Введение. Свойства и цели систем

Вопросы занятия

Свойства и цели систем

Старший преподаватель к.т.н.

кафедры «Экологии» Абсеитов Е.Т.

1 Свойства систем

2 Цели систем

Литература

1 Волкова В. Н. Основы теории систем и системного анализа: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Системный анализ и управление»/ В. Н. Волкова, А. А. Денисов. – СПб.: Изд – во СПб. ГТУ, 1999. – 512 с.

2 Перегудов Ф. И. Введение в системный анализ: Учеб пособие для вузов/ Ф. И. Перегудов, Ф. П. Тарасенко. – М.: Высш. шк., 1989. – 367 с.

3 Розен В. В. Цель – оптимальность – решение (математические модели принятия оптимальных решений). – М.: Радио и связь, 1982. – 168 с.

В процессе изучения особенностей функционирования и развития систем был выявлен ряд свойств, помогающих глубже понять диалектику части и целого в системе и формировать более адекватные модели принятия решений. Свойства тесно связаны между собой и с целями системы. Изучение свойств и целей системы помогает лучше понять и исследовать феномен сложности, сформулировать принципы изучения и проектирования систем.

На лекции рассматриваются свойства и цели систем.

1 Свойства систем

Каждая система обладает бесчисленным множеством свойств, которые проявляются при взаимодействии подсистем, элементов и взаимодействии системы с другими системами, со средой.

Свойства системы не являются простой суммой свойств элементов. Объединение элементов системообразующими связями приводит к возникновению новых свойств, вследствие диалектического закона перехода количества в качество.

Например, электронная система управления проявляет свойства определённым образом реагировать на внешние воздействия, которые не присущи каждому из отдельно взятых её элементов.

Объединённые в систему элементы, как правило, утрачивают часть своих свойств, присущих им вне системы (начинают работать в заданном режиме, утрачивая возможность работать в других режимах), но могут приобрести новые свойства, которыми они не обладали в свободном состоянии.

Например, организационная система в рабочее время подавляет у работников способности не нужные для реализации цели. Вместе с тем, способности человека не могут проявляться и развиваться вне соответствующей системы.

Однако свойства системы зависят от свойств элементов. Замена специалиста или отказ технического средства в смешанной системе управления может существенно повлиять на её функционирование.

Выявление существенных свойств систем помогает глубже раскрыть понятие системы, диалектику части и целого и формировать методику системного анализа.

Свойства системы тесно связаны между собой, с целями, функциями и структурой системы, с ресурсами и со средой (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Классификация свойств систем

Классификационные признаки	Классификационные группировки
Связь с целями и функциями	Синергичность; приоритет интересов системы перед интересами её компонентов; эмерджентность; мультипликативность; целенаправленность; альтер-нативность путей функционирования и развития
Связь со структурой	Целостность; неаддитивность; структурность; иерархичность
Связь с ресурсами и со средой	Коммуникативность; взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды; адаптивность; эффективность; надёжность; интерактивность
Другие признаки	Интегративность; эквифинальность; наследственность; развитие; порядок; самоорганизация

Синергия означает комбинированное воздействие факторов, характеризующееся тем, что их объединённое действие существенно превосходит эффект каждого отдельно взятого компонента и их простой (не связанной системообразующими связями) суммы (сверхаддитивный эффект). В результате целенаправленного взаимодействия компонентов существенно усиливается эффективность функционирования системы.

Эмерджентность (системный эффект) – наличие у системы особых свойств, не присущих её подсистемам, а также сумме элементов, не связанных системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов (неаддитивность).

Мультипликативность системы проявляется в том, что и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения.

Целенаправленность – стремление к определённой цели, подчинённость ей. Цели (функции) компонентов систем (подсистем) не всегда совпадают с целями (функциями) системы, могут находиться в противоречии с ними, порождая альтернативность путей функционирования и развития.

Главная особенность систем состоит в том, что свойства целого не сводятся к простой совокупности свойств его частей, что система в целом обладает принципиально новыми качествами. Возникновение качественно новых свойств при объединении элементов в систему является проявлением свойства целостности системы, первичности целого по отношению к частям.

Свойство целостности связано с целью, для выполнения которой создаётся система. Неизвестную цель можно попытаться определить путём изучения причин проявления целостности. Системные представления являются средством исследования причин возникновения целостности.

Возникновение целого можно определить как установление отношений на заданном множестве элементов. Благодаря значительной свободе выбора в том, что именно рассматривается в качестве элемента, как образуется множество элементов и какие отношения выявляются или навязываются на этом множестве, получается весьма обширное количество и разнообразное качественно целое.

Структурность означает возможность декомпозиции системы на компоненты, установление связей между ними. Декомпозиция позволяет анализировать причины возникновения целостности на основе установления причинно-следственных связей между частями, частью и целым, выявления причинно-следственной обусловленности целого средой.

Декомпозиция базируется на анализе функций системы, жизненного цикла, физических процессов, структуры, ресурсов, конечных продуктов системы и т. д. Часто декомпозиция проводится путём построения деревьев целей и функций, конструкции изделий (рисунок 1.1), производственной и организационной структуры, алгоритмов принятия решений и т. п.

Главной проблемой декомпозиции является достижение компромисса между противоречивыми требованиями полноты и простоты. Одним из путей решения этой проблемы является «послойное» (стратифицированное) описание. Система изучается на макроскопическом, микроскопическом и других уровнях.

Макроскопическое изучение заключается в игнорировании детальной структуры системы и наблюдении только общего поведения системы как целого, в оценке её интегративных характеристик. Создаётся модель системы в её взаимодействии с окружением (модель «вход-выход»).

Рисунок 1.1 – Пример представления иерархической структуры деревом

К числу макроскопических характеристик относятся: тип структуры и границы системы, характер взаимосвязи «вход-выход»; особенности функционирования (дискретное или непрерывное); степень организованности; особенности жизненного цикла; эффективность системы (таблица 1.2) и т. п.

Таблица 1.2 – Термины и определения понятия эффективность автоматизированной системы (АС) по ГОСТ 34.003 – 90 и ГОСТ

Термин	Определение
Эффективность АС	Свойство АС, характеризуемое степенью достижения целей, поставленных при её создании. К видам эффективности АС, например, относят экономическую, техническую, социальную и др.
Цель деятельности	Желаемый результат процесса деятельности
Критерий эффективности деятельности	Соотношение, характеризующее степень достижения цели деятельности и принимающее различные числовые значения в зависимости от используемых воздействий на объект деятельности или конкретных результатов деятельности
Объект деятельности	Объект (процесс), состояние которого определяется поступающими на него воздействиями человека (коллектива) и, возможно, внешней среды
Показатель эффективности АС	Мера или характеристика для оценки эффективности АС

Микроскопическое изучение системы связано с детальным описанием каждой из компонент системы, всего комплекса внутренних процессов. Центральным для микроскопического представления является понятие элемента. В рамках микроскопического подхода изучаются связи и функции элементов, эффективность элементов, структура системы и др.

Другими уровнями изучения являются;

морфологический (структурный);

функциональный (поведение системы);

информационный (определение характеристик организации системы и оценка её сложности);

процессуальный (изучение процессов в системе, изменения её свойств в течение жизненного цикла);

прагматический (цель, эффективность, критерии оптимальности искусственных систем).

Каждый объект может рассматриваться как система (подсистема) более широкой системы (иерархичность). Система имеет многоуровневую, иерархическую структуру, в которой более высокие уровни оказывают направляющее воздействие на нижележащие уровни (см. рисунок 1.1).

Последние приобретают новые свойства, отсутствовавшие у них в изолированном состоянии. Возникает целое, приобретающее способность осуществлять новые функции, в чём и состоит цель образования иерархий. Это следствие проявления целостности на каждом уровне иерархии.

Между уровнями и элементами иерархических систем существуют более сложные взаимосвязи, чем это может быть отражено в графическом изображении иерархической структуры. Если даже между элементами одного уровня иерархии нет явных «горизонтальных» связей, то они всё равно взаимосвязаны через вышестоящий уровень.

Система связана и взаимодействует со средой. Внешняя среда содержит системы более высокого порядка, задающую требования и ограничения анализируемой системе, системы одного уровня с рассматриваемой и нижележащие системы (подсистемы). Цели системы порождаются (не задаются) системами более высокого уровня. Такое единство со средой (коммуникативность) связано с иерархической упорядоченностью построения всего мира и любой выделенной из него системы.

Адаптивность системы проявляется стремлением к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды, Однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития.

Надёжность системы проявляется комплексом свойств, в том числе свойствами функционировать при нарушении функционирования одной из её компонент, сохранять параметры функционирования до наступления предельного состояния и другие.

Коммуникативное взаимодействие систем осуществляется обменом веществом, энергией, информацией. Интерактивность проявляется активным и разнообразным реагированием системы на информационно-энергетические воздействия, является одним из свойств интеллектуальных систем.

Любая система изменяется во времени от момента возникновения, образования до распада, уничтожения, исчезновения. Необратимое, направленное, закономерное изменение (развитие) материальных и идеальных объектов является их универсальным свойством, всеобщим принципом объяснения истории природы, общества и познания.

Поведение системы невозможно предсказать, не зная её предыстории. Например, невозможно прогнозировать наступление отказа изделия, не имея информации об изменении его технического состояния.

В развивающейся системе существуют противоречивые тенденции стремления к состоянию с более независимыми элементами и уменьшения самостоятельности элементов, то есть к большей целостности (интегративность). Интегративность обусловлена наличием системообразующих, системосохраняющих факторов.

Свойство самоорганизации проявляется в том, что в зависимости от преобладания системосоздающих или системоразрушающих тенденций система любого уровня иерархии может либо развиваться в направлении более высокого уровня иерархии и переходить на него, либо, напротив может происходить процесс упадка и перехода системы на более низкий уровень существования.

Изучением самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада систем различной природы занимается междисциплинарное научное направление синергетика.

Любая система имеет некоторые предельные возможности. Предельные возможности системы определяются как способность достигать не зависящего от времени состояния, которое не зависит от её начальных условий и определяется исключительно параметрами системы (эквифинальность).

Предельные возможности человека ограничены его собственными ресурсами – числом нервных клеток мозга, числом действий, которые он может выполнять в единицу времени, продолжительностью самой жизни.

Система осуществима, если выполняется закон необходимого разнообразия (закон Эшби). Создавая систему, способную справиться с решением проблемы, нужно обеспечить, чтобы система имела ещё большее разнообразие (знание методов решения), чем разнообразие (сложность) решаемой проблемы, или была способна создать в себе это разнообразие (владела бы методологией, могла разработать методику, предложить новые методы решения проблемы).

Иначе говоря, система должна обладать возможностью изменять своё состояние в ответ на возможное возмущение. Разнообразие возмущений требует соответствующего ему разнообразия возможных состояний.

Разнообразие системы управления должно быть не меньше разнообразия управляемого объекта. В противном случае система не сможет отвечать задачам управления, выдвигаемым внешней средой, будет малоэффективной.

Использование закона Эшби при анализе организационных систем, систем управления помогает увидеть причины проявляющихся в них недостатков и найти пути повышения эффективности управления.

2 Цели систем

Цель определяется как заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека, группы людей. Поведение человека, преследующего определённую цель, направленное на достижение определённого конечного результата, называется целесообразным, целенаправленным.

Такое определение понятия цели содержит диалектическое противоречие. Цель является побуждением к действию, «опережающей идеей» и одновременно материальным воплощением этой идеи.

Признаками хорошо сформулированной цели являются точность (определённость), возможность проверки результата, достижимость конкретным исполнителем, реалистичность (обеспеченность ресурсами), своевременность, ограниченность во времени. Соблюдение перечисленных признаков необходимо для достижения цели.

В общем случае под целью системы понимается её будущее реализовавшееся состояние. Термин «целенаправленность» при таком понимании цели означает, что действие или поведение допускает истолкование как направленное на достижение некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определённую связь в пространстве и времени с другими объектами.

Например, фраза «Огонь стремился поглотить окружающие постройки» не означает, что огонь поставил себе сознательную цель и к ней стремится. Слово «стремился» используется для того, чтобы указать на некоторую общность в поведении «сознательных» и «бессознательных» систем, состоящую в том, что функционирование и тех и других направлено к определённому результату.

Представление о цели и формулировка цели зависят от степени познания объекта. В зависимости от изученности объекта, этапа системного анализа в понятие цели вкладываются различные оттенки – от идеальных устремлений, до конкретных результатов. По мере познания объекта могут изменяться формулировка и форма описания цели от словесной (вербальной) до формализованной, в том числе количественной.

Цели искусственной или смешанной системы порождаются надсистемами и этим отличаются от задач системы (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Иерархия характеристик искусственной и смешанной систем

Например, при создании автоматизированной системы диагностирования решаются задачи улучшения показателей диагностирования объектов. Целью автоматизации диагностирования является улучшение показателей технического обслуживания, восстановления, ремонта объектов.

Обычный способ формализации цели состоит во введении целевой функции, т. е. математического выражения, которым для каждого возможного результата численно оценивается его «полезность». При этом цель отождествляется с получением результата, имеющего экстремальное значение целевой функции.

Примером постановки и описания цели в инженерной практике является разработка технического задания. Техническое задание уточняется итеративно с многократными изменениями и дополнениями.

Целевую функцию можно ввести далеко не всегда. Чем сложнее система, тем меньше она допускает возможность точного количественного описания.

Общий способ формального описания цели основывается на связанном с ней предпочтении. Для такого описания цели надо выделить множество всех тех пар результатов, для которых один соответствует цели больше, чем другой, т. е. надо задать в явном виде определяемое целью отношение предпочтения.

Сделать это проще, чем задать целевую функцию, поскольку здесь требуется не численная оценка результатов, а лишь указание того, какие результаты лучше, а какие хуже.

В развивающейся системе цели не задаются извне, а формируются под влиянием постоянно изменяющихся противоречивых факторов внешней среды и внутренних факторов самой системы. Цели могут возникать на основе противоречий между внутренними и внешними факторами.

Внешними факторами являются, например, требования, потребности, мотивы, программы среды, а внутренними факторами – потребности, мотивы, программы самой системы и её элементов.

Цель, как и систему, в которой она формируется, можно представить иерархической древовидной (декомпозиция в пространстве) или сетевой (декомпозиция во времени) структурой.

Структурное представление цели является удобным для анализа и организации управления системой (является средством управления), делает её более конкретной и понятной для всех участников процесса целеобразования, позволяет исследовать процесс целеобразования в системе.

Наиболее распространённым способом представления целей в системах организационного управления являются древовидные иерархические структуры, которые могут формироваться «сверху» или «снизу». Цели нижележащего уровня иерархии рассматриваются как средства для достижения целей вышестоящего уровня, при этом они же являются целями для уровня нижележащего по отношению к ним. По мере перехода с верхнего на нижний уровень, цель всё более конкретизируется от цели – направления до критериев оценки её выполнения.

Декомпозиция цели во времени и представление её сетевой структурой требует хорошего знания функционирования объекта, технологии его производства и т. д. Иногда сетевая структура цели может быть сформирована не сразу, а последующие подцели могут выделяться по мере достижения предыдущих.

Сетевое представление может быть использовано и как средство управления, когда руководитель хорошо представляет себе конечную цель и её декомпозицию во времени, но не уверен, что конечную цель сразу поймут исполнители; тогда он выдвигает перед ними подцели постепенно по мере достижения предыдущей, корректируя их с учётом мнений и возможностей исполнителей.

Итак, поведение системы может быть описано в терминах цели или целевых функций, формально связывающих цели со средствами их достижения, или без упоминания понятия цели, в терминах непосредственного влияния одних элементов или описывающих их параметров на другие, в терминах «пространства состояний». Описание цели в терминах «пространства состояний» является единственно возможным, когда цель системы неизвестна.

Профессор В. П. Фандеев.

Дата добавления: 2014-01-05