Понятия, характеризующие строение и функционирование систем

Элемент. Под элементом принято понимать простейшую неделимую часть системы, хотя это понятие и является неоднозначным. Поэтому примем следующее определение: элемент – это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи, поставленной цели.

Систему можно расчленять на элементы различными способами в зависимости от формулировки задачи, цели ее уточнения в процессе проведения системного исследования. При необходимости можно изменять принцип расчленения, выделять другие элементы и получать с помощью нового расчленения более адекватное представление об анализируемом объекте или проблемной ситуации.

Компоненты и подсистемы. При многоуровневом расчленении системы лучше использовать термины подсистемы или компоненты. Понятие подсистема подразумевает, что выделяется относительно независимая часть системы, обладающая свойствами системы и, в частности, имеющая подцель, на достижение которой ориентирована подсистема, а также другие свойства – свойство целостности, коммуникативности т.д.

Если же части системы не обладают такими свойствами, а представляют собой просто совокупности однородных элементов, то такие части принято называть компонентами.

Выделение подсистем зависит от цели и может меняться по мере ее уточнения и развития представлений исследователя об объекте.

Связь. Понятие связь входит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение ее целостных свойств. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику), и функционирование (динамику) системы.

Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Действительно, элементы, вступая во взаимодействие (связь) друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали в свободном состоянии. В определениях системы термины связь и отношение обычно используются как синонимы, хотя у некоторых исследователей другая точка зрения.

Связи можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом). По первому признаку связи делятся на направленные и ненаправленные. По второму – на сильные и слабые. По характеру (виду) различают связи подчинения, связи порождения (или генетические), равноправные (или безразличные), связи управления.

Важную роль в моделировании систем играет понятие обратной связи (рис. 1.2.).

Обратная связь может быть положительной, сохраняющей тенденции происходящих в системе изменений того или иного выходного параметра, и отрицательной – противодействующей тенденциям изменения выходного параметра, т.е. направленной на сохранение, стабилизацию требуемого значения параметра (например, стабилизацию выходного напряжения или, в системах организационного управления, количества выпускаемой продукции, ее себестоимости и т.д.). Обратная связь является основой саморегулирования, развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования.

Цель. Понятие цель и связанные с ним понятия целенаправленности, целесообразности лежат в основе развития системы.

Цель - образ несуществующего, но желаемого - с точки зрения задачи или рассматриваемой проблемы - состояния среды, т.е. такого состояния, которое позволяет решать проблему при данных ресурсах. Это - описание, представление некоторого наиболее предпочтительного состояния системы.

Понятие цели конкретизируется различными объектами и процессами.

Пример. Цель - функция (найти значение функции). Цель - выражение (найти аргументы, превращающие выражение в тождество). Цель - теорема (сформулировать и/или доказать теорему - т.е. найти условия превращающие сформулированное предложение в истинное высказывание). Цель - алгоритм (найти, построить последовательность действий, продукций обеспечивающих достижения требуемого состояния объекта или процесса перевода его из исходного состояния в финальное).

Целенаправленное поведение системы - поведение системы (т.е. последовательность принимаемых ею состояний), ведущее к цели системы.

Итак, в принципе, поведение одной и той же системы может быть описано и в терминах цели или целевых функционалов, связывающих цели со средствами их достижения (такое представление называется аксиологическим), и без упоминания понятия цели в терминах непосредственного влияния одних элементов или описывающих их параметров на другие в терминах «пространства состояний» (или каузально). Поэтому одна и же ситуация может быть представлена тем или иным способом в зависимости от исследователя. Для того чтобы отразить диалектическое противоречие, заключенное в понятие «цель», в большой советской энциклопедии дается следующее определение цели: «заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека, группы людей» («заранее мыслимый», но все же «результат», воплощение замысла; подчеркивается также, что понятие цели связано с человеком, его «сознательной деятельностью»).

Структура. Система может быть представлена простым перечислением элементов или «черным ящиком» (моделью «вход – выход»). Однако чаще всего при исследовании объекта такого представления недостаточно, так как требуется выяснить, что собой представляет объект, что в нем обеспечивает выполнение поставленной цели, получение требуемых результатов. В этих случаях систему отражают путем расчленения на подсистемы, компоненты, элементы с взаимосвязями, которые могут носить различный характер, и вводят понятие структуры. Структура (строение, расположение) отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство (строение).

Обычно в структуру включают не все элементы и связи, а лишь наиболее существенные, которые обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Иными словами, структура характеризует организованность системы, устойчивую упорядоченность элементов и связей. Структурные связи обладают относительной независимостью от элементов и могут выступать как инвариант при переходе от одной системы к другой. При этом системы могут иметь различную физическую природу. Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания объекта, от цели создания. Структура в ходе проектирования по мере развития исследований может изменяться. Понятия, характеризующие функционирование и развитие системы. Рассмотрим основные термины процессов происходящих в сложных системах.

Состояние. Понятием состояние обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы, либо через макропараметры, макросвойства системы (давление, скорость, температура).

Если рассматривать элементы a (компоненты, функциональные блоки), учесть, что «входы» можно разделить на управляющие y и возмущающие x (неконтролируемые) и что «выходы» (выходные результаты) зависят от a, y и x, т.е. g=ƒ(a,y,x), то в зависимости от задачи состояние может быть определено как {а, у}, {а, у,g} или {a,y,x,g}.

Поведение. Если система способна переходить из одного состояния s в другое, то говорят, что она обладает поведением. Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности (правила) перехода системы из одного состояния в другое. С учетом введенных обозначений поведение можно представить как функцию

s(t)=[s(t-1), y(t), x(t)].

Равновесие. Понятие равновесия определяют как способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий (или постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго. Это состояние называют состоянием равновесия.

Устойчивость. Под устойчивостью понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних (или в системах с активными элементами – внутренних) возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам при постоянном y тогда, когда отклонения не превышают некоторого предела. Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия. Возврат в это состояние может сопровождаться колебательным процессом.

Развитие. Развитие системы есть изменение ее качества на выходе, т.е. смена цели и типа ее функционирования, обеспечивающего достижение цели. Поскольку в процессе развития происходит изменение качества поведения системы, то и отношения не могут оставаться устойчивыми. Следовательно, и основой развития являются противоречивые (не равновесные) отношения, которые объединяют элементы, одновременно являющиеся частями системы и обладающие взаимоисключающими тенденциями развития.