Geum.ru

Исследование систем управления

Вид материалаИсследование

Содержание


Общая теория систем
Система: свойства, структура, классификация.
Система – это совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность
Свойство структурности
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ

Становление теории систем


В повседневной жизни мы часто употребляем словосочетания со словом система: корневая система, система здравоохранения, система отопления, мировая система и многое другое.

Что же подразумевается под этим понятием, и когда оно возникло?

Первые представления о системе как совокупности элементов, находящихся в структурной взаимосвязи друг с другом и образующих определенную целостность, содержатся в трудах античных философов (Платон, Аристотель). Еще в те времена под понятием система понимали упорядоченность и целостность бытия. Воспринятые от античности представления о системности бытия развивались дальше в концепциях Спинозы, Лейбница и других философов и привели к естественной интерпретации системности мира.

Далее, древнегреческим философом и математиком Евклидом на основе аксиоматического построения геометрии и логики разрабатывалась идея системности знания. Эта идея дальше развивалась в немецкой классической философии [25]. Согласно Канту научное знание есть система, в которой целое главенствует над частями; Шеллинг и Гегель трактовали системность познания как важнейшее требование диалектического мышления.

Проникновению понятия система в различные области науки, техники, хозяйства большое значение имело создание со 2-й половины 19 века эволюционной теории Ч. Дарвина, теории относительности, структурной лингвистики, появление периодической таблицы Менделеева, зарождение квантовой физики и естественно начало новой промышленной революции: открытие электричества, разработка автомобилей и летательных аппаратов. Возникла задача строгого определения рассматриваемого понятия и разработки оперативных методов анализа системы. В 30-40-х годах австрийский ученый Берталанфи успешно применяет системный подход к изучению биологических процессов и предлагает программу построения общей теории систем. Основными задачами этой программы являются [19]:
  • выявление общих принципов и законов поведения систем независимо от природы составляющих их элементов и отношений между ними;
  • установление в результате системного подхода к биологическим и социальным объектам законов, аналогичных законам естествознания;
  • создание синтеза современного научного знания на основе выявления взаимно-однозначного соответствия законов различных сфер деятельности.

Датой рождения теории систем принято считать публикацию научных трудов отца кибернетики Норберта Винера, в которых демонстрирована всеобщность принципа обратной связи и пути его использования, а также сформулирован по сути философский подход к построению модели мира [16].

Появление обобщающих идей, которые несла в себе кибернетика относительно принципа обратной связи, вызвало бурный рост теории автоматического управления, ее прикладных аспектов и привело к разработке новых технических систем, в том числе прообразов вычислительных машин. Отметим, что выбор термина “кибернетика” (от греческого слова “кормчий”) при рассмотрении обратной связи объясняется тем, что судовые рулевые машины были действительно одними из первых хорошо разработанных устройств с обратной связью.

В процессе своего развития кибернетика все активнее проникает в различные области знаний, причем каждая наука, продуктивно использующая идеи кибернетики, должна была подвергнуться формализации. Другими словами, объект исследования следовало описать в соотношениях и уравнениях с привлечением адекватного математического аппарата.

Отметим, что в 60-е годы при постановке и исследовании сложных проблем проектирования и управления широко применялись методы системотехники (системной инженерии) в технических направлениях и методы системологии по всем остальным направлениям.

Укажем еще на одно научное направление - теорию исследования операций, общие результаты которого затем вошли в теорию систем. Основу этой теории, возникшей как об изучении массовых явлений и повышения эффективности их использования, составили методы теории игр, математического программирования, прикладные задачи теории вероятностей.

Хотя общая теория систем задумывалась как общая наука о системах любых типов, конкретная реализация соответствующей программы натолкнулась на очень серьезные трудности, главная из которых состоит в том, что общность понятия системы ведет к потере конкретного содержания. Поэтому, наверное, прикладные достижения общей теории систем пока весьма скромны. В то же время системное мышление все чаще используется представителями практически всех наук (географии, политологии, психологии и т.д.). Системный подход находит все более широкое распространение и при анализе социальных систем. Применение понятий системного подхода к анализу конкретных прикладных проблем получило название системного анализа.

Система: свойства, структура, классификация.


Отметим, что в научной литературе имеется целый набор близких по смыслу определений понятия «система» (греч.systema - составленное из частей, соединенное), взаимосвязанных между собой и в некоторой степени уточняющих смысл друг друга. Отсутствие строгого и единого определения системы объясняется чрезвычайной общностью этого понятия, для которого трудно подобрать адекватную формулировку.

Здесь мы приведем одно из известных определений, предложенное В.Н.Садовским [25]. Система – это совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность. Как следует из этого определения, система представляет собой множество с некоторыми дополнительными свойствами, называемыми системными принципами.

Основной системный принцип - принцип целостности заключается в том, что система, как целое является автономной, самодостаточной и относительно независимой от среды и других аналогичных систем. В качестве классического примера системы с ярко выраженной целостностью можно привести живой организм.

Следующее свойство эмерджентности системы состоит в несводимости свойств системы к сумме свойств, составляющих ее объектов. Свойства целостности и эмерджентности позволяют образованию быть системой и роль объектов сводят к обеспечению функционирования этой системы. Для пояснения свойства эмерджентности рассмотрим процесс строительства арки из специально обтесанных камней [19]. Обтесанные камни помещают один возле другого и, далее, вставляют замыкающий арку центральный камень. Только после этого появляется единая структура и множество камней становится системой, приобретая новую способность поддерживать не только себя, но и другие посторонние грузы. Возможность поддерживать груз не является свойством каждого камня или всей кучи камней, это свойство появляется после того, как камни начинают взаимодействовать в определенном порядке. Итак, мы подошли к еще одному системному принципу - принципу структурности.

Свойство структурности определяется как возможность описания системы через установление ее структуры, обусловленность поведения системы не столько поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры (от лат.structura - строение, расположение, порядок). Очевидно, чем выше организованность системы, тем больше отличается она от множества. В качестве примера, подтверждающего это утверждение, можно привести множество кирпичей и сложенный из них дом. С другой стороны, труднее провести различие между понятиями системы и множества для менее организованных, слабо структурированных объектов [19]. Действительно, если камни разбросаны на некоторой ограниченной площади в степи, то мы имеем простое множество камней. А если те же камни находятся в японском саду, то расположение камней имеет особую структуру: невозможно увидеть все камни находясь в одном и том же месте сада. Таким образом, свойство структурности является одним из отличительных свойств системы.

Принцип структурности тесно связан с еще одним системным свойством - свойством иерархичности. Суть этого свойства состоит в том, что с одной стороны каждый компонент системы в свою очередь может рассматриваться как система, с другой стороны исследуемая система является компонентом более широкой системы, т.е. имеет место система матрешек.

Следующим важным системным принципом является принцип взаимозависимости системы и среды. Любая система функционирует в окружении среды, испытывает на себе постоянное ее воздействие и в свою очередь оказывает влияние на среду. Например, человек с одной стороны приспосабливается к среде, а с другой стороны, сохраняя свою целостность в условиях изменяющейся среды, изменяет окружающую среду, преобразует ее в соответствии со своими интересами и потребностями.

Для сохранения целостности системы в условиях трансформации внешней среды, а также при внутренних изменениях необходимо выполнение следующих важных свойств: инвариантности и энтропийности. Инвариантность заключается в свойстве некоторых существенных для системы соотношений не меняться при ее определенных преобразованиях. Энтропия означает меру хаоса.

Энтропийность (условно) можно понимать, как способность системы сохранять свою качественную определенность (нормальный режим функционирования) при хаотических внутренних изменениях до определенной черты - энтропии.

Вернемся теперь к понятию структуры, являющейся одним из ключевых понятий системы. Согласно методологии Кузьмина С.А. [14] основной “клеткой” в строении системы является внутрисистемная пара – отношение «А – В», где А и В – две совокупности из одного и более элементов, а связь между ними может быть определена как двустороннее или одностороннее действие в ту или иную сторону.

Отметим, что во внутрисистемные пары могут входить объекты самых различных уровней. Например, предприятие, как объект более низкого уровня и комплекс предприятий некоторой отрасли, или вся отрасль, как группа объектов более высокого уровня. На основе этого примера ясно, что «внутрисистемные пары могут вступать в связь с другими внутрисистемными парами, образуя новые внутрисистемные пары, в том числе более высокого иерархического уровня, образовывать различные комбинации долговременного и кратковременного характера, производить какие-то новые действия по отношению к другим внутрисистемным парам или их группам. Таким образом, внутрисистемные пары, «сцепляясь» и пересекаясь с другими, образуют как саму систему (ее «тело»), так и ее функциональную основу (в чем проявляется ее существование, что она может «делать», какие внешние воздействия осуществляет и т.п.)» [14].

Итак, мы вплотную подошли к раскрытию понятия «структура». Согласно вышесказанному, внутрисистемные пары, сцепляясь и пересекаясь друг с другом, образуют материальную и функциональную основу системы, т.е. структуру системы. В отличие от самой системы, структура включает не все внутрисистемные пары, а только наиболее стабильные, устойчивые из них. Например, отношение «работник – работодатель» является устойчивым отношением для рыночного хозяйства и входит в его структуру, тогда как иногда возникающее в многоукладной рыночной экономике отношение «рабочий нанимает рабочего», не может быть в его структуре.

Как отмечает Кузьмин С.А.,[14] «структура – это отнюдь не «костяк» системы (как определяют ее некоторые авторы), а, если хотите – и костяк (скелет), и мозг, и основные группы мышц, и кровеносные сосуды, если пользоваться дальше биологическими сравнениями».

Важной характеристикой системы является системообразующий фактор, который, вообще говоря, определяет способ образования системы как целого при объединении частей.

Основными системообразующими факторами являются:
  1. Структурность, т. е. наличие устойчивых внутрисистемных пар;
  2. Целенаправленность, т. е. наличие у элементов системы определенных целей, частично совпадающих и образующих общую цель системы. При этом под целью системы понимается наиболее предпочтительное для нее состояние;
  3. Управляемость, т. е. возможность целенаправленного изменения состояния и характера поведения системы;
  4. Функциональность, т. е. функции элементов по отношению к системе должны иметь целесообразный направленный характер и согласовываться во времени и пространстве. Такое функциональное согласование может быть представлено в двух основных формах:
    1. координация – согласование функций элементов системы по горизонтали;
    2. субординация – согласование функций элементов системы по вертикали;
  5. Эволюционность, т. е. способность развиваться, адаптироваться к новым условиям путем создания новых связей, определения новых целей и средств их достижения.

Перейдем теперь к вопросу классификации систем. Системы разделяют на классы по различным признакам, и в зависимости от решаемой задачи следует выбирать разные принципы классификации.

Наиболее содержательной классификацией является деление систем по типам элементов на материальные и абстрактные системы. В свою очередь материальные системы, как целостные совокупности материальных объектов, подразделяются на системы неорганической природы (физические, геологические, химические и др.) и живые системы (простейшие биологические системы, организмы, популяции, виды, экосистемы и др.). К первому виду материальных систем можно отнести, например, производственные, энергетические, информационные, транспортные и финансовые системы. Последняя система, регулируя финансовые потоки в их денежном выражении или в атрибутивной форме в приведенных выше технологических сферах, является одновременно показателем эффективности происходящих процессов.

Особое место в классе живых материальных систем занимают социальные системы, чрезвычайно многообразные по своим типам и формам (начиная от простейших социальных объединений и вплоть до социально-экономической структуры общества).

К абстрактным системам относятся продукты человеческого мышления: понятия, гипотезы, теории, научные знания о системах, лингвистические (языковые) системы, а также формализованные, логические системы.

Среди этих систем можно выделить [16]: системы наук, одной из задач которых является накопление объективных знаний о мире, природе, обществе, человеке и мышлении; философские и религиозные системы, занимающиеся вопросами мироустройства, в частности взаимоотношений материи и сознания, мышления и бытия, и системы искусств, как отражение действительности в художественных образах.

По состоянию системы во временном пространстве можно рассмотреть статичные и динамичные системы. Для статичной системы характерно, что ее состояние с течением времени остается постоянным (например, газ в ограниченном объеме находится в состоянии равновесия). В отличие от статичной системы динамичная система изменяет свое состояние во времени (например, любой живой организм).

По характеру взаимоотношений системы и среды системы можно классифицировать на закрытые и открытые системы. Система называется закрытой, если в нее не поступает и из нее не выделяется вещество, происходит лишь обмен энергией. В открытой системе постоянно происходит ввод и вывод не только энергии, но и вещества. Характерная особенность открытой системы - достаточно тесная связь, сращенность со средой, что особенно наглядно наблюдается, например, в биологических, экологических, политических, экономических, социально-культурных системах.

Искусственные технологические объекты, построенные руками человека, не обладают, вообще говоря, свойством открытости, т.к. одна из целей построения таких систем – это предотвращение возможности воздействия среды на систему.

Одним из самых простых способов классификации является различение систем по степени сложности. Система называется простой, если в результате взаимодействия в любой внутрисистемной паре возможен только один определенный исход. Система является сложной, если в результате воздействия хотя бы в одной внутрисистемной паре возможны несколько различных исходов.

По типу системообразующих факторов системы можно подразделять на следующие классы:
  • структурированные системы, имеющие явно выделенную структуру, и слабоструктурированные системы, у которых отношения между элементами нечеткие, нестрогие со случайными связями;
  • целенаправленные (целеустремленные) и программные (жесткие) системы;
  • управляемые, т. е. способные изменять свое состояние под некоторым целенаправленным воздействием, и неуправляемые, т. е. не реагирующие на воздействия, системы. Управляемая система должна удовлетворять следующим требованиям: наличие причинно-следственных связей между элементами и подсистемами; динамичность элементов и подсистем; наличие у элементов и подсистем таких параметров, воздействием на которые можно изменять ход процессов в самой системе.
  • функционально-полные, содержащие достаточный набор элементов и функций для достижения цели, и функционально-незавершенные, т. е. требующие доработки, системы;
  • прогрессирующие (развивающиеся), регрессирующие (угасающие, распадающиеся) и стабильные, т. е. не способные к развитию или не изменяющиеся в течение длительного времени, системы.

В заключение следует особо выделить организационные системы. Как известно, любой системе присуща организация ее подсистем или элементов, без которой она теряет свою целостность. Упорядочивание элементов и их связей, т.е. организация, характерна для любой системы, так как она составляет несущее, системообразующее начало для этого понятия. Но в искусственных системах следует выделять специфичные образования, в которых организация является сутью, назначением системы, хотя элементы системы материальны, они обмениваются информационными или вещественными продуктами. Назначение такой системы состоит в поддержании определенного порядка, сохранение некоторой определенной структуры, которая, разумеется, в процессе развития может трансформироваться, но цель - сохранение – останется без изменений. К такого рода конструкциям следует, в первую очередь, отнести государственную систему, затем различные движения и партии, аналогично можно классифицировать правовую систему и другие структуры (в том числе – вооруженные силы), обеспечивающие сохранение государства как целостности [16].