1.2 Складні системи та основи і системного підходу

Поняття системи.

Вперше основні принципи динамічного моделювання механічних систем були розглянуті в знаменитій праці І. Ньютона „Математические початки натуральної філософії” (1687 р.). У сучасному формулюванні під механічною системою розуміють сукупність механічно взаємодіючих матеріальних крапок, для якої положення і рух кожною з точок системи залежить від положення і руху решти всіх елементів даної системи. Причому рух механічних систем визначається не тільки зовнішніми і внутрішніми силами, але і розподілом мас, тобто інтегральною інерцією системи. У аналітичній теорії механічних систем, засновником якої є французький математик Жозеф Луї Лагранж, показано, що положення системи в просторі визначається узагальненими координатами (фазовими змінними), а її рух описується диференціальними рівняннями Лагранжа II роду.

Розвиток механіки надав істотний вплив на природничонаукову методологію, філософський світогляд і становлення сучасної фізичної картини миру. Цей вплив також позначився і на загальній теорії систем. Дана теорія у вигляді спеціальної концепції була вперше сформульована в 30-і роки ХХ в. Л. Фон Берталанфі. Пізніше методологічні питання дослідження систем розроблялися В.М.Глушковим, Н.П.Бусленко, А.І.Уємовим, Ланге, Месаровічем і ін. У цій теорії поняття системи є елементарним, тобто воно не може бути визначене з допомогою ще простіших понять. Таким чином, поняття «система» належить до тих, для якого важко дати коректне визначення. Приведемо, проте, достатньо стале в системному аналізі, визначення поняття системи, яке добре узгоджується з природничонауковою методологією.

Система – це безліч об'єктів разом з відносинами між об'єктами і між їх атрибутами (властивостями) ( А.Холл, Р.Фейджін, 1956 р.).

Об'єкти - суть просто частини або компоненти системи.

Атрибути – це властивості об'єктів.

Відносини – суть такі, за допомогою яких система об'єднується в одне ціле.

При цьому слід розуміти, що всяка система є об'єктом системи вищого порядку, а об'єкти системи є системами нижчого порядку.

Навпаки, безліч об'єктів, які не зв'язані ніякими властивостями і відносинами систему не утворюють. Наприклад, розглянемо три незалежні об'єкти – пружину, вантаж деякої маси і кронштейн. Варто тільки прикріпити пружину до кронштейна і привісити на ній грузнув, як між ними з'являться особливі відносини, які визначать механічну систему. Пружина подовжиться, а вантаж знаходитиметься у спокої під дією сили тяжіння і сили пружності. Та варто вивести вантаж з положення рівноваги, або розгойдувати точку приросту пружини, як цей вантаж почне здійснювати коливальний рух.

Слід також відзначити ще одне, істотно, важлива властивість (атрибут) систем – це їх функціонування (рух), яке обумовлене зовнішніми і внутрішніми відносинами (взаємодіями). Бо всякий об'єкт без відносно до чого-небудь зовнішньому є «річчю в собі», тобто не існує. Таким чином, природа і суть систем виявляється через її функціонування (рух).

«Рух, що розуміється як внутрішньо властивий матерії атрибут, обіймає собою що всі відбуваються у Всесвіту процеси і явища, починаючи від простого переміщення і кінчаючи мисленням» («Діалектика природи», Ф.Енгельс). Отже, під рухом матерії розуміється не тільки просте переміщення тіл в просторі, але і будь-які зміни, що відбуваються в системах при теплових, електромагнітних, хімічних, біологічних, інформаційних, суспільних, економічних і інших процесах і явищах. У зв'язку з цим система є «простою», якщо її функціонування характеризується однорідною (однотипною) формою взаємодії її об'єктів.

Поняття складних систем

Складними системами є також: живий організм, промислове підприємство, галузь промисловості, економічний регіон, система соціального забезпечення, операційна система ЕОМ.

Приклади складних систем

Тварини і рослини Ботанік прагне знайти схожі і оличительные риси у різних рослин, вивчаючи їх морфологію, тобто їх форму і структуру. Рослини – це складні багатоклітинні організми. В результаті спільної діяльності різних систем і органів рослини виникають складні процеси, як фото синтез і обмін речовин з навколишнім середовищем. Рослини складаються з трьох основних структур (коріння, стовбур, стебла і листя), і кожна з них має своє усройство. Коріння, наприклад, состят з гілок, волосся, вершини і шапки. Якщо ж зробити напрмер, розріз листа, то ми побачимо, що він складається з эпидермия, мезофіла і судинної тканини. Кожна їх цих структур в свою очередб є набором кліток. Усередині кожної клітки існує следцющий рівень складності. Який включає хлоропласти, мітохондрію, ядро і так далі По аналогії із структурою компбютера частини рослини формують ієрархію, і кожен рівень цієї ієрархії відображає свій рівень складності

Матерія. Іследованія в таких різних областях, як астрономія і ядерна фізика, дають нам багато прикладів дуже складних систем. Расмотрев ці дві дисципліни, ми знайдемо додаткові приклади структурної ієрархії. Астрономи займаються вивченням галактик і їх складових: зірок, планет і інших небесних тіл. Ядерні фізики мають справу із структурною ієрархією фізичних тіл сосвсем іншого масштабу. Атоми складаються з електронів, протонів і нейтронів; електрони. мабуть. є елементарними частинками, але протони, нейтрони і інші частинки формуються з ще дрібніших компонент, званих кварками.

Проте ці дві абсолютно різні по масштабу і структурі физичкеские системи підкоряються одним і тим же законам взаємодії. Насправді виявляється, що у всесвіті існують всього чотири типи сил, гравітаційна, електромагнітна, сильна взаємодія і слабка взаємодія. І багато законів фізики, що мають на увазі наявність цих елементарних сил, такі, як закон збереження енергії і моменту, можна застосувати і до галактик, і до кварків.

Суспільні інститути. Групи людей збираються разом для вирішення завдань, які не можуть бути вирішені окремими особами. Деякі організації бвстро розпадаються, а деяким вдається протриматися впродовж декількох людських життів. Чим більше організація, тим виразніше видно в ній ієрархічна структура. Мультнациональниє корпорації складаються з компаній, які у свою чергу складаються з підрозділів, що містять різні філії. Останнім належать вже окремі офіси і так далі Впродовж існування організації межі між цими частинами можуть змінюватися, так що з часом стара ієрархія шляхом еволюції трансформується в нову, стабільнішу.

Відношення між різними частинами організації такі ж, як і між компонентами комп'ютера, рослини, галактики. Таким чином, ступінь взаємодії між співробітниками однієї установи, поза сумнівом, вище, ніж між співробітниками двох різних установ. На перший погляд це не зовсім так: поштовий клерк, наприклад, зазвичай невзаимодействует з виконавчим директором компанії, а в основному обслуговуючи відвідувачів. Проте клерка і директора, що належать різним рівням ієрархії, об'єднує загальний еханизм функціонування компанії. Робота і клерка, і директора оплачується однією фінансовою організацією, і обидва вони користуються загальною аппратурой, зокрема внутрішньою телефонною системою компанії для вирішення своїх завдань.

П'ять ознак складної ситемы

Грунтуючись на роботі Саймона і Ендо, Куртуа пропонує наступні п'ять ознак складної системи.

1. «Складність часто представляється у вигляді ієрархії. Складна система зазвичай складається з взаємозалежних підсистем, які у свою чергу також можуть бути розділені на підсистеми, і так далі аж до самих нижчих рівнів абстракції» (6).

Той факт, що багато складних систем мають розкладну на складові ієрархічну структуру, є головним факторм, що дозволяє нам зрозуміти, описати і навіть «побачити» такі системи і їх підсистеми [7]. Насправді, скоре всього ми зможемо зрозуміти лише ті системи, які мають ієрархічну структуру.

2. Виьор нижчого рівня абстракції достатньо довільний і у великій мірі визначається спостерігачем.

Нижчий рівень для одного спостерігача може виявитися рівнем достатньо високої абстракції для іншого.

Саймон називає ієрархічні системи «розкладними», якщо вони млгут бути розділені на чітко впізнанні чати, і «майже розкладними», якщо їх складові не є абсолютно незалежними.

3. «Внутрішньоелементні зв'язки зазвичай сильніше за міжелементні зв'язки. Аоетому високочастотні взаємодії усередині структури виявляються природним чином відокремлені від низькочастотних взаємодій між структурами.[8].

Відмінність між внутри- і міжелементними взаємодіями обуславливает розділення системи на абстрактні автономні частини, які можна вивчати окремо.

Як ми вже говорили, багато складних систем організовано достатньо економно в сенсі способів виразу. Звідси – наступна ознака складних систем.

4. «Ієрархічні системи зазвичай складаються з декількох підсистем різного типу, реалізованих в різному порядку і в різноманітних комбінаціях»[9].

Іноді, (наприклад, клітки рослин і тварин) можна виявити підсистеми, загальні для різних сфер функціонування всієї системи.

Вище ми говорили, що складні системи мають тенденцію до розвитку в часі. Саймон вважає, що складні системи розвиватимуться з простих набагато швидше, якщо для них існують стійкі проміжні форми[10].

5. «Працююча складна система неминуче виявляється результатом розвитку що працює простій системи. Складна система, розроблена від початку до кінця на папері, ніколи не працює і не можна змусити її запрацювати. Ви повинні почати з тією, що працює простій системи[11].

У процесе розвитку системи об'єкти. Які спочатку вважаються складними, починають расматриваться як елементи нижчих рівнів абстракції, з яких потім будуються складніші системи.

Людські можливості і складні системи.

Коли ми починаємо аналізувати складну систему, в ній виявляється багато складових частин, які взаємодіють один з одним різними складними способами, причому ні самі частини системи, ні шляхи їх взаємодії не виявляють ніякого сходстваю Коли ми починаємо в процесі проектування вносити до системи елементи організованості, ми повинні думати відразу про багато речей. При аналізі дискретних систем необхідно розглядати великі, складні і не завжди детерміновані простори станів. На жаль, одна людина не може відстежувати все це одночасно. Психологи, (наприклад, Міллер) вважають, що максимальна кількість одиниць інформації. Яке людський мозок може одночасно обробити, не перевищує 7. Цей об'єм зв'язаний, мабуть, з об'ємом короткочасної пам'яті у людини. Саймон відзначає також, що додатковим обмежуючим чинником є швидкість обробки мозком інформації, що поступає: йому потрібний приблизно 5 с. На кожну нову подію. Таким чином, ми зіткнулися з серъезным перешкодою: необхідна складність програмних систем зростає, а здатності нашого мозку контролювати цю складність залишаються на колишньому рівні.

Забезпечення цілісності опису складної системи.

Поняття цілісного опису системи є центральним в системотехнической діяльності. На його базі будується понятійний апарат. Цілісний опис системи повинен давати уявлення система як єдиному що цілому складається з тих, що взаємодіють на користь досягнення поставленої мети частин. Причинами що утрудняють отримання цілісного опису є багатоаспектність і полидекомпозируемость систем.

Для забезпечення цілісного опису системи необхідно вирішити наступні завдання:

• сформулювати сукупність представлень системи і проаналізувати їх взаємозв'язки;

• виділити форми представлення складної системи;

• провести класифікацію моделей, як форм представлення складної системи.

Види представлень системи.

Існують три основні форми представлення систем:

• Ф – уявлення (функціональне);

• П – уявлення (процессное);

• М – уявлення (морфологічне).

На їх базі можуть бути побудовані складніші представлення систем, що використовують і конкретизуючі атрибути основних уявлень.

Для однозначної поведінки системи досить задати початковий стан і рівняння руху, що зв'язує змінні станів. Системи функціонують в нескінченному просторі станів. Іноді говорять, що існує рівноважний стан системи – стан спокою. Рівноважний стан системи є необхідним елементом для визначення ширшої властивості системи, охоплюване поняттям стійкості. Для стану рівноваги системи характерна відсутність зовнішніх дій або їх взаємна нейтралізація.

Загальне для всіх систем:

• інформація про завдання і цілі управління;

• інформація про процес;

• інформація, що характеризує дії, що управляють;

• вимірювальні елементи;

• вирішальні елементи;

• об'єкт управління.

Будь-яку систему можна охарактеризувати сукупністю деяких величин. Набір значень цих величин в певний момент часу називається станом системи. Послідовність станів системи в часі є рухом системи, який може бути задане різними способами.