Понятия, определяющие структуру, функционирование и процессы системы
Существует множество определений понятия системы. Основоположник теории систем Людвиг фон Берталанфи определял систему как комплекс взаимодействующих элементов или как совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой. В «Философском словаре» система определяется как «совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой определенным образом образующих некоторое целостное единство». Здесь, как видно, появляется понятие цели. В этом отношении интересно определение академика П.К.Анохина: «Системой можно назвать только такой комплекс избирательно-вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение приобретает характер взаимосодействия компонентов на получения фокусированного полезного результата» [10].
Существует также мнение, согласно которому необходимо учитывать взаимодействие между исследователем и изучаемой системой. На это впервые указал один из основоположников кибернетики У.Р.Эшби. М.Месарович, Д.Мако и И.Тахара считают, что система есть «формальная взаимосвязь между наблюдаемыми признаками и свойствами» [11].
Наиболее полным, учитывающим такие важные составляющие любого материального объекта, как элемент, связь, взаимодействие и целеполагание, является определение, предложенное А.С.Малиным и В.И.Мухиным. «Система – множество составляющих единство элементов, их связей и взаимодействий между собой и между ними и внешней средой, образующих присущую данной системе целостность, качественную определенность и целенаправленность» [10].
В соответствии с задачами системного исследования можно выделить два типа определения системы – дескриптивное и конструктивное. Дескриптивное (описательное, от англ. «description» - описание) – определение системы через ее свойства, внешние проявления. Конструктивное определение – описание через элементы системы, связанные с основным системообразующим фактором – с функцией. В конструктивном плане система рассматривается как единство входа, выхода и процессора (преобразователя), предназначенных для реализации определения функции.
Ниже приводятся основные понятия, определяющие структуру, функционирование и процессы системы [5, 10, 13].
Структура системы характеризуется следующими понятиями.
Элемент – неделимая часть системы, обладающая самостоятельностью по отношению к данной системе. Предел членения системы, т.е. неделимости ее элементов, определяется с точек зрения решения конкретной задачи, поставленной цели или аспекта изучения объекта как системы.
Множество А элементов в системе можно описать в виде:
А={аi}, i = 1, … , n,
где аi - i-ый элемент системы, n – число элементов в системе.
Подсистема – более крупный компонент, чем элементы, и в то же время более детальный, чем система в целом. Подсистема включает в себя совокупность взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы.
Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы. Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом). По первым двум признакам связи можно разделить на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру – на связи подчинения, генетические, равноправные (или безразличные), связи управления. Связи также разделить по месту приложения (внутренние и внешние), по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные).
Множество Q связей между элементами аi, аj можно представить в виде
Q = {аij}, i, j = 1, … , n.
Взаимодействие – совокупность взаимосвязей и взаимоотношений между свойствами элементов, когда они приобретают характер взаимосодействия друг другу.
Структура системы – совокупность элементов системы и связей между ними в виде множества/
D = {A, Q}
Структура является статической моделью системы и характеризует только строение системы, не учитывая множества свойств (состояний) ее элементов.
Внешняя среда – это набор существующих в пространстве и во времени объектов (систем), которые, как предполагается, действуют на систему. По сути дела, выделение внешней среды вытекает из необходимости разделения некоторой области материального мира на две части: исследуемую систему и внешнюю среду, для которой объект анализа (синтеза) не является функциональной подсистемой.
Модель – описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.
Функционирование системы определяется следующими понятиями.
Состояние системы – совокупность состояний ее n элементов и связей между ними. Под понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы.
Поведение системы – множество последовательных во времени состояний системы.
Движение системы – процесс последовательного изменения ее состояния.
Входы системы хi – различные точки приложения влияния (воздействия) внешней среды на систему.
Выходы системы yi – различные точки приложения влияния (воздействия) системы на внешнюю среду.
Ограничения системы – то, что определяет условия ее функционирования (реализацию процесса). Ограничения бывают внутренними и внешними. Одним из внешних ограничений является цель функционирования системы. Примером внутренних ограничений могут быть ресурсы, обеспечивающие реализацию того или иного процесса.
Равновесие – способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго.
Устойчивость – способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий.
Цель – субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния системы. Другими словами, положение дел, к которому необходимо стремиться.
Развитие – есть реализация сущности системы, заложенного в ней потенциала. Критериями развития являются увеличение порядка системы, рост организованности, увеличение информации, снижение энтропии. Если рассматривать жизненный цикл системы, то развитие есть первый его этап. Далее следуют стабилизация («зрелость») и деградация (упадок) системы. Однако не стоит забывать и тот факт, что «организации и люди развиваются с помощью кризисов» (Зеро Воутилайнен).
Управление – воздействие на объект (систему, подсистему, отдельный элемент) с целью достичь желаемых свойств его поведения.
Характеристика процессов системы проводится с использованием следующих понятий.
Процессы системы – совокупность последовательных изменений состояния системы для достижения цели. Выделяют входные, выходные и переходные процессы. Входной процесс – множество входных воздействий, которые изменяются с течением времени. Выходной процесс – множество выходных воздействий на окружающую среду, которые изменяются с течением времени. Переходный процесс – множество преобразований начального состояния и входных воздействий в выходные величины, которые изменяются с течением времени по определенным правилам.
В качестве объекта системного анализа могут быть рассмотрены любые системы, явления, а также отдельные проблемы, решением которых является особо важным в функционировании системы. Это тактический уровень анализа. Реализация стратегического уровня системного анализа носит название стратегии системного проектирования и опирается на всестороннее, системное описание объекта исследования, особое место в котором занимает проблема выявления функций.
Классификация систем
Если воспринимать систему как объект исследования, то перед обществом и наукой встает особая познавательная задача, заключающаяся в необходимости классификации системы. В зависимости от решаемой задачи исследователь может выбрать разные принципы классификации. Класс – это совокупность объектов, обладающих некоторыми признаками общности. Признак или их совокупность, по которым объекты объединяются в классы, являются основанием классификации.
Основанием приведенной классификации послужили источники [2], [5], [10], [14]. Чаще всего системы классифицируются следующим образом:
1) по природе элементов системы могут быть реальными (все элементы материальные) или абстрактными (все элементы являются понятиями – например, языки, системы счисления);
2) по происхождению – естественные, созданные в ходе естественной эволюции и в целом не подверженные влиянию человека (клетка), и искусственные, созданные под воздействием человека (ЭВМ);
3) по обусловленности действия различают детерминированные, в которых элементы взаимодействуют точно предвиденным образом (ЭВМ) и стохастические (вероятностные), где поведение системы можно предсказать лишь с некоторой вероятностью (мозг);
4) по естественному разделению системы делятся на технические, биологические, социально-экономические;
5) по длительности существования – постоянные и временные. К постоянным обычно относят естественные системы, хотя, с точки зрения диалектики, все существующие системы – временные. К постоянным относятся искусственные системы, которые в процессе заданного времени функционирования сохраняют существенные свойства, определяемые предназначением этих систем;
6) по изменчивости свойств – статические, при исследовании которых можно пренебречь изменениями во времени характеристик их существенных свойств, и динамические, имеющие множество возможных состояний, которые могут меняться как непрерывно, так и дискретно;
7) по степени сложности – простые, сложные и большие. Простые системы характеризуются небольшим числом элементов, связи между которыми легко поддаются описанию (механические средства труда, простейшие биологические организмы). Сложные системы состоят из большего числа элементов, выполняют более сложные функции, но могут быть описаны (ЭВМ, автомобиль, галактики). Большие системы характеризуются значительным количеством разнообразных элементов, с трудом поддаются описанию. Большие системы – это сложные пространственно-распределенные системы, в которых подсистемы относятся к категориям сложных (автоматизированные системы управления, воинские части, производственные предприятия, отрасли промышленности);
8) по реакции на возмущающие воздействия – активные и пассивные. Активные системы способны противостоять воздействиям среды (противника, конкурента и т.д.) и сами могут воздействовать на нее. У пассивных систем это свойство отсутствует;
9) по характеру поведения – системы с управлением, в которых реализуется процесс целеполагания и целеосуществления, и без управления (Солнечная система);
10) по взаимодействию со средой различают системы замкнутые и открытые. Замкнутая система в процессе своего функционирования использует только ту информацию, которая вырабатывается в ней самой (например, система кондиционирования воздуха в замкнутом объеме). Открытые системы обмениваются с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Стоит отметить, что закрытых систем в природе фактически не существует. Это заведомо упрощенные схемы открытых систем, полезные при приближенном решении частных задач;
11) по степени участия в реализации управляющих воздействий людей – технические (человек не участвует в системе), человеко-машинные или эргатические (человек является управляющим элементом системы), организационные (социальные системы – группы, коллективы людей, общество в целом);
12) по степени организованности – хорошо организованные системы, плохо организованные системы (диффузные), самоорганизующиеся.
В хорошо организованных системах решение задачи осуществляется аналитическими методами формализованного представления системы. Примеры таких систем: Солнечная система, в которой траектории движения планет определяются законами механики; описание работы сложного электронного устройства с помощью системы уравнений, учитывающей особенности условий его работы (наличие шумов, нестабильность источников питания и т.д.).
Плохо организованная система характеризуется некоторым набором закономерностей и макропараметров, статические значения которых распространяются на всю систему лишь с определенной долей вероятности. Подход к отображению объектов в виде диффузных систем широко применяется при описании систем массового обслуживания, исследовании документальных потоков информации в системах управления и т.д.
Самоорганизующиеся системы обладают признаками диффузных систем (стохастичностью поведения, нестационарностью отдельных параметров и процессов), а также способностью адаптироваться к изменяющимся условиям среды; изменять структуру при взаимодействии системы со средой, сохраняя при этом свойства целостности; формировать возможные варианты поведения и выбирать из них наилучший. Примеры: биологические организации, коллективное поведение людей, организация управления на уровне предприятия, отрасли, государства. Особенностью организационных систем является наличие человеческого фактора.