы противостоять энтропийным тенденциям открытостью
системы, то есть её взаимодействием со средой.
В частности, Л.A. Растригин начинает объяснение этой закономерности в попу-
лярной брошюре так: «Всякая система, изолированная от других систем, может
только разрушаться (энтропийные тенденции)...»
Но в дальнейшем появились исследования, опирающиеся на активное начало
компонентов системы.
В сложных развивающихся системах закономерность самоорганизации прояв-
ляется в том, что в зависимости от преобладания энтропийных или негэнтропийных
тенденций система любого уровня может либо развиваться в направлении более вы-
сокого уровня эквифинальности и переходить на него, либо, напротив, может проис-
ходить энтропийный процесс упадка и перехода системы на более низкий уровень
существования.
Исследование глубинных причин самоорганизации, самодвижения целостно-
сти показывает, что основой рассматриваемой закономерности является диалектика
части и целого в системе. Оценка степени целостности помогает найти точку начала
снижения эффективности функционирования системы, в которой целесообразен пе-
реход на новый уровень эквифинальности.
Стремясь понять и лучше отразить в модели процесс развития, становления си-
стемы, полезно дополнить рассматриваемую группу закономерностей закономерно-
стями, базирующимися на законах диалектики.
Предлагается учитывать при моделировании сложных развивающихся систем
закономерности диалектики, такие как изменчивость, единство противоположностей,
переход количественных изменений в коренные качественные.
52
2.5 Вопросы для самоконтроля
1) Что такое закономерности функционирования и развития систем?
2) На сколько групп можно разделить закономерности систем, назовите их?
3) Что такое закономерность целостности?
4) Что такое понятие интегративность?
5) Что такое закономерность коммуникативность?
6) Что такое закономерность иерархичность?
7) Что такое закономерность эквифинальность?
8) Что такое закон «необходимого разнообразия»?
9) Что такое закономерность потенциальной эффективности?
10) Что такое закономерность историчность?
11) Что такое закономерность самоорганизации?
53
3 Характеристики технической системы
В теории технических систем термин характеристики трактуется как набор
означенных параметров, позволяющих получить достаточно полное представление
об изучаемой системе. При этом степень достаточности и полноты заранее не уста-
навливается, а определяется в процессе исследования исходя из поставленных целей
и задач, а также сообразуясь с природой объекта изучения. Однако это не освобож-
дает теорию от обобщающего рассмотрения вопроса о характеристиках системы, то
есть выделения тех из них, которые присущи любой системе и не связаны с ее приро-
дой. К числу таких характеристик относятся: функции, эффективность, состав, иерар-
хия, морфология, структура, состояние, поведение и внутреннее время системы.
3.1 Функции технической системы
Функцией технической системы (от латинского junction – отправление, дея-
тельность) называется совокупность результатов воздействий, оказываемых данной
системой на среду, на другие системы и на саму себя. Этой характеристикой опреде-
ляются роль, которую играет система в надсистеме, и место, которое она занимает
среди окружающих объектов.
Будем различать основную и неосновные функции системы. Основная функция
– это предназначение системы. Сам факт существования системы предполагает наде-
ление ее основной функцией или предназначением. По мере развития у системы мо-
гут возникать другие функции, непосредственно не связанные с ее предназначением,
но оказывающие на нее то или иное влияние. Такие функции называются неоснов-
ными. Неосновные функции – ситуативные и преходящие, а основная функция – по-
стоянная и непреходящая. Она проявляется в различных формах и свойственна до тех
пор, пока существует сама система. Смена основной функции означает коренное из-
менение системы и свидетельствует либо о превращении данной системы в другую,
либо о том, что она погибла.
54
По тому, как влияют неосновные функции на способность системы выполнять
свою основную функцию, их можно разделить на позитивные и негативные. Позитив-
ные неосновные функции способствуют отправлению системой своего предназначе-
ния. Негативные неосновные функции проявляют себя в том, что препятствуют вы-
полнению системой своей основной функции. Помимо этого целесообразно выделить
нейтральные неосновные функции, которые до поры до времени не оказывают суще-
ственного влияния на основную функцию, однако следует всегда предвидеть возмож-
ность изменения ситуации в ту или иную сторону. В нейтральных функциях скрыва-
ется позитивный или негативный потенциал системы, который может проявляться
при определенных условиях. Механизм влияния неосновных функций может быть
двояким: опосредованным – через среду, когда система провоцирует (преднамеренно
или непреднамеренно) негативное или позитивное влияние внешнего окружения на
саму себя, и непосредственным, когда система (преднамеренно или непреднаме-
ренно) оказывает негативное или позитивное влияние сама на себя, не затрагивая
среду. Чем сложнее система, тем полнее палитра ее неосновных функций, тем более
многообразными становятся их взаимосвязи с основной функцией.
Пример. Рассмотрим конкретную систему – персональный компьютер. Его ос-
новная функция (по замыслу создателей) состоит в получении, обработке и выдаче
разнородной информации, используемой человеком в своей практической деятельно-
сти. В частности, при проведении расчетов, печатании и хранении текстов, управле-
нии технологическими процессами и тому подобное. Но у компьютера в процессе ре-
ализации этой, достаточно широкой, функции возникла другая – неосновная, однако
не менее значимая функция – экономическая. Содержание этой функции заключено
в способности компьютеров приносить доход тем лицам, которые занимаются их про-
изводством, обслуживанием и ремонтом. В целом – это позитивная функция. Она спо-
собствует развитию компьютерной индустрии и стимулирует повышение потреби-
тельских характеристик компьютеров. Как выяснилось уже в ходе эксплуатации пер-
сональных компьютеров, у них проявляются негативные неосновные функции не-
преднамеренного характера. В частности, компьютеры могут наносить вред здоровью
пользователя (при долгой работе у монитора снижается острота зрения, появляются
55
головные боли и другие недомогания) или служить источником несанкционирован-
ного доступа к информации конфиденциального характера. У компьютера как про-
граммно-технической системы отсутствует преднамеренная негативная функция. Однако, если рассматривать компьютер совместно с пользователем, то такая функция
наблюдается. Речь идет о компьютерных «вирусах», уже сегодня существенно услож-
няющих «жизнь» почти всем абонентам компьютерной сети Internet. В качестве
нейтральной функции можно указать использование компьютеров в качестве эле-
мента интерьера офиса руководителя.
В теории системного анализа постулируется: любая система, вне зависимости
от её природы, обладает основной и неосновными функциями – позитивными, нега-
тивными и нейтральными, преднамеренными и непреднамеренными. Причем часть
из них проявлена, а другая часть скрыта как от самой системы, так и от исследователя.
Чаще всего в изучаемой системе скрыты какие-то неосновные функции или неясны
их связи с основной функцией, но нередки ситуации, когда неизвестна или априори
неверно определена ее основная функция. Поэтому любое системное исследование
начинается с установления (уточнения) основной функции изучаемой или проектиру-
емой системы, когда она рассматривается как «черный ящик», функционирующий в
составе надсистемы и заданный характеристиками, известными на данный период
времени. Более того, уточнение функций и выявление характера их взаимосвязей
должно проводиться на всех этапах системного анализа и только по его завершении
представляется возможным ответить на вопросы: «Какое место занимает данная си-
стема в надсистеме? Каково ее истинное предназначение? Какие дополнительные вза-
имоотношения могут существовать между объектом анализа и окружающей средой?
Каков характер их влияния на основную функцию системы? Каким образом можно
снизить негативные проявления неосновных функций? Как можно повысить влияние
позитивных составляющих?»
56
3.2 Эффективность технической системы
С функциями технической системы тесно связано такое понятие, как ее эффек-
тивность (от латинского effectus– исполнение). Под эффективностью системы пони-
мается количественная или качественная характеристика, позволяющая судить о сте-
пени выполнения системой присущих ей функций. В частном случае, когда основная
функция системы выражается через ее целевую направленность, эффективность от-
ражает степень достижения системой своих целей. Частность следует понимать в том
смысле, что понятия функции системы и цели системы не являются синонимами. Ко-
нечно, целенаправленность (в ее широком, а не в узком социальном смысле) есть ат-
рибут любой системы. Но процесс функционирования системы определяется не
только ее целями, то есть заданными каким-либо образом состояниями, в которые она
стремится попасть, а еще целым рядом других факторов. К ним относятся: условия
функционирования системы; ресурсные возможности, которыми она располагает для
совершения действий; возможные способы действий и временной интервал, в течение
которого система реализует свои функции. Кроме того, понятием цели не охватыва-
ется все многообразие функций системы, в частности, остаются в стороне неосновные
функции непреднамеренного характера, весьма существенно влияющие на ее эффек-
тивность. Не менее важным является также и то, что существует достаточно большой
класс систем, обладающих вполне определенной основной функцией, но не имеющих
постоянных целей функционирования. Это – самоорганизующиеся системы. По-
пытки оценить эффективность самоорганизующихся систем только с целевых пози-
ций приводят к несостоятельности выводов, вытекающих из результатов оценки. Так,
может оказаться, что вполне процветающая система будет обладать нулевой целевой
эффективностью. Или, наоборот, система, достигающая своих целей с очень высокой
эффективностью, может оказаться несостоятельной в плане выполнения своей основ-
ной функции– предназначения. Поэтому в общем случае эффективность системы
предпочтительнее связывать не с ее целенаправленностью, а со всем комплексом при-
сущих ей функций. В том же случае, когда эффективность системы из каких-либо
соображений выражается через ее цели, необходимо специально оговаривать, какие
57
функции имеются при этом в виду, а также выбирать интервалы времени, на которых
цели функционирования системы остаются неизменными.
Эффективность анализируемой системы характеризуется показателями – коли-
чественными величинами или качественными понятиями, с помощью которых можно
оценивать системы и сравнивать их между собой. При этом показатели эффективно-
сти не выводятся (например, аналитически), а подбираются и назначаются в резуль-
тате поиска компромисса между заказчиком и исполнителем. Субъективизм при этом
неизбежен. Проблема состоит в устранении не субъективизма, а произвола при назна-
чении показателей. Для устранения произвола выбираемые показатели должны удо-
влетворять условиям представительноности, чувствительности и полноты. Предста-
вительность означает, что показатель эффективности должен предоставлять заказ-
чику возможность осознанно принимать решения относительно линии своего поведе-
ния после получения результатов научных исследований. Выбранный показатель эф-
фективности обладает свойством полноты, если в нем находят свое отражение наибо-
лее существенные стороны изучаемой системы, как по представлениям заказчика, так
и исполнителя. Под чувствительностью понимается способность показателя эффек-
тивности реагировать на изменения характеристик объекта изучения в рамках задан-
ных вычислительных погрешностей.
Категория эффективности системы имеет двойственную природу. С одной сто-
роны, эффективность имманентно присуща самой системе, а с другой – связана со
свойствами надсистемы и является характеристикой, внешней по отношению к дан-
ной системе. Двойственная природа эффективности определяет два подхода к форми-
рованию показателей эффективности – телеологический (от греческого teleos – достигший цели) и естественно-физический. При телеологическом подходе оцениваемая система рассматривается с позиции интересов надсистемы. Её эффективность
трактуется как мера влияния (положительного или отрицательного, преднамеренного
или непреднамеренного), оказываемого системой на функционирование надсистемы.
Конкретное содержание системы при таком подходе уходит на второй план, и пока-
затели эффективности носят, как говорят, функциональный характер. Примерами по-
58
казателей этого вида могут служить: процент выполнения планового задания пред-
приятием, вероятность достижения цели воинским подразделением в бою, математи-
ческое ожидание успеха финансовой операции и тому подобное. В сущности, при те-
леологическом подходе задача обоснования показателей эффективности системы пе-
реносится в исследование надсистемы. К достоинствам функциональных показателей
относят их интуитивную приемлемость для заказчика и однозначность связи с функ-
циями системы, а к недостаткам – неоднозначность связи с внутренними характери-
стиками системы и отсутствие инвариантности, то есть зависимость эффективности
от условий функционирования системы (одна и та же система может иметь разную
эффективность в зависимости от того в состав какой надсистемы она входит).
Что касается естественно-физического подхода, то в его основе лежит простая
и очевидная схема: если взаимодействия между компонентами системы и между си-
стемой и надсистемой имеют физическую природу, то практически приходится иметь
дело с физическими величинами, которые можно измерять. А это означает, что пока-
затели эффективности должны иметь конкретное и вполне реальное физическое со-
держание (вещественное, энергетическое, информационное). В такой постановке про-
блема выбора показателей эффективности состоит в сведении всего многообразия
факторов взаимодействия к нескольким, достаточно представительным физическим
величинам (например, количеству особей в популяции, коэффициенту полезного дей-
ствия механизма, весогабаритным параметрам объекта и тому подобное). Такие по-
казатели трактуют как переменные или выходные состояния системы. Главными до-
стоинствами показателей этого типа являются их измеримость и инвариантность по
отношению к надсистеме, а недостатки связаны с трудностями установления зависи-
мости между физическими показателями и функциями системы. В практике систем-
ного анализа применяются оба подхода. Причем они не противопоставляются, а ис-
пользуются совместно в процессе изучения систем.
Наряду с показателями в системных исследованиях широко используется тер-
мин «критерий эффективности». Показатели и критерии эффективности – родствен-
ные взаимосвязанные категории. Поэтому часто они употребляются как синонимы,
что приводит к путанице. Если показатель – это число или понятие, характеризующее
59
эффективность системы, то критерий эффективности – это правило, позволяющее су-
дить о степени достижения системой поставленных целей либо о качестве выполне-
ния функций.
Пример. Пусть эффективность некоторой системы характеризуется единствен-
ным показателем – временем ее реакции
τ = t1–t0,
где t0– момент времени, когда возникла необходимость совершения действия;
t1– момент исполнения действия.
Будем полагать, что чем меньше τ, тем выше качество функционирования дан-
ной системы. Тогда критерий эффективности может быть выражен в следующем
виде: система функционирует эффективно, если
τ<τкр,
где τ
– критическое время реакции, то есть максимально допустимое время реакции,
кр
при котором реагирование еще имеет некий практический смысл.
Заметим, что одному и тому же показателю могут соответствовать различные
критерии эффективности. Так, для рассмотренного примера можно ввести следую-
щий критерий:
1
→ эффективная;
кр
2
→ слабоэффективная;
кр
< τ → неэффективная;
1
τ
кр
τ
< τ ≤ τ
min
< τ ≤ τ
2
τ
кр
где τ
1
2
, τ
– критические времена реакции;
кр
– минимально возможное время реакции.
τ
кр
min
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]