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
Субъективизм при выборе критериев неизбежен: для любой системы можно
всегда подобрать такие критерии, что по одному из них она будет высокоэффектив-
ной, а по-другому – низкоэффективной. Поэтому, как и при назначении показателей,
речь может идти лишь об устранении произвола при выборе критериев эффективно-
сти, ориентируясь при этом на их представительность, полноту и чувствительность, а
также сообразуясь с конкретными целями и задачами исследования.
3.3 Состав, морфология и иерархия технической системы
Состав – это перечень компонентов системы с указанием отношений «часть –
целое». Его описывают многоярусным древовидным графом, ярусы которого соот-
ветствуют эшелонам, корневые вершины – элементам, промежуточные вершины –
подсистемам, наивысшая вершина – всей системе в целом, а ребра – отношения
«часть – целое». В практике системных исследований подобные описания иногда
называют предметной иерархией. Следует отметить, что без указания страты или слоя
анализируемой системы невозможно однозначно установить ее состав. Так, в приве-
денном примере компьютер рассматривался на технической страте, но если тот же
компьютер попытаться представить на программной страте, то его состав изменится.
Компьютер будет состоять из различных операционных программ, программы– из
подпрограмм, подпрограммы – из блоков, блоки – из модулей и так далее вплоть до
отдельных операций над двоичными символами.
Знание состава системы позволяет ответить на вопрос: «Из каких частей (под-
систем и элементов) состоит система на каждом из выделенных уровней?»
В состав изучаемой системы могут включаться пользователи, заказчики, разра-
ботчики, а также исследователи. В этом случае они рассматриваются уже не как
среда, взаимодействующая с изучаемой системой, а как ее неотъемлемые компо-
ненты. Это необходимо делать тогда, когда отношения, связи, взаимодействия между
изучаемой системой и указанными объектами определяют их эмерджентные свой-
ства. В частности, если речь идет, например, о проектировании специализированной
61
компьютерной сети, то она должна рассматриваться как человеко-машинный комплекс. То есть в её состав, помимо технических средств, необходимо включать операторов-пользователей и обязательно учитывать их психофизиологические характеристики. В противном случае в результате проектирования может получиться си-
стема, не способная эффективно выполнять свои функции. При исследовании этой же
сети на экономической страте в ее состав необходимо включать будущего произво-
дителя с его производственными и технологическими возможностями, иначе создан-
ная сеть может не соответствовать тому, что было задумано конструктором и зало-
жено в проект.
Иерархией системы называется многоуровневое представление анализируемой
системы с указанием отношений соподчиненности между уровнями (внешнеуровне-
вая иерархия) и между компонентами внутри каждого уровня (внутриуровневая
иерархия). Соподчиненность – это особое отношение, указывающее на то, что ниже-
стоящие уровни (компоненты) влияют на деятельность вышестоящих, а последние
оказывают организующее воздействие на нижестоящие уровни (компоненты).
Примером, иллюстрирующим сказанное, может служить иерархия биологиче-
ских систем. Напомним, что в биологии выделяют семь основных уровней организа-
ции живой природы: молекулярный, клеточный, тканевый, организменный, популя-
ционно-видовой, биогеоценотический и биосферный. Кроме того, иногда сюда вклю-
чают ноосферный уровень (уровень коллективного разума). В этой иерархии белко-
вые молекулы являются элементами клеток. В свою очередь, клетки представляют
собой элементы тканей, ткани – организмов, организмы – популяций, популяции –
биогеоценозов. Различные биогеоценозы образуют биосферу в целом. Для этой
иерархии характерным является то, что каждому последующему уровню свойственны
свои особые закономерности, не сводимые к закономерностям предыдущего, низшего
уровня. Помимо этого, между всеми смежными уровнями существуют отношения со-
подчинения. Так, белковые молекулы не только образуют клетки, но формируют их
функции. В свою очередь, клетки определяют характер межмолекулярных взаимо-
действий. Аналогичная по существу картина наблюдается на организменном уровне:
62
клетки и ткани не только образуют организмы, но формируют их функции, а орга-
низмы влияют на работу клеток и тканей. Достаточно нарушить какую-либо часть
организма, как происходит перестройка в функционировании каждой отдельной
клетки.
Для социальных систем также характерно иерархическое многоуровневое по-
строение. Каждая социальная система, например государство, может рассматриваться
с точки зрения внешней и внутренней политики, экономики, обороны, национальных
особенностей, религии, физико-географических и климатических условий, принятых
правовых норм и других. По терминологии, используемой в системном анализе, – это
страты. Помимо этого, государству присуще эшелонированное строение: государство
в целом, республики, края, области, районы и тому подобное. Эти уровни существуют
не сами по себе, а связаны отношениями соподчинения. Так, политикой в значитель-
ной мере определяется экономика данного государства, но одновременно экономика
формирует линию поведения высшего политического руководства. В свою очередь,
экономикой определяется развитие оборонного комплекса государства, а оборонный
комплекс может стимулировать развитие экономики.
Знание иерархии выступает следующим шагом познания изучаемой системы и
позволяет ответить на вопросы: «Из каких уровней (страт, слоев, эшелонов) состоит
данная система? Какие подсистемы и элементы образуют каждый уровень и как они
соподчинены?»
Следует особо подчеркнуть, что иерархический принцип построения систем во-
все не означает жесткого, беспрекословного подчинения низшего высшему. Каждый
низший по иерархии компонент системы должен обладать определенной свободой в
выборе своего поведения, сообразуясь не только с системными интересами, но и ис-
ходя из своих внутренних потребностей. Именно такая свобода есть имманентный
фактор развития систем и основное условие, открывающее дорогу их эволюции. Дру-
гими словами, иерархия – это планомерное сотрудничество более организованных ча-
стей системы с ее менее организованными частями, направленное на их совместное
совершенствование.
63
Морфологией системы называется совокупность компонентов системы с ука-
занием отношений и связей между ними. Иначе, морфология – это характеристика
системы, отражающая ее состав, иерархию и связи, реализующие отношения между
уровнями и компонентами. Морфологическое строение систем обычно отображается
в виде достаточно сложных схем и формализованных описаний, способы построения
которых рассматриваются в специальной литературе.
При разработке морфологических описаний систем особое внимание уделяется
так называемым обратным связям. Обратная связь – это влияние результатов функционирования системы на характер самого функционирования.
По характеру своего действия обратные связи подразделяются на отрицатель-
ные и положительные. Отрицательные обратные связи стремятся возвратить систему
в устойчивое состояние после отклоняющих воздействий и составляют основу так
называемых адаптивных механизмов функционирования систем любой природы.
Примером отрицательных обратных связей может служить реакция организма на из-
менение температуры окружающего воздуха. Наличие положительной обратной
связи не устраняет возникающих в системе изменений после отклоняющих воздей-
ствий, а напротив, приводит к еще более сильному отклонению системы от своего
устойчивого состояния. Пример положительных обратных связей – падающий со
склона горы камень, который способен вызвать целую лавину. Как положительные,
так и отрицательные обратные связи бывают детерминированными и случайными,
стабильными и нестабильными, сосредоточенными (кумулятивными) и рассредото-
ченными, запаздывающими и опережающими, усиливающими и ослабляющими
(компенсирующими), транслирующими и преобразующими. Содержательная сто-
рона перечисленных типов обратных связей очевидна из их названий. Комбинируясь
и наполняясь конкретным содержанием, обратные связи образуют бесконечное мно-
жество механизмов, которые формируют целостные свойства систем, а также опре-
деляют характер их поведения.
Целевое регулирование обратных связей есть управление поведением системы.
Это значит, что путем организации новых обратных связей и исключением действу-
64
ющих обратных связей, а также изменением их характера действия и точек подклю-
чения можно формировать потребные свойства системы и устанавливать нужную
траекторию ее движения. Так, например, если в какой-либо экономической системе
начинают лавинообразно развиваться инфляционные процессы, то это свидетель-
ствует о возникновении в ней положительных обратных связей кумулятивного харак-
тера. Прекратить развитие такого процесса можно за счет организации новых отри-
цательных обратных связей компенсаторного типа. На практике эта операция выли-
вается в комплекс серьезных финансово-экономических и социальных мероприятий
по сокращению оборотной денежной массы, перераспределению инвестиционных
финансовых потоков, снижению уровня централизации управления экономикой и
тому подобное.
3.4 Структура технической системы
Под структурой (от латинского structura– строение, устройство) понимается со-
вокупность устойчивых отношений, связей и взаимодействий между уровнями и ком-
понентами системы, обеспечивающих сохранение ее целостности в условиях внеш-
них и внутренних возмущений. Это наиболее общая характеристика системы, вклю-
чающая в себя иерархию и морфологию как частный случай. Соответственно услож-
няется ее отображение. Поэтому в практике системного анализа, наряду с разработ-
кой структурных моделей систем (отражающих каким-либо способом их полное строение), часто используют типологию структур. В теории системного анализа струк-
туры принято различать по: пространственной топологии, характеру развития, типам
отношений, видам взаимодействий и связанности.
По пространственной топологии выделяют объёмные и плоские, рассредото-
ченные и сосредоточенные структуры.
Пространство – объёмная величина, незамкнутая по шести направлениям,
задаваемым тремя ортогонально пересекающимися прямыми. Пространство является
реальным физическим объектом, существует независимо от наблюдателя и его воз-
65
зрений. Любой реальный наблюдатель может быть размещен внутри любой «обла-
сти» пространства, в силу чего и само пространство является неабстрактным, а реаль-
ным объектом. Материя – существующее в пространстве осязаемое и неосязаемое со-
держание, заполняющее собой (занимающее) место в пространстве, обладающее фи-
зическими свойствами. Проще говоря – материя это всё то, что существует (присут-
ствует) в пространстве, вне зависимости от собственной природы, включая осязаемое
и неосязаемое. Для систем с рассредоточенной структурой характерно равномерное
распределение компонентов в пространстве, тогда как в системах с сосредоточенной
структурой наблюдаются области сгущения и разрежения. Системы с плоской струк-
турой имеют двухмерную пространственную топологию, а системы с объёмной
структурой – трёхмерную.
По характеру развития выделяют экстенсивные и интенсивные, редуцирующие
и деградирующие структуры. Для систем с экстенсивной структурой характерен рост
количества связей, отношений и взаимодействий между компонентами, а для систем
с редуцирующей структурой свойственен обратный процесс. У систем с интенсивной
структурой в ходе развития наблюдается качественное изменение связей, отношений
и взаимодействий. Повышается интенсивность взаимодействий, углубляется харак-
тер отношений, увеличивается пропускная способность коммуникационных каналов
и тому подобное. Противоположный характер развития присущ системам с дегради-
рующей структурой.
По типу отношений структуры подразделяются на предметные, функциональ-
ные, организационные и временные. Предметная структура – это состав системы.
Функциональная структура отражает отношения связанности компонентов системы
по входам и выходам. Организационная структура отражает такие специфические от-
ношения между компонентами системы, как: «начальник – подчиненный», «управляемый – управляющий», «прямое подчинение – непосредственное подчинение», «координатор – координируемый», «руководитель – исполнитель». Структуры такого
типа являются основными объектами изучения при анализе систем управления пред-
приятиями, фирмами, учреждениями, воинскими формированиями и тому подобное.
66
Конечно, каждая система формирует свою организационную структуру исходя из по-
ставленных целей, сообразуясь со своими задачами, оценивая имеющиеся ресурсы и
учитывая внешние условия. Но во всем многообразии организационных структур
можно выделить некоторые типовые варианты. К ним относятся: линейные, функци-
ональные, программно-целевые и матричные организационные структуры. Внимания
заслуживают матричные структуры. Примерно с середины
80-х годов прошлого века они составляют основу организации управления почти всех
ведущих фирм мира, в том числе таких гигантов, как IBM, «Дженерал электрик», «Ка-
терпиллер трактор», «Локхид эйркрафт». Несомненным достоинством матричных
структур является органичное сочетание двух основных типов управления: линей-
ного и функционального (проектного), что, с одной стороны, обеспечивает гибкое ре-
агирование на изменения конъюнктуры рынка, а с другой – позволяет вести глубокие
научно-технические проработки перспективных проектов и программ.
В особый класс выделяются временные структуры, отражающие порядок вы-
полнения операций компонентами системы. Эти структуры задаются отношениями
типа «начинаться раньше», «начинаться позже», «выполняться одновременно», «за-
вершаться до...», «завершаться после...» и другими. Схематичное изображение вре-
менной структуры системы называют алгоритмом ее функционирования. Типичным
примером отображения временной структуры служат сетевые графики выполнения
работ, используемые на производствах и в научно-исследовательских учреждениях.
По виду взаимодействий структуры подразделяются на вещественные, энерге-
тические и информационные. В системах с вещественной структурой взаимодействия
между компонентами реализуются, главным образом, путем взаимообмена различ-
ного рода предметами, вещами, продуктами производства. Примером здесь могут
служить железнодорожные, авиационные, автомобильные и другие транспортные
сети. Для систем с информационной структурой характерны межкомпонентные взаи-
модействия преимущественно информационного свойства. Примерами таких систем
служат компьютерные и радио-телекоммуникационные сети. Системы, в которых
межкомпонентные взаимодействия выражаются преимущественно в виде взаимооб-
67
мена энергией, называются системами с энергетической структурой. Типичный пример такой системы – городская сеть электроснабжения. Поскольку реальным систе-
мам в той или иной мере свойственны все перечисленные типы структур, то говорят
о смешанных структурах, в которых межкомпонентные взаимодействия реализуются
за счет вещественного, энергетического и информационного обмена.
Взаимообмен веществом, энергией и информацией между компонентами си-
стемы, а также между системой и средой называется метаболизмом (от греческого
metabole– перемена, превращение). В системных исследованиях выделяют веще-
ственную, энергетическую, информационную, вещественно-энергетическую, вещественно-информационную, информационно-энергетическую и вещественно-информационно-энергетическую формы метаболизма. Кроме того, различают внутренний
и внешний метаболизм. Внутренний метаболизм играет важную роль при формиро-
вании целостных свойств систем, а внешний – определяет степень открытости системы.
По характеру связанности различают линейные, централистские, сетевые, сото-
вые, скелетные, полносвязанные и другие структуры, образованные их сочетаниями.
Как показали расчеты, при однородности элементов оптимальной по информативно-
сти является сотовая структура. Централистские структуры неравномерны в распре-
делении информационной нагрузки. В полносвязанных и сетевых структурах с уве-
личением загрузки происходит катастрофический рост количества ретранслируемой
информации. Информативность линейных и скелетных структур заведомо мини-
мальна.
3.5 Состояние и поведение технической системы
Состояние системы на понятийном уровне характеризует ее положение, кото-
рое по ряду наблюдаемых признаков можно отличить от других положений.
Рассматривая и определяя поведение системы, мы исходили из того, что источ-
ником, побуждающим систему изменять свое состояние, служит внешнее (стороннее)
68
воздействие. То есть молчаливо предполагалось, что смена состояний и, соответ-
ственно, поведение системы формируются по принципу «внешний стимул – внутрен-
няя реакция». Однако невозможно отрицать и те наблюдаемые ситуации, когда в при-
родных и общественных системах изменение их состояний происходит безотноси-
тельно к воздействиям со стороны, то есть под давлением внутренних факторов. Сле-
довательно, помимо механизмов «стимул – реакция», определяющих поведение си-
стем в результате принуждающего воздействия среды, существуют механизмы соб-
ственной регуляции, отражающие внутренние потребности развития самих систем.
Процесс поведения, в основе которого лежат механизмы, обусловливающие самосто-
ятельное развитие систем без вмешательства извне, получил название
самоорганизации.
Самоорганизация играет существенную роль в формировании функций,
свойств и структуры систем любой природы, а потому будет предметом нашего по-
стоянного рассмотрения. Пока же отметим, что включение в сферу системного ана-
лиза самоорганизации позволяет представить поведение системы как развернутый во
времени процесс смены состояний, инициируемый не столько внешними воздействи-
ями, сколько ее внутренними потребностями.
Такое представление требует уточнения сложившихся взглядов на цели пове-
дения системы. Традиционно под целью понимается желаемое состояние, к которому
стремится система в своем развитии (движении). При этом предполагается, что это
состояние определяется надсистемой, а его достижение обеспечивается адаптацион-
ными механизмами с отрицательными обратными связями, действующими в данной
системе. Другими словами, цель выступает спущенным сверху предписанием, кото-
рое должно быть неукоснительно исполнено к определенному сроку, и одновременно
является специфическим внешним воздействием, навязывающим системе структуру
и функционирование. «Цели – это планы, выраженные в виде результатов, которые
должны быть достигнуты. Цели – это связь настоящего с будущим и обратная связь
будущего с настоящим»– так писал Черняк в 1975 году.
69
Для систем с внешним целеобразованием и адаптивным механизмом достиже-
ния целевого состояния, будущее действительно содержится в настоящем и полно-
стью определяет (детерминирует) линию их поведения. Это жестко ориентированные
системные образования, в которых отклонение от целевого курса недопустимо и
подлежит ликвидации каким-либо способом.
В системах с жесткой целеориентацией проявляется так называемый эффект
Эдипа (не путать с эдиповым комплексом – любовью к матери и ненавистью к отцу,
введенным в психологию З. Фрейдом). Эффект Эдипа (по-другому – «самосбываю-
щийся прогноз») заключается в том, что определение цели и вера в ее позитивные
качества вызывают поведение, ведущее к выполнению этой цели. Этот эффект объ-
ясняется доминирующим действием адаптационных механизмов с отрицательной об-
ратной связью, стремящихся возвратить систему к избранному курсу при различных
отклонениях, вне зависимости от того, является выбранный курс ложным или истин-
ным. Возможен вариант антиэдипова эффекта, когда неуверенность в возможности
достижения поставленной цели стимулирует поведение, отклоняющее от цели. В
этом случае вступают в действие положительные обратные связи, уводящие систему
от намеченного курса. Практическая сторона эффекта Эдипа хорошо известна поли-
тикам и вождям разных уровней. Его умелая реализация позволяет при минимальных
затратах мобилизовать общественные массы и направить их энергию на выполнение
очень трудных, подчас бредовых идей. С теоретической стороны этот эффект изучен
недостаточно. Но известно, что в общественных системах сбывающиеся сами собой
прогнозы – это ошибочная концепция, постоянно кажущаяся правдой.
Другое поведение характерно для самоорганизующихся систем. Цели их пове-
дения не устанавливаются сверху, а формируются внутри, исходя из собственных по-
требностей текущего развития, и могут меняться в зависимости от этих потребностей.
Образно говоря, самоорганизующиеся системы живут своими интересами, самостоя-
тельно определяя свои локальные цели на каждом очередном шаге движения, сообра-
зуясь при этом с внешними обстоятельствами. Траектория их движения не детер
минируется конечной целью, а следовательно, не работают глобальные адаптацион-
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]