СА для заочников / Основы системного анализа-2012

С точки зрения синергетики и теории катастроф, равновесие в нашем мире представляет состояние весьма хрупкое. Неравновесность системы является необходимым условием ее развития. В условиях неравновесия система, предоставленная сама себе, не только повышает свою энтропию и стремится к более вероятному равновесному состоянию, но и одновре-

менно в ней возможны спонтанные переходы, сопровождающиеся сни-

жением энтропии и возникновением диссипативных структур.

Гомеостаз. Гомеостатические принципы организации и управления основаны на понятии гомеостаза, впервые появившемся в биологии и ставшим затем одним из ее кардинальных понятий. Гомеостаз означает свойство живых организмов поддерживать состояние своей внутренней среды постоянным с тем, чтобы находящиеся в ней живые клетки имели возможность нормально функционировать вне зависимости от внешних условий, в которых организм находится. Это понятие оказалось настолько удачным для описания сохраняемых свойств сложных систем любой при-

роды, что оно быстро распространилось на все области системного анали-

за. В самом общем понимании гомеостатичность системы означает, что она не только выполняет предписанное ей задание, но одновременно забо-

тится и о сохранении самой себя (по крайней мере, до момента выполне-

ния этого задания).

Гомеостаз – функциональное состояние системы, при котором обес-

печивается поддержание динамического постоянства в допустимых преде-

лах жизненно важных функций и параметров системы при различных из-

менениях внутренней и внешней среды.

Во многих системах (биологических, экономических, социальных,

технических и других) существуют жизненно важные параметры, выход которых за допустимые пределы неизбежно ведет либо к гибели системы,

либо к временной потере устойчивости (для человека – уровень темпера-

туры тела, кровяное давление, ритм сердца, уровень сахара в крови, уро-

41

вень иммунной защиты и т.п.; для экономики – уровень инфляции, денеж-

ная масса, величина ВВП и бюджета и т.п.).

Гомеостатика – наука об управлении жизнеспособностью систем.

Основой гомеостатики является тот факт, что мир двойственен и устойчи-

вая гомеостатическая система должна состоять из балансирующих или компенсирующих друг друга противовесов (противоположностей, антаго-

нистов), объединенных между собой определенным образом. Если это рав-

новесие противовесов нарушается, то обязательно требуются специальные средства, направленные на поддержание устойчивости системы. Таким средством в гомеостатических системах могут служить специальные мето-

ды управления. Известно, что управление в живом организме строится на использовании гомеостатических принципов, поэтому можно надеяться,

что применение гомеостатических принципов при управлении техникой,

экономикой, любыми искусственными системами, государством, общест-

вом, производством, отдельной фирмой повысит их живучесть, надеж-

ность и экономические показатели.

Управление. Управление объектом (системой) – это воздействие на него с целью достичь желаемых свойств его поведения, в частности, го-

меостаза. Всякая нормальная система с ее заданными функциями за счет воздействия управляющих сигналов (М1, …, МI) преобразует входные сиг-

налы (Х1, ...,Хn) в выходные сигналы (Y1, ...,Yp) (рис. 6).

Совокупность выходных величин и их изменения позволяют в доста-

точной степени оценивать поведение системы и соответствие траектории движения системы целям управления.

42

Рис. 6. Блок-схема управления системой

Во многих случаях в системе управления, т.е. системе, в которой осуществляется процесс управления, можно выделить, с одной стороны,

объект управления (или управляемую систему, орган), а с другой – субъект управления (управляющую систему, орган). При этом управление может быть: только прямым, односторонним, когда имеется только воздействие субъекта на объект управления (рис. 7, а), или – с обратной связью (рис. 7,

6), когда имеется также обратное воздействие объекта управления на управляющую систему.

Управляющая система (субъект управления)

Управляющая система (объект управления)

в

Рис. 7. Виды управления: а) управление как воздействие, б) управление как взаимодействие, в) управление через прямую и обратную связи

При управлении системой (объектом) происходит перевод (переход)

системы из одного состояния в другое, т.е. управляемый объект под воз-

действием управляющего изменяет свое поведение так, чтобы достичь за-

данной цели (или ценности), и при помощи обратной связи выдает от-

ветную реакцию о своем состоянии или поведении. Поэтому процесс управления во многом представляет собой преобразование информации обратной связи в информацию управляющих воздействий.

43

Как правило, управляющая и управляемая подсистемы системы управления в целом связаны между собой противоположно направлен-

ными потоками информации (рис. 7, в), которые переводят систему в раз-

ные состояния и осуществляют выбор в направлении предпочтительного изменения состояния. Очевидно, что если нет выбора, то нет и управления.

В отношении самоуправляемых систем, в которых нет условного разделе-

ния на объект и субъект управления, следует отметить, что они сами себя приводят в соответствие с состоянием внешней среды и обладают способ-

ностью саморегулироваться, самоорганизовываться.

Обратная связь является необходимым условием для большинства форм управления системами. Правда, обратная связь не всегда зрима (за-

метна) в процессе функционирования системы управления, но она прак-

тически всегда присутствует. Механизм положительной и отрицательной обратной связи занимает ведущее положение в управлении системами, так как представляет собой универсальный механизм целенаправленного управления поведением практически любых систем в зависимости от рас-

согласования фактического и желаемого поведения. Отрицательная об-

ратная связь корректирует поведение управляющей подсистемы в сторону ослабления факторов рассогласования, тогда как положительная обратная связь корректирует поведение управляющей подсистемы в сторону усиле-

ния факторов рассогласования. На поведение системы влияет соотношение положительной и отрицательной обратной связи, поэтому необходимо на-

ходить их оптимальное соотношение.

Когда речь идет о системах управления, важно иметь в виду, что ин-

тегративное качество системы, которое является желаемым, верхом идеала с точки зрения целей, часто достигается лишь в большей или меньшей сте-

пени, например, из-за особенностей объекта управления или недостатка ресурсов для осуществления управления. Это может происходить даже из-

за намеренных действий внутри управляющей системы, в которой могут

44

возникать собственные цели и интересы, отличные от исходной цели управления. В связи с этим, с точки зрения установленных целей, принято говорить о разном качестве управления. Во многих случаях интегративным качеством системы управления представляется гомеостаз систем как ко-

нечная цель управления. Особенно в эволюционных самоуправляемых системах управление существует как механизм обеспечения гомеостаза.

Если есть интегративное качество, то управление условно можно рассмат-

ривать как настоящую систему, а если нет, тогда управление представляет

собой не систему, а только лишь псевдосистему.

45

Глава 4. Функциональность систем

4.1. Понятие функции системы.

Классификация функций сложной системы

Развитие общества постоянно сопровождается возникновением раз-

личного рода потребностей, которые материализуются и удовлетворяются современными техническими системами. Такое назначение системы пре-

допределяет реализацию системой определенной совокупности функций.

Функция системы характеризует проявление ее свойств в данной совокупности отношений и представляет собой способ действия систе-

мы при взаимодействии с внешней средой. Функция системы является про-

явлением свойств, качеств системы во взаимодействии с другими объекта-

ми системного и несистемного характера. Наиболее общее истолкование функции как внешнего проявления свойств объекта в определенной сово-

купности отношений позволяет рассматривать функции как совокупность собственно функциональных возможностей системы и как совокупность их свойств, которые могут быть выражены как качественными, так и коли-

чественными характеристиками.

Понятие функции близко к понятию цели, они тесно связаны друг с другом. При рассмотрении цели системы с позиций системы более высоко-

го уровня, цель может рассматриваться как функция по отношению к дру-

гой системе.

Понятие функции можно трактовать и таким образом: назначение элемента, подсистемы, системы по отношению к другим элементам, под-

системам, среде.

Основные функции системы (макрофункции) определяют функции,

реализуемые элементами (микрофункции). Различают следующие виды организации системы.

46

Фун кц иона льна я ор гани за ция – это совокупность функций сис-

темы, связей и отношений между ними. Это структура системы на основе функций. Она выражает проявление свойств системы во внешней среде.

Стр ук турн ая ор га низация – это совокупность элементов, связей

иотношений между ними, т.е. структура системы на основе элементов (и

подсистем).

Фун кц иона льно - с тр ук турн ая орг ани за ция системы может рассматриваться как единство функциональной и структурной организа-

ции. Она выражает как особенности строения и взаимодействие системы с внешней средой, так и внутреннее взаимодействие элементов в процессе функционирования системы. Функциональная организация системы может быть описана алгоритмически, графически, таблично, с помощью времен-

ных диаграмм и словесно (вербально). Для описания структурной органи-

зации используется графическое или табличное представление связей ме-

жду элементами.

Все функции, реализуемые сложной системой, могут быть условно разделены на три группы:

– целевая функция соответствует основному функциональному на-

значению системы.

– основные функции отражают ориентацию системы и представляют набор макрофункций, реализуемых системой. Они обусловливают сущест-

вование систем определенного класса.

– дополнительные функции расширяют функциональные возможно-

сти системы, сферу применения. Обычно они рассматриваются как сер-

висные, повышающие эффективность и уровень эксплуатации систем.

Деление на основные и дополнительные функции является услов-

ным, и при определенных требованиях к создаваемой системе дополни-

тельные функции могут переходить в разряд основных. Для относительно простых систем целевая функция и основная функция могут совпадать.

47

4.2. Дерево функций системы

Построение функциональной организации включает в себя создание дерева функций системы. Оно представляет декомпозицию функций и формируется для детального исследования функциональных возможностей системы и анализа совокупности функций, реализуемых на различных уровнях иерархии системы.

На базе дерева осуществляется формирование структуры системы на основе функций. В дальнейшем эта структура покрывается конструктив-

ными модулями (элементами систем). Этап формирования дерева функций является важным не только при анализе функциональной организации, но и при синтезе функционально-структурной организации.

Формирование дерева функций представляет собой процесс деком-

позиции целевой функции и множества основных и дополнительных функций на более элементарные функции, реализуемые на последующих уровнях декомпозиции. Реализуемая на i-м уровне функция представляет собой одну из элементарных (микрофункций) по отношению к порождаю-

щей ее макрофункций i-1 уровня. Они в свою очередь рассматриваются как макрофункции по отношению к функциям i+1 уровня.

Следовательно, при формировании дерева функций каждая функция может рассматриваться и как элементарная по отношению к функциям верхнего уровня и как макрофункция по отношению к реализующим ее функциям нижнего уровня. Как правило, в процессе декомпозиции выде-

ляются следующие группы уровней системы, определяющие степень дета-

лизации описания реализуемых функций.

Первая группа – нулевой уровень, ему соответствует целевая функ-

ция. На уровнях второй группы осуществляется декомпозиция целевой функции и формирование основных и дополнительных функций. Основ-

ные функции представляют общие функции для систем рассматриваемого

48

класса. Их дальнейшая декомпозиция отражает проблемную ориентацию и специализацию конкретной создаваемой системы. Уровни второй группы соответствуют функциям отдельных подсистем. Уровни третьей группы отражают функции элементов системы.

Практика декомпозиции функций показывает, что реальное число микрофункций i+1 уровня, формируемых в результате декомпозиции мак-

рофункции i-1 уровня, сравнительно невелико. При большом числе выяв-

ленных микрофункций целесообразно увеличить число функций преды-

дущего уровня декомпозиции.

Число уровней декомпозиции дерева функций, не зависимо от функ-

ционального назначения, обычно не превосходит 5–7 уровней.

Реальные ограничения числа уровней определяются разумной на-

чальной ориентацией на определенную элементную базу. Декомпозиция основных и дополнительных функций осуществляется до уровня микро-

функций, соответствующих функциональным возможностям конструктив-

ных модулей, которые могут быть использованы как элементы для реали-

зации системы.

Многоуровневость (иерархичность) является характерной чертой сложных систем. Отдельные уровни системы реализуют определенные функции, а целостное функционирование системы представляет результат взаимодействия отдельных ее сторон и элементов всех иерархических уровней.

4.3. Взаимосвязь функций и структуры сложной системы

Функции и структура систем находятся в диалектической взаимосвя-

зи и оказывают влияние друг на друга в процессе развития систем. Однако роль функции как более подвижной (более гибкой, более изменчивой) сто-

роны этой взаимосвязи является первичной в процессе развития.

49

Это наиболее очевидно проявляется для технических систем (ТС).

Каждая ТС должна экономично и эффективно реализовать заданную сово-

купность функций, т.е. удовлетворять определенным функциональным требованиям. При не выполнении этих условий система либо перестает существовать, либо требует создания дополнительных подсистем для удовлетворения полного набора функций.

Если в процессе проектирования не придается должного внимания даже второстепенным функциям, система становится неэффективной в процессе эксплуатации и обречена.

Закономерность первичности функционального назначения созда-

ваемой системы и вторичность ее структурной организации обусловливает необходимость функционально-структурного подхода к созданию систем.

Функционально-структурный подход (ФСП) является естественным и единственно возможным при создании развивающихся систем. Функ-

циональное назначение системы и условия ее функционирования опреде-

ляют структурную организацию ТС. Она может удовлетворять своему функциональному назначению при различных структурных организациях.

Между реализуемыми функциями и структурой системы не существует взаимно однозначного соответствия.

Исследование процессов возникновения, развития и разрешения про-

тиворечий между функциями, реализуемыми системой, и соответствую-

щими структурами, предназначенными для реализации этих функций, яв-

ляется исключительно важным для диалектической теории развития систем.

Во взаимосвязи функции и структуры функции отводится, как пра-

вило, ведущая, определяющая роль, а структура трансформируется, видо-

изменяется в соответствии с реализуемыми функциями и конкретными ус-

ловиями функционирования системы. То есть имеется объективная, суб-

50