Системный анализ

Системный анализ

Курс лекций

Тем более что с прикладной точки зрения именно изу­ чение гетерогенных, и прежде всего человеко-машинных, си­ стем стало стимулом для развития системного подхода.

Изучая подобные системы можно увидеть, что с точки зрения организации они являются некой взаимодействующей совокупностью отдельных компонентов, но сам механизм вза­ имодействия компонентов осуществляется через отдельные элементы. Именно поэтому в системном анализе и появились отдельные определения для элементов и компонентов.

Введение понятия подсистема упростило системное опи­ сание объектов. Для гомогенной системы компоненты, эле­ менты и подсистемы есть синонимы. Для гетерогенной систе­ мы компоненты и подсистемы также синонимы, а элементы есть по сути подсистемы отдельных компонентов, представ­ ляющих собой, как правило, гомогенные системы.

В силу некоторой «размытости» гомогенных систем их элементы-подсистемы осуществляют непосредственный «диф­ фузный» контакт с элементами-подсистемами других гомоген­ ных систем.

Исходя из сказанного, очевидно, что изучение динамики сложных гетерогенных систем на уровне взаимодействия их элементов есть некоторое отступление от основных принци­ пов системного подхода. В этом случае «глубина редукции» сложной гетерогенной системы повышается на один уровень. Это, тем не менее, иногда оправдано.

Но, если в чисто научном плане подобный образ действий и оправдан, то в практическом плане он менее конструкти­ вен, ибо, как правило, ведет к значительному усложнению формулировки управленческих проблем. Поэтому примене­ ние подхода, когда система делится на подсистемы и изучается только ее обобщенная структура, преобладает у специалистов по системному анализу. Мы в нашем курсе также будем при­ держиваться подобного подхода.

32

Основные системные понятия

Лекция 2

Итак, повторим, что системный подход намечает и целе­ сообразные пределы обобщения, и целесообразные пределы редукции. Если нас интересует какой-то системный объект, его следует выделить как целостное образование, обращая внимание, во-первых, на его интегральные свойства, важные с точки зрения его специфики как компонента системы более высокого уровня. А во-вторых, следует выделить компонен­ ты самого рассматриваемого объекта и изучить обобщенную структуру их взаимодействия, которая определяет наличие указанных интегральных свойств.

Подобный подход к рассмотрению организационных и практических проблем показал свою конструктивность. Он позволяет «сужать» задачу, уменьшать объем рассматриваемой информации и добиваться структуризации любой, даже очень сложной, проблемы.

«Явочным порядком» такой подход к управлению всегда существовал. Например, командующий армией никогда не ко­ мандует взводами, а имеет дело только с командирами дивизий и отдельных частей, а также с непосредственным вышестоя­ щим начальником. Необходимость командиров высокого уров­ ня опускаться на уровень «подчиненных своих подчиненных» есть первый признак кризиса вверенной им армии.

Аналогично, генеральный директор фирмы не занимает­ ся проблемами цехов, а директора заводов делами бригад. Это опять же происходит только в кризисные моменты и сви­ детельствует о несоответствии нижестоящего руководителя своим задачам, когда вышестоящий начальник должен по су­ ществу «делать его работу».

Кратко подытожить ряд приведенных примеров мож­ но известным административным принципом Средневековья: «Вассал моего вассала — не мой вассал».

Можно возразить, что столь очевидные принципы управ­ ления не требуют особой научной обоснованности. Уточним,

33

Системный анализ

Курс лекций

не требовали ранее, когда эти принципы основывались на эм­ пирическом опыте и проходили долгую проверку практикой. На современном этапе развития, когда технические и эконо­ мические системы постоянно эволюционируют, определение верного уровня принятия решений по управлению их отдель­ ными звеньями требует научного обоснования, опирающегося на системное изучение управляемых объектов.

В качестве примера приведем известный афоризм, кото­ рый поначалу стал в известном смысле откровением для неко­ торых управленцев: «Для того чтобы правильно организовать уличное движение, совершенно не обязательно разбираться в двигателе внутреннего сгорания».

Действительно, появись на улицах городов автомобили с любым типом двигателя, но имеющие габариты и скорост­ ные характеристики, аналогичные нынешним автомобилям, проблемы организации уличного движения в городах будут те­ ми же (при этом, возможно, будет решено много проблем эко­ номических или экологических, но это уже другой разговор).

Итак, системное изучение различных объектов имеет не только научно-техническое, но и организационно-экономи­ ческое значение. При этом вышеназванные принципы «эко­ номного» описания объекта как системы остаются в силе.

Здесь следует обратить внимание на то, что в настоящее время сама выработка тех или иных управленческих реше­ ний, особенно большого масштаба, сама по себе зачастую представляет большую научную проблему. Для решения по­ добных проблем применяется ЭВМ. Но возможности даже самых лучших и больших ЭВМ не безграничны. Мало то­ го, они всегда будут ограничены. В этом случае системное представление объектов, разделение их на подсистемы, огра­ ничение учитываемых характеристик только интегральными показателями, построение обобщенной структуры объектов

34

Лекция 3

Особенности поведения сложных систем

Сохранение целостности системы в условиях постоянно меняющейся внешней среды можно представить как дости­ жение системой некоего равновесия со средой ее обитания. Это равновесие, очевидно, в общем случае подвижно. Устой­ чивость подвижного равновесия выражается в обобщенном принципе Ле Шателье. Как таковой принцип Ле Шателье известен из химии. Он характеризует изменение равновесия химических реакций в смесях различных веществ при ока­ зании на них различных влияний — изменения температуры смеси, давления, удаления из смеси продуктов отдельных ре­ акций и т. п.

Например, если некая реакция идет с поглощением теп­ ла, то нагревание смеси увеличивает скорость этой реакции, а охлаждение, соответственно, уменьшает. В смесях различ­ ных веществ, когда одновременно могут идти реакции обра­ зования и распада какого-либо соединения, внешние воздей­ ствия приводят к соответствующим изменениям скоростей этих реакций и, следовательно, к изменениям концентрации данного соединения в смеси.

Обобщение принципа Ле Шателье применительно к лю­ бым сложным системам называется законом адаптации. Со­ гласно этому закону, всякая система стремится измениться та-

36

Особенности поведения сложных систем

Лекция 3

ким образом, чтобы свести к минимуму эффект внешнего воздей­ ствия. При этом, если интегральные показатели системы при условии отсутствия изменений внешней среды остаются по­ стоянными, мы имеем состояние гомеостаза. Если же они колеблются около некоего среднего положения, оставаясь в определенных рамках, мы имеем состояние гомеокинеза.

Наиболее часто в природе встречается гомеокинез, ибо даже в отсутствии резких изменений интегральные показате­ ли систем колеблются во времени. Однако иногда эти коле­ бания бывают незначительными. Или при описании систем мы используем средние характеристики интегральных пока­ зателей на некотором отрезке времени. Тогда мы говорим о явлении гомеостаза. Однако следует помнить, что о гомеостазе, строго говоря, можно говорить только с некоторой долей условности.

Тем не менее и гомеокинез, и, тем более, гомеостаз воз­ можны только при сохранении системы как единого целого и, соответственно, сохранении ее структуры.

Продолжим рассмотрение вопроса о сохранении гомео­ стаза (гомеокинеза) с точки зрения категории целей системы.

Рассматривая систему как целостный объект, имеющий к тому же некие цели своего функционирования, мы не мо­ жем не определить главнейшую из них — самосохранение. Для живых систем это очевидно, и не нуждается в особых дока­ зательствах. Для других систем это не всегда столь очевидно, однако внимательное рассмотрение их поведения всегда в ито­ ге приведет к аналогичным выводам.

Система потому и не сводима к сумме своих элементов, что, будучи редуцирована до этого уровня, она будет попросту разрушенной. Ездить можно только на машине, а не на груде деталей (даже новых и исправных).

В соответствии с законом адаптации реакции системы на внешнее воздействие в первую очередь направлены на то,

37

Системный анализ

Курс лекций

чтобы уменьшить неблагоприятные последствия этого воз­ действия.

В данном контексте употребление слова «неблагоприят­ ные» не совсем корректно, ибо оно точно выражает суть дела применительно к живым системам. Действительно, живые организмы (и их сообщества, или в системной терминологии экосистемы) в природе могут существовать в пределах некоего диапазона внешних условий и внутренних параметров самого организма. Таким образом, чтобы выжить, организм должен сохранить свою стабильность (гомеостаз).

Изменения внешней среды, выходящие за границы гомео­ стаза, в прямом смысле слова неблагоприятны для организма. И последствия этих неблагоприятных воздействий организм стремится свести к минимуму.

Но рассмотрим внимательно, что значит выжить для био­ системы. Это значит сохраниться именно в качестве биоло­ гической системы, а не некой массы органических веществ. И данное стремление осуществляется с помощью отрицатель­ ных обратных связей — реакций организма на изменение сре­ ды, способствующих уменьшению влияния этих изменений.

Заметим, что помимо отрицательных обратных связей су­ ществуют и положительные обратные связи. Последние вызы­ вают изменения в системах по типу цепной реакции. Однако, очевидно, что положительные обратные связи встречаются редко. Иначе системы просто не могли бы существовать фи­ зически, «идя в разнос» от самого небольшого воздействия.

В технических системах имеются некоторые стабилиза­ торы режимов. Наиболее простой широко известный пример такого рода — регулятор паровой машины. Более сложный — автопилот. В обоих упомянутых случаях посредством регулято­ ра осуществляется отрицательная обратная связь и стабилизи­ руется режим работы системы. В случае нарушения заданного

38

Особенности поведения сложных систем

Лекция 3

режима может произойти поломка системы, и она превратит­ ся в кучу металла. С помощью обратной связи поддерживается существование системы, и в этом контексте поломка «небла­ гоприятна» для ее существования.

В биосистемах механизм обратных связей сложнее объяс­ нить и изучить. В технических это иногда значительно проще, однако сама роль обратных связей в поддержании существо­ вания «системы как системы» от этого не меняется. И коль скоро мы выделяем тот или иной объект как объективно суще­ ствующую систему, мы вправе говорить об обратных связях.

Обратные связи обеспечивают существование системы как целого. Видимо, системы могут иметь различные «степени целостности» [17], а это значит — наборы обратных связей разной степени эффективности.

Со словом «система» часто употребляется определение «сложная». Интуитивно ясно, что системный подход наиболее эффективен именно при изучении сложных систем.

Это в общем вытекает и из наших рассуждений. Дей­ ствительно, коль скоро система проста, наверно возможно достаточно эффективное ее изучение и обычными редукцио­ нистскими методами. В таком случае системный анализ может лишь дополнить результаты исследований и только.

Но где критерий сложности? В работе Е. В. Грунтенко при­ водится следующее определение понятия сложности устрой­ ства. «Сложно то устройство... в котором всегда есть дублиру­ ющие звенья» [5]. Переформируем это определение: «Сложна та система, в которой обеспечивается дублирование обратных связей». Иллюстрацией этого принципа может служить утвер­ ждение Л. А. Мелентьева, что энергетика только тогда ста­ ла системой, когда появились технические возможности для взаимозаменяемости (дублирования) различных видов энер­ госнабжения [13].

39

Системный анализ

Курс лекций

Но дублирование систем обратной связи повышает устой­ чивость их работы, эффективность, надежность. А ранее было показано, что эффективность обратных связей определяет це­ лостность системы. Следовательно, сложные системы целост­ нее. Они более четко выделяются при исследовании. Другим важным свойством сложных систем является «не плавное, а скачкообразное... изменение их поведения» [20] .

Рассмотрим, в чем же причина подобного поведения. Через механизмы обратных связей система стабилизирует свою внутреннюю среду. Например, температура воздуха мо­ жет сильно меняться, но теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела. Однако возможности обратных связей не безграничны. Рано или поздно наступает состояние, которое в биологии называется срывом адаптации. Система либо гибнет, либо вынуждена существенно измениться, чтобы соответствовать новым условиям.

Но что такое существенные изменения? Это появление новых связей между компонентами, изменение характеристик сохранившихся каналов массоэнергообмена. В конечном ито­ ге это изменение интегральных показателей состояния.

Причем данные показатели изменяются резко, «рывком», что вполне объяснимо, ибо до момента срыва они были прак­ тически постоянны. Постоянными будут они и в новом со­ стоянии. Поэтому переход между состояниями должен быть резким, как переход со ступени на ступень.

Приведем примеры таких переходов. Наиболее извест­ ным можно считать примеры срыва адаптации у человеческо­ го организма. Это различные болезни, которые характеризу­ ются появлением новых связей между различными органами (органические изменения), изменением режима функциони­ рования организма (паталогическая физиология) и изменени­ ями интегральных показателей состояния организма (напри­ мер, повышенная температура).

40

Особенности поведения сложных систем

Лекция 3

Втехнике известны смены технологий. В частности та­ кие смены технологий в энергетике, названные Г. М. Кржыжановским «энергетическими порогами» [13], влекут за собой радикальный переход на новые источники энергии и соответ­ ствующие структурные перестройки в энергетике (водяное колесо сменяет паровой двигатель, который затем уступает ведущее место электродвигателю, в свою очередь в электро­ энергетике ведущую роль играют сначала уголь, затем мазут, газ и т.д.).

Подобный процесс появления новых энергоносителей ведет к существенной перестройке всего хозяйственного ком­ плекса отрасли или страны в целом. Например, переори­ ентация энергетики с угля на газ, или наоборот, вызовет отмирание старых путей транспортировки соответствующего топлива и появление новых. То есть меняется сама терри­ ториальная структура транспортных связей, обслуживающих энергетику. Затем, когда эта структура уже сложится, можно будет увеличивать (или уменьшать) потоки соответствующего сырья по отдельным ее звеньям, но базовые ее элементы, ти­ па магистральных нефте- и газопроводов, останутся каркасом данной структуры.

Вэкологии примером таких смен состояния является,

вчастности, замена леса на степь, или наоборот. Очевидно, что функционирование экосистем лесов и степей существенно различно.

Назовем состоянием системы режим ее функциониро­ вания, когда ее интегральные показатели находятся в гомеостазе (или гомеокинезе) с окружающей средой, а обобщенная структура системы остается неизменной во времени и про­ странстве. Подчеркнем, что состояний системы не может быть бесконечно много, и они не могут быть произвольны.

Действительно, каждому диапазону внешних воздействий соответствует свое определенное состояние. Коль скоро об-

41