Учебное пособие по ТСиСА

просто совокупность однородных элементов, то такие части принято называть компонентами.

Со свойством целостности и делимости тесно связано следующее свойство, заключающееся в том, что при объединении частей в целое возникает нечто качественно новое, такое, чего не было и не могло быть без этого объединения. Это свойство можно проиллюстрировать следующим примером. Пусть имеется некоторый цифровой автомат S, преобразующий любое целое число на входе в число, на единицу большее входного. Если соединить два таких автомата последовательно в кольцо, то в полученной системе обнаружится новое свойство: она генерирует две возрастающих последовательности на своих выходах А и В, причем одна из этих последовательностей состоит только из четных, а другая – только из нечетных чисел (рис.1.1).

Рис. 1.1. Объединение частей в целое

Такое «внезапное» появление новых качеств и дало основание присвоить этому свойству название эмерджентности. Английский термин emergence означает возникновение из ничего,

внезапное появление, неожиданную случайность. В специальной литературе на русском языке не делалось попыток найти эквивалентный русский термин. Однако сам термин имеет обманчивый смысл. Какие бы удивительные свойства не возникали бы при объединении элементов в систему, ничего мистического, взявшегося «ниоткуда», здесь нет: новые свойства возникают благодаря конкретным связям между конкретными элементами со своими свойствами.

В этом смысле важнейшим является следующее системообразующее свойство – существенность связей. Понятие «связь» входит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение ее целостных свойств. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику) и функционирование (динамику) системы. Часто связь определяют, как ограничение степени свободы элементов. Действительно, элементы, вступая во взаимодействие (связь) друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали в свободном состоянии. Именно сила внутренних (существенных) связей позволяет выделить систему из окружающей среды в виде единого, целостного образования. Иными словами, некоторое множество элементов связано (организовано) по определенным принципам в систему. И в этом заключается последнее системообразующее свойство.

С учетом рассмотренных системообразующих свойств можно дать следующее определение системы.

Система - это целостное, организованное множество стабильно взаимосвязанных и устойчиво взаимодействующих в пространстве и во времени элементов, формирующих ее свойства и функционирующих совместно для достижения цели, стоящей перед данной системой.

Из этого определения следует, что система постоянно находится в движении, т.е. функционирует. Поэтому следующие понятия, характеризующие функционирование и развитие систем, существенны для их моделирования и анализа.

Понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы в определенный момент времени, принудительную остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные параметры (результаты), либо через внутренние показатели свойств системы.

Если система способна переходить из одного состояния в другое, то говорят, что она обладает поведением. Именно изучение поведения системы является сверхзадачей моделирования, дающей ответы на большинство вопросов, связанных с исследованием систем.

Особыми состояниями системы являются состояние равновесия и устойчивость. Понятие «равновесие» определяют, как способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго.

Под устойчивостью понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий.

В заключении следует отметить, что исследование процесса развития систем, соотношения развития и устойчивости, изучение механизмов, лежащих в их основе – наиболее сложные задачи общей теории систем. Однако их решение в любом случае базируется на методах теории системного моделирования, дающих в руки исследователя мощные средства описания, анализа и оптимизации систем.

1.2. Закономерности сложных систем Для формирования фундаментальных представлений о сис-

теме необходимо понимать закономерности ее функционирования и развития.

В процессе изучения особенностей функционирования и развития сложных систем с активными элементами был выявлен ряд закономерностей, помогающих глубже понять диалектику части и целого в системе, иерархическую упорядоченность, осуществимость и развитие систем. Эти закономерности помогают формировать более адекватные модели систем.

К таким закономерностям относятся: целостность; коммуникативность;

иерархичность; самоорганизация; эквифинальность; необходимое разнообразие; потенциальная эффективность; историчность.

Закономерность целостности проявляется в системе при возникновении у нее новых интегративных свойств, несвойственным ее компонентам.

Для того, чтобы глубже понять закономерность целостности необходимо, прежде всего, учитывать две ее стороны:

свойства системы (целого) не являются простой суммой свойств, составляющих ее элементов;

свойства системы (целого) зависят от свойств ее элементов. Кроме этих двух основных сторон, следует иметь в виду, что объединенные в систему элементы, как правило, утрачивают

часть своих свойств, присущих им вне системы, т.е. система как бы подавляет ряд свойств элементов. Но, с другой стороны, элементы, попав в систему, могут приобрести новые свойства.

Таким образом, первая сторона закономерности целостности характеризует изменение взаимоотношений системы как целого со средой и утрату элементами некоторых свойств. Эти изменения бывают настолько разительными, что может показаться, будто свойства системы вообще не зависят от свойств элементов.

Поэтому необходимо обращать внимание на вторую сторону закономерности целостности.

Свойство целостности связано с целью, для выполнения которой создается система. При этом, если цель не задана в явном виде, а у отображаемого объекта наблюдаются целостные свойства, можно попытаться определить цель или выражение, связывающее цель со средствами ее достижения, путем изучения причин появления закономерности целостности.

Закономерность коммуникативности предполагает, что система не изолирована от других систем, она связана множеством коммуникаций со средой, представляющей собой, в свою очередь, сложное и неоднородное образование, содержащее надсистему (систему более высокого порядка), подсистемы и системы одного уровня.

Такое сложное единство со средой, названное закономерностью коммуникативности, легко помогает перейти к иерархичности, как закономерности построения всего мира и любой выделенной из него системы.

Закономерность иерархичности или иерархической упорядоченности была в числе первых закономерностей теории систем, которые выделил и исследовал Л. фон Берталанфи.

Организационная структура систем была, остается и в обозримом будущем останется иерархической. Поэтому следует выделить основные особенности иерархической упорядоченности с

точки зрения полезности их использования в исследованиях систем.

Во-первых, в силу закономерности коммуникативности, которая проявляется не только между системой и окружающей средой, но и между уровнями иерархии системы, каждый уровень иерархической упорядоченности имеет сложные взаимоотношения с вышестоящими и нижележащими уровнями. По метафорической формулировке каждый уровень иерархии обладает свойством «двуликого Януса»: «лик», направленный в сторону нижележащего уровня, имеет характер автономного целого, а «лик», направленный к элементу вышестоящего уровня, проявляет свойства зависимой части (элемента вышестоящей системы, каковой является для него составляющая вышестоящего уровня, которой он подчинен).

Во-вторых, важнейшая особенность иерархической упорядоченности заключается в том, что закономерность целостности проявляется в ней на каждом уровне иерархии. Поэтому в качестве самостоятельных систем можно рассматривать и подсистемы.

Необходимость введения и учета закономерности самоорганизации обусловлена наличием в системах активных элементов, с одной стороны, а с другой – негативным влиянием дестабилизирующих факторов внешней среды. С этой точки зрения можно выделить класс самоорганизующихся систем. Наиболее важные особенности этого класса систем заключаются в следующем:

нестационарность (изменчивость, нестабильность) отдельных параметров и «непредсказуемость» поведения системы;

наличие предельных возможностей, что определяется имеющимся ресурсами всех видов и характерными для систем структурными связями;

способность адаптироваться к изменяющимся условиям среды и помехам (как внешним, так и внутренним);

способность противостоять энтропийным тенденциям, обусловленная наличием в системе активных элементов, проявляющих собственную «инициативу» по поддержанию работоспособности системы и ее целостности, что, несомненно, снижает энтропию системы, ведущую к ее разрушению и разобщению элементов;

способность вырабатывать варианты поведения и изменять свои функциональные и организационные структуры;

способность и стремление к достижению цели функционирования.

Закономерность эквифинальности характеризует предельные возможности систем. Эквифинальность наиболее часто определяют как способность в отличие от состояния равновесия в закрытых системах, полностью детерминированных начальными условиями, достигать не зависящего от времени состояния, которое не зависит от ее начальных условий и определяется исключительно параметрами системы. Это означает, что предел возможностей системы полностью определяется свойствами, обеспечи-

вающими достижение цели ее функционирования. К таким свойствам относятся, например, устойчивость системы в целом, надежность, помехозащищенность и т.д.

Сущность необходимого разнообразия заключается в том, что создавая систему, способную обеспечить качественное выполнение своих функций и обладающей, в этой связи, определенным разнообразием (функций, задач, поведения, состояний и т.п.), необходимо обеспечить, чтобы эта система имела большее разнообразие, чем разнообразие целей, стоящих при ее создании или была способна создать в себе это разнообразие. Более конкретно, разнообразие, например, системы управления предприятием должно быть больше (или по крайней мере равно) разнообразию управляемых ею объектов.

Анализ данного требования показывает, что применительно к системам управления принципиально возможны три пути его реализации:

увеличение разнообразия системы за счет роста количественных показателей ее состава и структуры, квалификации персонала, технических характеристик средств автоматизации и т.д.; уменьшение разнообразия управляемых объектов путем унификации и сокращения номенклатуры управляемых объектов

и организационных структур; сочетание централизации и децентрализации при организа-

ции управления, что, в сочетании с закономерностью иерархичности, всегда обеспечит большее разнообразие системы конкрет-

ного уровня иерархии по сравнению с разнообразием объектов управления данного уровня, что не всегда может быть обеспечено при жесткой централизации управления.

Очевидно, что все указанные пути реализуемы в процессе создания системы управления с учетом решения соответствующих оптимизационных задач.

Любая система создается для достижения цели (целей) своего функционирования. С этой точки зрения в процессе создания системы, ориентированном на реализацию ее целеполагания, в данную систему «закладывается» потенциальная возможность достижения цели функционирования. В этом заключается суть закономерности потенциальной эффективности. Существенно, что закладываемые возможности должны соотносится с конечным результатом, т.е. с характеристикой успешности достижения цели. Поэтому оценка эффективности, как соответствие достигаемого результата желаемому (требуемому), занимает центральное место в процессе создания и развития любых систем.

Сложные организационно-технические системы не могут быть неизменными. Они не только возникают (создаются), функционируют и развиваются, но и стареют. Учет закономерности историчности динамики развития систем необходим в силу того, что на определенном этапе жизненного цикла системы появляются признаки морального, технического и других видов старения системы. Поэтому важнейшее следствие, вытекающее из данной закономерности заключается в непрерывном решении вопросов