Понятие системы и ее свойства

 

Несмотря на такое многообразие задач, решаемых в разных разделах кибернетики, разнообразие моделей, подходов и методов, кибернетика остается единой наукой благодаря использованию общей методологии, основанной на теории систем и системном анализе.

Система - это понятие широко распространено как в общенаучной и специальной литературе, так и в повседневной жизни. Обычно оно используется в качестве синонима совокупности, комплекса определенных реальных объектов. С понятием системы также тесно соприкасается другое понятие - «структура», - которым обычно обозначают способ внутренней организации объекта, способ связи его элементов в некоторое целостное образование.

Каждый элемент системы обычно качественно обособлен, имеет самостоятельность в рамках целого. Вместе с тем он во многом зависит от других элементов системы и связан с ними, чем и определяются его место в целостном образовании (система), а также его качественные и количественные характеристики. Такие системы называют целостными, а наиболее сложные из них - кибернетическими. Есть ряд определений понятия системы. Так, под целостной системой понимают «совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединенных в единое целое выполнением некоторой общей функции, не сводимой к функции ее компонентов». Или: «Система есть упорядоченная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, закономерно образующих единое целое, обладающее свойствами, отсутствующими у элементов и отношений, его образующих».

В более широком смысле под системой понимается совокупность взаимосвязанных объектов, подчиненных определенной единой цели с учетом условий окружающей среды. Структура и функционирование системы определяются поставленными перед ней целями и задачами.

Несмотря на некоторые различия этих (и массы других) определений, в них можно выделить главные или наиболее существенные компоненты (свойства), а именно:

1) Структуризация (расчленимость) - система представляет собой упорядоченную (а не хаотическую) совокупность элементов. Например, подобно тому как совокупность всех деталей, из которых состоит автомобиль, будучи сложена в кучу, не образует автомобиль как систему. Изучаемый объект расчленим, если существует возможность выделить в нем фиксированное число составных частей первого уровня, а в них – части второго уровня и так далее вплоть до последнего уровня, состоящего из неделимых далее частей. Составные части представленного таким образом объекта, кроме частей последнего уровня, называются подсистемами. Части последнего или низшего уровня принято именовать элементами (от лат. – первоначальное вещество).

Элементом системы считается такой ее компонент, который в рамках данного исследования не разделяется на составные части, но задается своими внешними характеристиками без описания того, как и за счет чего они получаются. Элементы и подсистемы обозначаются обобщающим термином «компоненты» (от лат. – составляющий).

Все объекты материального мира бесконечно структурируемы – в нем не существует неделимых объектов и невозможно найти первооснову строения. Уже первый шаг членения системы может привести к ситуации, когда каждая из частей будет элементом. Например, когда дальнейшее расчленение не требуется для решения конкретной научной или познавательной задачи либо когда этого еще не умеют делать. В этом случае говорят, что такая система обладает элементарной организацией. Примерами таких систем могут служить: простые числа в арифметике; гелиоцентрическая система Коперника в ее первоначальном варианте; механистическая «планетарная» модель атома вещества.

Итак, расчленимость (структуризация) – это признак, позволяющий анализировать элементы системы и их взаимосвязи в рамках конкретной организационной структуры. Как правило, процесс функционирования системы обусловлен не столько свойствами ее отдельных элементов, сколько свойствами самой структуры.

2) Целостность исторически выступает родовым признаком системы. Формальное содержание этого признака заключается в следующем. Объект, состоящий из нескольких выделенных частей, обладает целостностью, если: а) в нем в результате взаимодействия частей образуется новое качество (общесистемное свойство), отсутствующее у частей; б) каждая составная часть приобретает иные качества (системные свойства компонентов) по сравнению с качествами, присущими этим же частям вне данного объекта. Таким образом, признак целостности отражает особенности не всякого, а определенного вида целого, такого, где достаточно выражено единство и где обязательно имеются выделенные части, влияющие друг на друга. Простое механическое вычленение какого-либо объекта из такого целого приводит к тому, что исследователь получает другой объект, но не тот, который он намеревался изучать. Еще Аристотель образно указывал по этому поводу, что рука, отделенная физически от тела, – это уже не рука.

Любое системное исследование, так или иначе, связано с нарушением целостного представления изучаемой системы. Не расчленив систему на части, невозможно понять сути целого, но всякая декомпозиция приводит к потере целостности и требует немалых сил и умений, чтобы восстановить целостный взгляд на сущность изучаемого объекта.

Итак, целостность – это признак, позволяющий рассматривать одновременно систему как единое целое и в то же время как подсистему для вышестоящих уровней.

3) Связанность рассматривается как признак, свидетельствующий о том, что целостные свойства изучаемого объекта и особые свойства его частей формируются за счет межкомпонентных (внутриуровневых и межуровневых) отношений, связей и взаимодействий. Уточним, что имеется в виду под понятиями «отношение», «связь» и «взаимодействие». Отношение – общенаучное понятие, используемое в системном анализе для соотнесения одного объекта с другим. Например, «часть – целое», «начальник – подчиненный», «управляющий – управляемый», «высший – низший». Связь – общенаучное понятие, трактуемое в системном анализе как коммуникационный канал или способ, с помощью которого реализуются взаимодействия между объектами. Взаимодействие (взаимное воздействие) – процесс перемещения вещества, энергии и информации между объектами, имеющий результат.

Итак, связанность (иерархичность строения) т.е. наличие множества (по крайней мере двух) элементов, расположенных на основе подчинения элементов низшего уровня – элементам высшего уровня. Реализация этого принципа хорошо видна на примере любой конкретной организации. Как известно, любая организация представляет собой взаимодействие двух подсистем: управляющей и управляемой. Одна подчиняется другой.

4) Неаддитивность (произв. от лат. additivus – получаемый путем сложения) - система как целое выполняет определенную функцию, которая не может быть сведена к функциям каждого отдельно взятого ее элемента или выведена их них. Этот признак в несколько иной интерпретации можно выразить формулой: если изучаемый объект представляется в данном исследовании как система, то при любом способе разделения такого объекта на части невозможно выявить его целостные свойства.

Неаддитивность является следствием так называемого синергетического эффекта (от греч. synergeia – содружественное, совместное), физический смысл которого состоит в следующем. В процессе взаимодействия объектов, объединенных в систему, происходит их самосинхронизация: под воздействием либо внешних, либо внутренних факторов они начинают вести себя таким образом, что поведение каждого отдельного компонента приобретает согласованную направленность. Их действия становятся когерентными (от лат. соhaerentia – сцепление, связь), или кооперативными (от лат. соореratio – сотрудничество). Результирующий эффект такого когерентно-коллективного действия получается иным, нежели простая сумма эффектов действия каждого компонента в отдельности. Так, если речь идет о синергетическом «сложении» мощностей, то когерентность выражается в том, что система начинает черпать дополнительную энергию из окружающего пространства и концентрировать ее в нужном направлении. В результате суммарная сила действия превышает сумму действий частей.

Таким образом можно считать, что изучаемый объект представлен в данном исследовании как система, если он идентифицируется по признакам расчленимости, целостности, связанности и неаддитивности, а само исследование относятся к классу системных, если процедурно оно строится без нарушения положений этих признаков.

Необходимо отметить, что элементы системы (как подсистемы) могут взаимодействовать и в рамках определенной системы, и с внешней средой и изменять при этом свое содержание или внутреннее строение. Под средой в данном случае понимаются внешние по отношению к конкретной системе объекты, которыми могут быть предметы, явления, отношения и т.п. В результате взаимодействия этих объектов с системой они воздействуют тем или иным образом на ее организацию или функционирование, изменяясь как-то и сами.

Классификация систем. Системы можно классифицировать по различным основаниям, в частности, по обусловленности их действия и по степени сложности. По обусловленности действия все системы подразделяют на системы с детерминированным действием (детерминированные системы) и на системы со случайным (вероятностным или стохастическим) действием (случайные системы). Детерминированной системой принято называть такую систему, у которой составляющие ее элементы и связи между ними взаимодействуют так, что если известны начальное состояние системы и программа перехода ее в другое состояние, то всегда можно точно описать, каким будет это новое состояние системы. Случайной (вероятностной, стохастической) системой называют такую систему, у которой составляющие ее элементы и связи между ними взаимодействуют таким образом, что нельзя сделать точного, детального предсказания ее поведения, утверждать о последовательности состояний. Такая система всегда остается неопределенной, и предсказание о ее будущем поведении никогда не выходит из рамок вероятностных категорий, с помощью которых это поведение описывается.

По степени сложности системы подразделяются на простые и сложные. Простая система не имеет разветвленной структуры, содержит небольшое число взаимодействующих элементов и выполняет простейшие функции. У сложной системы - разветвленная структура и значительное количество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих более сложные функции.

 

Управление системами

 

Самое краткое и самое общее определение управления можно сформулировать так: управление системой - это целенаправленное воздействие на нее, переводящее систему из одного состояния в другое.

Существуют и развернутые определения управления, подробно излагающие содержание этого процесса, например: «Управление есть выработка управляющим органом управляющей информации, соответствующей программе управления, передача ее объекту управления, получение и анализ осведомительной информации от объекта управления о его фактическом поведении, а также соответствующая результатам этого анализа корректировка или выработка новой управляющей информации с целью оптимизации функционирования объекта управления» (рис. 8.1).

 

Контролируемые

Управленческие решения параметры

 

Рис. 8.1. Схема процесса управления кибернетической системой

 

Или, иными словами, управление есть функция системы, направленная либо на сохранение ее основного качества (совокупности свойств, утрата которых приводит к разрушению системы), либо на выполнение некоторой программы, обеспечивающей устойчивость функционирования и достижение определенной цели.

Системой управления называют систему, в которой осуществляются указанные функции управления и в которой всегда можно выделить как минимум две подсистемы: управляющую (субъект) и управляемую (объект). Во всех системах управление представляет собой информационный процесс.

Наряду с управляющими воздействиями всякая система испытывает и возмущающие воздействия, нарушающие необходимый, нормальный режим функционирования. Они могут быть как внешними (стихийные бедствия, перебои в снабжении, преступные посягательства посторонних лиц и т.п.), так и внутренними (производственные конфликты, аварии и т.п.).

Поэтому управляющие воздействия осуществляются обычно на основе алгоритма управления, построенного с учетом возможных возмущающих воздействий и необходимых реакций на них.

Управляющее воздействие может быть внутренним, т.е. исходящим от одного из элементов самой управляемой системы. В таком случае управление называют внутренним управлением, или самоуправлением. Примеры: управление кафедрой со стороны заведующего кафедрой, управление спортивной командой со стороны капитана команды, управление организмом и поведением человека со стороны мозга, управление компьютером со стороны процессора.

Управляющее воздействие может быть оказано на систему и извне, другой системой. В этом случае орган управления является элементом не управляемой системы, а управляющей системы более высокого ранга или большего масштаба. Такое управление называют внешним управлением, или просто управлением (в отличие от самоуправления). Примеры: управление кафедрой со стороны декана факультета или управление факультетом со стороны ректора университета, управление полетом космического корабля со стороны наземного центра управления.

Как в биологических системах, так и в технических системах, а в социальных системах особенно, внешнее управление и самоуправление сочетаются между собой, хотя и в очень различных пропорциях. Чем больше роль самоуправления, чем меньше внешних управляющих воздействий - тем больше автономность управления, а следовательно, и автономность (независимость, самостоятельность) самой управляемой системы.

Существуют два основных типа управления, которые обычно сочетаются, но при преобладании одного из них.

Первый тип управления - это прямое управление, которое осуществляется непосредственным воздействием на саму управляемую систему. Объектом управления является только сама управляемая система, на которую действуют либо убеждением, либо принуждением, либо иными методами и средствами. Примером такого управления может служить «командно-административный стиль» управления. Он ни хорош и ни плох сам по себе. В одних условиях он является единственно возможным, незаменимым (в вооруженных силах, например), в других - допустимым или недопустимым, вредным. В разумных пределах он во многих случаях оправдан, а потому всегда существовал и будет существовать.

Второй тип управления - косвенное управление, т. е. воздействие не на саму управляемую систему, а на те внешние (для нее) условия, в которых она находится и функционирует. Изменяя в нужном направлении эту среду, эту обстановку, можно создать такие условия, при которых в том же направлении будут развиваться и сама управляемая система, и ее деятельность. Примером могут служить экономические методы управления, которые и состоят в изменении экономических условий, в создании наиболее благоприятной обстановки для движения в желаемом направлении.

Как первый, так и второй тип управления характеризуются не только степенью автономности (преобладанием самоуправления над управлением), но и степенью автоматизма.

Автоматизм в биологической системе понимается иначе, чем в остальных системах. Применительно к животным и людям понятие автоматизма действий связано с понятием динамического стереотипа, с отсутствием или ослаблением контроля коры головного мозга (сознания) за привычными движениями тела.

В технических и социальных системах понятие автоматизма управления связано только с использованием управляющих технических устройств. При этом важно отличать механизацию деятельности от автоматизации деятельности.

Механизация есть применение каких-либо технических средств для повышения эффективности исполнительских, производственных, физических функций. Механизация существует и в управленческой деятельности. Она означает использование радио- и телефонной связи, ксерокопировальной и иной множительной техники, диктофонов, пишущих машин, калькуляторов, приборов и всех иных средств, называемых «организационная техника».

Автоматизация управленческой деятельности - это использование таких технических устройств, которые способны выполнять некоторые интеллектуальные функции управления, т.е. в той или иной степени заменять человеческий мозг, а не просто облегчать его работу.

В технических системах автоматизация может быть доведена до высшей степени, т.е. до полного автоматизма управления. Автоматизм необязательно означает полную автономность системы, ибо она может управляться другой технической системой. Но при автоматизме достигается на какое-то время автономность от человека, от его мозга. Такие системы называются системами автоматического управления (САУ). Примеры: самолет, управляемый автопилотом, или станок-автомат, управляемый ЧПУ (числовым программным управлением).

В социальных системах автоматического управления быть не может. Возможны лишь два вида управления: неавтоматизированное и автоматизированное. В первом случае человеческими или человеко-машинными системами управляют люди и только люди, как это было на протяжении всей истории (традиционное управление). Во втором случае людьми и человеко-машинными системами управляет человеко-машинная система, в которой все интеллектуальные управленческие функции осуществляются людьми и ЭВМ.

 

Типы задач управления

 

Кибернетика как наука об управлении изучает не все системы вообще, а только управляемыесистемы. Зато область интересов и приложений кибернетики распространяется на самые разнообразные биологические, экономические, социальные системы.

Одной из характерных особенностей управляемой системы является возможность переходить в различные состояния под влиянием различных управляющих воздействий. Всегда существует некое множество состояний системы, из которых производится выбор предпочтительного состояния.

В системах управления решаются четыре основных типа задач управления:

1) регулирование (стабилизация);

2) выполнение программы;

3) слежение;

4) оптимизация.

Задачами регулирования являются задачи поддержания параметров системы - управляемых величин - вблизи некоторых неизменных заданных значений {х} несмотря на действие возмущений М, влияющих на значения {х}. Здесь имеется в виду активная защита от возмущений, принципиально отличающаяся от пассивного способа защиты. Пассивная защита заключается в придании объекту таких свойств, чтобы зависимость интересующих нас параметров от внешних возмущений была мала. Примером пассивной защиты является теплоизоляция для поддержания заданной температуры системы, антикоррозионные покрытия деталей машин. Активная защита предполагает выработку в управляющих системах управляющих воздействий, противодействующих возмущениям. Так, задача поддержания необходимой температуры системы может быть решена с помощью управляемого подогрева или охлаждения.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения управляемых величин { х } изменяются во времени известным образом, например, в производстве при выполнении работ согласно заранее намеченному графику. В биологических системах примерами выполнения программы являются развитие организмов из яйцеклеток, сезонные перелеты птиц, метаморфозы насекомых.

Задача слежения - поддержание как можно более точного соответствия некоторого управляемого параметра X₀(t) текущему состоянию системы, меняющемуся непредвидимым образом. Необходимость в слежении возникает, например, при управлении производством товаров в условиях изменения спроса.

Задачи оптимизации - установления наилучшего в определенном смысле режима работы или состояния управляемого объекта - встречаются весьма часто. Примерами являются: управление технологическими процессами с целью минимизации потерь сырья и т.д.

Системы, в которых для формирования управляющих воздействий не используется информация о значениях, которые управляемые величины принимают в процессе управления, называются разомкнутыми системами управления. Структура такой системы показана на рис. 8.2.

 

 

Рис. 8.2. Разомкнутая система управления

 

Напротив, в замкнутых системах управления для формирования управляющих воздействий используется информация о значении управляемых величин. Структура такой системы показана на рис. 8.3.

Обратная связь является одним из важнейших понятий кибернетики, помогающим понять многие явления, которые происходят в управляемых системах различной природы. Обратную связь можно обнаружить при изучении процессов, протекающих в живых организмах, экономических структурах, системах автоматического регулирования.

Обратная связь – это влияние результатов функционирования системы на характер самого функционирования. Принцип действия обратной связи поясняется схемой, приведенной на рис. 8.3.

На этой схеме символами обозначены: Х(t) – входное воздействие, x(t) – отклоняющее воздействие, Y(t) – выход (реакция) системы, F – оператор преобразования входного и отклоняющего воздействий в реакцию, Х_ос(t) – выход обратной связи, Y_ос(t) – вход обратной связи, F_ос – оператор обратной связи. Для простоты будем считать, что Y_ос(t) = Y(t), то есть вход обратной связи есть выход системы. Тогда можно записать:
Y(t) = F[Х(t), x(t), Х_ос(t)], но Х_ос(t) = F_ос[Y(t)], а следовательно,
Y(t) = F{Х(t), x(t), F_ос[Y(t)]}, что означает: при наличии обратной связи выход системы (ее реакция) определяется не только входными и отклоняющими воздействиями, но характером действия обратной связи.

По характеру своего действия обратные связи подразделяются на отрицательные и положительные. Отрицательные обратные связи стремятся возвратить систему в устойчивое состояние после отклоняющих воздействий и составляют основу так называемых адаптивных механизмов функционирования систем любой природы. Примером отрицательных обратных связей может служить реакция организма на изменение температуры окружающего воздуха. Наличие положительной обратной связи не устраняет возникающих в системе изменений после отклоняющих воздействий, а напротив, приводит к еще более сильному отклонению системы от своего устойчивого состояния. Пример положительных обратных связей – падающий со склона горы камень, который способен вызвать целую лавину.

 

Вопросы и задания для самопроверки

 

1. Что изучает кибернетика?

2. Какие разделы включает в себя исследование операций?

3. Дайте определение понятию «решение».

4. Что такое система?

5. Раскройте основные признаки (свойства) системы.

6. Классификация систем.

7. Дайте понятие «управление системы».

8. Типы управления системами.

9. В чем разница между понятиями механизация и автоматизация?

10. Охарактеризуйте типы задач управления.

11. Понятие обратная связь.

12. Как подразделяют обратные связи по характеру своего действия?

 

 

ЛЕКЦИЯ 9. Основные понятия моделирования

 

В настоящей лекции раскрыты понятия «модель» и «моделирование», сущность системного и индуктивного подходов к синтезу модели, показано содержание основных этапах разработки модели, а также рассмотрены виды моделей и моделирования.

Ключевые слова: модель, свойства модели, классификация моделей, моделирование, виды моделирования, экземпляр, объект, атрибут, идентификатор, этапы моделирования, формализация, анализ, синтез, показатели модели, адекватность модели, верификация модели, индуктивный и системный подходы к синтезу модели.

В процессе познания и практического овладения миром существенная роль принадлежит методу моделирования. Трудно отыскать область человеческой деятельности, в которой в той или иной степени не использовался данный метод. Особенно ярко практическая значимость моделирования проявляется в сфере управления различными системами, основным содержанием которого являются процессы принятия решений на основе получаемой информации.

С точки зрения информатики, решение любой производственной или научной задачи описывается следующей технологической цепочкой: «реальный объект - модель - алгоритм - программа - результаты - реальный объект». В этой цепочке очень важную роль играет звено «модель», как необходимый, обязательный этап решения этой задачи.