Тема 1. ЗАСАДИ загальної теорії систем

Контрольні запитання.

Індивідуальне завдання.

1. Запропонувати та самостійно проаналізувати систему (система згідно варіанту завдань, поданих у практ. роботі № 1) за схемою типового завдання (Приклад 1).

2. Зробити морфологічний опис запропонованої системи (підсистеми), визначити її трофічну структуру, побудувати граф інформаційного опису.

3. Побудувати структурну когнітивну схему для аналізу запропонованої системи (підсистеми).

1. Визначити основні ознаки системи.

2. Проаналізувати загальну характеристику системи.

3. Охарактеризуйте великі системи. Навести приклади.

4. Охарактеризуйте складні системи. Навести приклади.

5. Охарактеризувати типи складності систем.

6. Сформулюйте основні принципи системного аналізу.

7. Сформулюйте основні процедури системного аналізу.

8. Охарактеризувати функції та загальну схему морфологічного опису систем.

1.1. Основні поняття загальної теорії
систем та системного аналізу

Визначення поняття «система». Фундаментальним поняттям системного аналізу і таких засадних теоретичних дисциплін, як теорія систем, кібернетика, дослідження операцій, є поняття «система». Незважаючи на інтуїтивну зрозумілість та велику важливість цього терміна для наукових досліджень, донині не існує загальноприйнятого його визначення.

Огляд різних трактувань поняття «система» показує, що можна виділити такі основні пов’язані з ним змістові аспекти:

· найпоширенішим, але й найвужчим є «інженерне» розуміння системи як взаємозв’язаного набору елементів та способів їх з’єднання, які слугують певній меті;

· у «конструкторському» розумінні «система» подається як проектування та створення певного комплексу методів і засобів, які дослідник або розробник застосовує для досягнення певної мети, для виконання свого завдання;

· в науково-дослідницькому трактуванні «система» уявляється як загальна методологія дослідження процесів і явищ, що відносяться до певної галузі людських знань;

· у теоретико-пізнавальному аспекті «система» розуміється як спосіб мислення.

У науковій літературі є багато визначень поняття «система», що відносяться як до загальних, так і до конкретних систем різних видів [7, 15, 29, 30, 31, 45].

У перших визначеннях у тій чи іншій формі зазначалось, що система — це елементи та зв’язки між ними. Так, наприклад, основоположник теорії систем Людвіг фон Берталанфі визначав систему як комплекс взаємодіючих елементів, що перебувають у певних відношеннях між собою та зовнішнім середовищем.

Пізніше при визначенні цього терміна стало з’являтися поняття цілі. Так, у філософському словнику система визначається як «сукупність елементів, що знаходяться у відношеннях та зв’язках між собою певним чином та утворюють деяку єдність цілей». Останнім часом при визначенні системи поряд із елементами, зв’язками, їх властивостями та ціллю почали включати спостерігача, хоча на необхідність врахування взаємодії між дослідником та досліджуваною системою вказував ще один із основоположників кібернетики У. Р. Ешбі.

Зауважимо, що у різних визначеннях поняття «система» є багато спільного та взаємно доповняльного, тому краще використовувати найширше з них [45]:

· наявність об’єкта, який являє собою множину підоб’єктів (або наявність множини об’єктів, які можуть розглядатися як один складний об’єкт);

· наявність суб’єкта дослідження, який називається спостерігачем;

· наявність завдання, яке визначає відношення спостерігача до об’єкта і є критерієм, за яким здійснюється відбір об’єктів та їх властивостей;

· наявність зв’язку між об’єктом, спостерігачем та завданням, що виражається у наявності певної мови описування.

Перші три умови утворюють єдність, що забезпечується наявністю мови, в якій проявляється їх взаємозв’язок. Це схематично показано на рис. 2.

Рис. 2. Умова існування системи

Тоді формально визначення системи можна виразити символами:

,

де S — система, n — спостерігач, l — мова описування, p — завдання, e — множина підоб’єктів, r — множина відношень між ними, — оператор відображення.

У такий спосіб система S буде являти собою відображення

1.1

У теоретико-пізнавальному аспекті можна виділити три можливі аспекти розгляду систем:

1) система розглядається як взаємопов’язаний комплекс матеріальних об’єктів (такий підхід зручний, головно, при дослідженні природних об’єктів або процесів матеріального виробництва);

2) система включає, з одного боку, набір матеріальних об’єк­тів, а з іншого — інформацію про їхній стан (такий підхід застосовується при описуванні процесів управління матеріальним виробництвом);

3) система розглядається чисто в інформаційному аспекті як комплекс відношень, зв’язків, інформації (такий підхід прийнятий у теоретичних дослідженнях, за описування соціальних відносин та процесів управління).

Кожний із цих підходів потребує відповідного специфічного наукового інструментарію для розв’язання трьох різних видів завдань.

Системи оточують нас всюди: кожний предмет, явище, процес — це системи. Наприклад, системами є живі організми, технічні пристрої тощо. Безумовно, системами є фірми, корпорації, організації, банки, галузі економіки та вся економіка в цілому.

Розглянемо інші основні поняття, які використовуються при дослідженні систем.

Підсистемою називають сукупність елементів, які об’єднані єдиним процесом функціонування та при взаємодії реалізують певну операцію, що необхідна для досягнення поставленої перед системою в цілому мети.

Елементом системи називають її частину, яка виконує специфічну функцію і є неподільною з погляду завдання, що розв’язується. Внутрішня структура елементів не є предметом системного аналізу. Важливі лише властивості елемента, які визначаються його взаємодією з іншими елементами системи та справляють вплив на поведінку системи.

Слід зауважити, що поділ системи на елементи та саме поняття елемента є певною мірою відносними й умовними.

Між елементами довільної системи та між різними системами існують зв’язки, за допомогою яких вони взаємодіють Надсистемою називають ширшу систему, в яку входить досліджувана система як складова частина.між собою. Ці зв’язки можуть виражатися в обміні речовиною, енергією чи інформацією між взаємодіючими системами або елементами. Система може мати зовнішні та внутрішні зв’язки. Зв’язки можуть бути також як прямими, так і зворотними.

Системи мають зовсім нові якості, які відсутні у її елементів. Ці якості виникають саме завдяки наявності зв’язківміж елементами. Саме за допомогою зв’язків здійснюється перенесення властивостей кожного елемента системи до інших елементів.

Зворотні зв’язки є складною системою причинної залежності та полягають у тому, що результат попередньої дії впливає на наступний перебіг процесу в системі: причина підпадає під вплив зворотного впливу наслідку. Якщо зворотний зв’язок підсилює результат впливу наслідку, то його називають позитивним, а якщо послаблює — негативним. Негативні зворотні зв’язки сприяють збереженню стійкості системи. Тільки завдяки наявності зворотних зв’язків у системах можуть відбуватися процеси цілеспрямованої діяльності та регулювання.

Зв’язки перетворюють систему з простого набору компонентів у єдине ціле і разом з компонентами визначають стан та структуру системи, безумовно при визначальному впливі функції.

Важливими для описування систем є поняття структури та ієрар­хії. Під структурою системи розуміють її стійку впорядкованість та зв’язки між елементами і підсистемами. Структура відбиває найсуттєвіші зв’язки між елементами та підсистемами, які мало змінюються при змінах у системі та забезпечують існування системи і найважливіших її властивостей. Для визначення структури системи необхідно провести її послідовну декомпозицію, тобто виділити в ній підсистеми всіх рівнів, доступних аналізу, та їх елементи, які відповідно до завдань дослідження не поділяються на складові частини. Завдяки ієрархічності структура складних систем може бути подана через структуру їх частин — від підсистем до елементів.

Структуру системи можна зобразити графічно, у вигляді опису, матриць або іншими способами. Так, в організаційних системах часто зустрічаються лінійні, матричні, деревоподібні структури (рис. 3).

Рис. 3. Графи, що відповідають матричній (а),
лінійній (б), деревоподібній структурам

Під ієрархією системи розуміють розташування її підсистем або елементів за певним порядком від вищого до нижчого.

Головним системоутворювальним фактором є її функція. Існує кілька поглядів з приводу того, що являє собою функція системи. Так, під функцією системи можна розуміти перетворення її входів у виходи. З іншого погляду функція системи може полягати у збереженні її існування, підтримці її структури та впорядкованості. Іноді функцію системи ототожнюють із функціонуванням цієї ж системи, визначаючи її як спосіб, засіб або як дії для досягнення цілі системи.

Системи функціонують у певному зовнішньому середовищі. Зовнішнє середовище — це все те, що знаходиться зовні системи, включаючи необхідні умови для існування та розвитку системи. Зовнішнє середовище складається із ряду природних, су­спільних, інформаційних, економічних, виробничих та інших факторів, що впливають на систему та самі певною мірою перебувають під впливом цієї системи.

Взаємодія між системою та зовнішнім середовищем здійснюється за допомогою входів та виходів. Вхід системи — це дія на неї зовнішнього середовища. Вихід системи — результат функціонування системи для досягнення певної мети або її реакція на вплив зовнішнього середовища. Загальна кількість взаємодій системи з зовнішнім середовищем дуже велика, тому на практиці обмежуються аналізом найсуттєвіших зв’язків, вибір яких визначається конкретними умовами управління тим чи іншим об’єктом.

Окрім функції система може мати ціль. Ціль системи — це бажаний стан її виходів. Системи, що мають ціль, називають цілеспрямованими. Будь-які соціально-економічні системи є цілеспрямованими, бо їх елементами є люди. Отже, у загальному вигляді систему (з контуром зворотного зв’язку) можна зобразити графічно у такий спосіб (рис. 4):

Рис. 4. Графічне зображення системи

Стан системи характеризується кількісними та якісними значеннями внутрішніх параметрів (змінних) системи в даний момент.Функціонування системи або зміну станів системи у часі називають поведінкою або рухом. Отже, поведінка системи — це розгорнута у часі послідовність реакцій системи на внутрішні зміни та зовнішній вплив.

Рівновага — це здатність системи зберігати свій стан як можна довше (як за відсутності, так і за наявності зовнішніх збурюючих впливів).

Під стійкістю розуміють здатність системи повертатися в стан рівноваги після виведення її з цього стану впливом зовнішніх збурень. Стан рівноваги, у який система здатна повертатися, називають стійким станом рівноваги.

Важливе значення в системному аналізі має поняття управління. Управління системою необхідне для забезпечення її ціле­спрямованої поведінки при зміні умов зовнішнього середовища або умов її функціонування. Управління досягається за рахунок відповідної організації системи, під якою розуміють її структуру та спосіб функціонування. Системи з управлінням називають кібернетичними системами.

Взаємодія системи з зовнішнім середовищем свідчить, що середовище надає системі ресурси, а одержує від неї та споживає продукти кінцевої діяльності системи (ПКД). ПКД не можуть бути створені в середовищі (принаймні в достатній кількості), оскільки за таких умов нема необхідності виділяти систему із середовища. Система необхідна середовищу для задоволення деяких своїх потреб в її кінцевих продуктах. Тому можна зробити висновок, що до створення нових систем спонукає наявність незадоволених потреб, або, інакше кажучи, система створюється для вирішення деякої проблемної ситуації.

Отже, об’єктивною основою формування системи є проблемна ситуація, тобто такий незадовільний стан елементів зовнішнього середовища, який середовище власними засобами (сукупністю систем зовнішнього середовища) на даному етапі не в змозі нормалізувати.

1.2. Класифікація систем

Залежно від мети дослідження та враховуючи велике різноманіття систем можна обрати різні принципи та підходи до їх класифікації. При цьому систему можна характеризувати однією чи кількома ознаками.

Так, за походженням, розрізняють природні системи, які існують в об’єктивній дійсності — біологічні, фізичні, хімічні тощо (атом, молекула, організм, популяція, суспільство — приклади таких систем) та штучні — системи, які створені людиною. Вони включать як різноманітні технічні системи (від простих механізмів до найскладніших виробничих комплексів та інформаційних систем), так і організаційні системи, що складаються з груп людей, діяльність яких свідомо координується для досягнення певної мети або виконання деяких функцій (наприклад, система управління підприємством, система державного управління).

За взаємодією із зовнішнім середовищем розрізняють замкнені та відкриті системи. Замкнена система характеризується високим рівнем незалежності від навколишнього середовища (наприклад, годинник). Відкрита система активно взаємодіє із зовнішнім середовищем, що полягає в обміні речовинами, енер­гією, інформацією. Безумовно, значна більшість систем, особливо економічних, є відкритими, наприклад країна, суспільство, людина, фірма, організація тощо.

Розрізняють статичні та динамічні системи. У статичній системі фіксуються статичні взаємовідношення на певний момент. Опис структури статичної системи є початком систематизованого дослідження в довільній галузі науки. Системи статичної структури корисні для створення теоретичної бази з метою подальшого аналізу та синтезу систем. Якщо система переходить із часом від одного стану до іншого, то такі системи називають динамічними.

Системи поділяються також на детерміновані та стохастичні. У детермінованих системах перехід з одного стану в інший (тобто поведінка системи) є визначеним. На відміну від детермінованих систем рух (розвиток) стохастичних систем не є чітко визначеним та розглядається як випадковий процес.

Важливою класифікаційною ознакою систем є їх складність. Але й досі нема чіткого критерію визначення складності системи [3, 29, 30]. Тому будемо розрізняти прості, складні та дуже складні системи. Ознакою простої системи може бути порівняно невеликий обсяг інформації, що необхідний для її описування та управління. Під дуже складними розуміють системи, стан яких неможливо достатньо вичерпно та точно описати. Приклади дуже складних систем: людина, корпорація з чисельністю співробітників понад 15 тис., економічна система країни тощо.

Розрізняють також великі системи — системи, моделювання яких ускладнено внаслідок їх розмірності [30], хоча часто в літературі поняття складної та великої системи ототожнюють.

Окремо слід виділити соціально-економічні системи — комплексні структури, що складаються із економічних, виробничо-технічних та соціальних підсистем, які виконують різні цілі (наприклад, місто, організація).

1.3. Властивості систем

Аналіз різноманітних тлумачень терміна «система» свідчить, що можна виділити такі головні групи притаманних системам властивостей, що характеризують [29, 30]:

· сутність та складність систем;

· зв’язок систем із зовнішнім середовищем;

· цілеспрямованість систем;

· параметри розвитку та функціонування систем.

Зупинимося на найважливіших властивостях систем.

Цілісність та подільність. Система є, передусім, цілісною сукупністю елементів. Це означає, що, з одного боку, система — це цілісне утворення, а з іншого — в її складі чітко можуть бути виділені окремі цілісні об’єкти (елементи). Але не компоненти утворюють ціле (систему), а навпаки, при поділі цілого виявляють компоненти системи. Первинність цілого — головний постулат теорії систем.

Неадитивність системи (емерджентність). Властивості системи хоча і залежать від властивостей елементів, але не визначаються ними повністю. Функціонування системи не може бути зведено до функціонування окремих її компонентів. Сукупне функціонування взаємозв’язаних елементів системи породжує якісно нові функціональні властивості системи. Звідси випливає важливий висновок: система не зводиться до простої сукупності елементів; розділяючи систему на частини, досліджуючи кожну з них окремо, неможливо пізнати всі властивості системи в цілому. Цю властивість ще називають системною, або інтегративною.

Емерджентність є результатом виникнення між елементами системи так званих синергічних зв’язків, які забезпечують загальний ефект функціонування системи, більший, ніж сума ефектів елементів системи, діючих незалежно.

Синергетика — (від грец. synergetikos — спільний, погоджений, діючий), науковий напрямок, що вивчає зв’язки між елементами структури (підсистемами), які утворюються у відкритих системах (біологічних, фізико-хімічних, економічних та інших) завдяки інтенсивному (потоковому) обміну речовинами й енер­гією з навколишнім середовищем за нерівноважних умов. Теоретичні засади синергетики — термодинаміка нерівноважних процесів, теорія випадкових процесів, теорія нелінійних коливань і хвиль.

У складних системах спостерігається погоджена поведінка підсистем, у результаті чого зростає рівень її впорядкованості (явище самоорганізації), тобто зменшується ентропія. Це, зокрема, стосується економічних систем. Результатом самоорганізації стає виникнення взаємодії (наприклад, кооперація) і, можливо, регенерація динамічних об’єктів (підсистем), складніших в інформаційному аспекті, ніж елементи (об’єкти) середовища, з яких вони виникають.

Спрямованість процесів самоорганізації обумовлена внутрішніми властивостями об’єктів (підсистем) у їх індивідуальному і колективному прояві, а також впливами з боку середовища, у яке «занурена» система. Але поведінка елементів (підсистем) і системи в цілому істотно характеризується спонтанністю — акти поводження не є строго детермінованими.

Ієрархічність системи — це складність структури системи, яка характеризується такими показниками: кількістю рівнів ієрархії управління системою, різноманіттям компонентів та зв’язків, складністю поведінки та неадитивністю властивостей, складністю опису та управління системою, кількістю параметрів та необхідним обсягом інформації для управління системою. Ієрархічність системи також полягає у тому, що систему можна розглядати як елемент системи вищого порядку (надсистеми), а її елементи — як системи.

Взаємозалежність між системою та зовнішнім середовищем. Система формує та проявляє свої властивості при взаємодії із зовнішнім середовищем. Вона розвивається під впливом зовнішнього середовища, але при цьому намагається зберегти якісну визначеність та властивості, що забезпечують відносну стійкість та адаптивність її функціонування.

Рівень самостійності та відкритості системи визначається такими показниками: кількістю зв’язків системи із зовнішнім середовищем у середньому на один її елемент чи інший параметр; інтенсивністю обміну інформацією чи ресурсами між системою та зовнішнім середовищем; ступенем впливу інших систем.

Цілеспрямованість системи означає наявність у неї цілі.

Надійність системи (наприклад, організації) характеризується, зокрема: безперебійністю функціонування системи при виході із ладу одного із компонентів; фінансовою стійкістю та платоспроможністю організації; перспективністю запровадженої еко­номічної, технічної, соціальної політики.

Розмірність системи — кількість компонентів системи та зв’язків між ними. Ці показники характеризують також складність системи.

1.4. Основні завдання та принципи
теорії систем і системного аналізу

Загалом головне завдання системних досліджень полягає в пошуку простоти у складному, а також ефективних методів та засобів дослідження й управління об’єктами. Детальніше до основних завдань, що розв’язуються за допомогою системного аналізу та теорії систем, можна віднести такі: виявлення та чітке формулювання проблеми за умов невизначеності; визначення або вибір оптимальної структури системи; виявлення цілей функціонування та розвитку систем; вивчення організації взаємодії між підсистемами та елементами; врахування впливу зовнішнього середовища; вибір оптимальних алгоритмів функціонування системи.

Принципи системного підходу — це положення загального характеру, що є узагальненням досвіду дослідження людиною складних систем. Їх часто вважають ядром методології. Відомо біля двох десятків таких принципів, але найважливішими базовими принципами, на які спирається загальна теорія систем та системний аналіз, є принцип системності та принцип ізоморфізму.

Принцип системності відбиває загальність погляду на об’єкти, явища і процеси світу як на системи з усіма властивими їм закономірностями. Цей принцип обумовлює необхідність спільного розгляду системи як цілого і як сукупності елементів, дослідження будь-якої частини системи разом з її зв’язками з іншими частинами та із зовнішнім середовищем.

Цей принцип постулює необхідність ієрархічного, принаймні трирівневого, дослідження системи: необхідно досліджувати власне систему, її підсистеми та елементи, а також розглядати систему як елемент системи вищого порядку.

Принцип ізоморфізму постулює наявність однозначної (власне ізоморфізм) чи часткової (гомоморфізм) відповідності структури однієї системи структурі іншої, що дає змогу моделювати одну систему за допомогою іншої, подібної в деякому відношенні. Сучасні дослідження як у загальній теорії систем, так і в тих галузях знань, які, головно, виникли на її основі (синергетика, теорія катастроф), свідчать про наявність не тільки ізоморфізму чи суворої відповідності структури систем, а й загального у їх розвитку та функціонуванні.

Обидва ці принципи підкреслюють наявність загальних системних закономірностей, але вони не виключають специфіки будови, функціонування та руху систем різних типів. Загальні закономірності і намагається розкрити загальна теорія систем, тоді як аналізом загального й особливого в конкретних системах займаються інші галузі науки.

Серед інших важливих принципів слід відмітити такі:

· принцип кінцевої мети: абсолютний пріоритет кінцевої цілі системи;

· принцип ієрархії: корисне введення ієрархії елементів та (чи) їхнє ранжирування, корисне виділення модулів (підсистем) у системі та розгляд системи як сукупності підсистем;

· принцип функціональності: спільний розгляд структури і функції системи з пріоритетом функції над структурою;

· принцип розвитку: врахування динамічності системи, її здатності до розвитку, розширення, накопичення інформації, врахування невизначеності та випадковості при функціонуванні системи.

Отже, метою теорії систем та системного аналізу є відшукання принципів, загальних для різних складних об’єктів, на основі встановлення емпіричними дослідженнями їх ізоморфізму, функцій та динаміки.

Дата добавления: 2015-05-23