Основные определения теории систем и системного подхода

Существует определенный набор понятий, связанных с современным использованием слова «система».

Элементом системы называется некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающих рядом важных для нас свойств, но внутреннее содержание (строение) которого безотносительно к цели рассмотрения (например, элемент — исходное или не анализируемое далее событие в дереве отказов).

Обозначим элементы М, а всю их возможную совокупность {М}. Принадлежность элемента к совокупности принято записывать

М Є {М}.

Связь — важный для целей рассмотрения обмен между элементами веществом, энергией, информацией.

Система — совокупность элементов, обладающая следующими признаками:

а) связями, которые позволяют посредством перехода по ним от элемента к элементу соединить два любых элемента совокупности (связность системы);

б) свойством (назначением, функцией), отличным от свойств (или суммы свойств), отдельных элементов совокупности; это свойство также называется эмерджентностью (функция системы), которой, в свою очередь, можно дать следующее определение: эмерджентность — особенность систем, состоящая в том, что свойства системы не сводятся к совокупности свойств частей, из которых она состоит и не выводятся из них.

Таким образом имеем два признака системы: связность и функцию.

Запишем так называемое «кортежное» (т.е. последовательное) определение системы:

Σ: {{М},{Х}, F}, (1.1)

где Σ — система

{М} — совокупность элементов

{Х} — совокупность связей

F — функция.

Приведенная запись является наиболее простым описанием содержания системы.

Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система (вопрос в целесообразности такого рассмотрения). (Пример — радиотехническая плата (для сборки) слюдяной конденсатор — для специалиста по элементной базе, слюда — для геолога).

Различие между системой, большой системой и сложной системой условно.

Примеры сложных систем: судно, самолет, системы управления ими, ЭВМ, транспортная сеть, экосистема и др.

3. Структура и иерархия системы

Структура системы — расчленение ее на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на все время рассмотрения и дающее представление о системе в целом.

Расчленение системы может иметь различную основу:

- материальную (вещественную);

- функциональную;

- алгоритмическую (алгоритм программы, инструкция).

Группы элементов в структуре обычно выделяются по принципу простых или относительно более слабых связей между элементами разных групп. Структура системы обычно изображается в виде графической схемы (структурной схемы).

Структуры других типов;

- календарь (временная структура);

- деление книги на главы (информационная структура).

Структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней (или преобладающим) типам связей:

а) последовательное соединение элементов;

б) параллельное соединение элементов

Обратная связь (результат функционирования элемента влияет на поступающие на него воздействия.

Обратная связь выступает важным регулятором в системе.

Крайне редко встречается система без того или иного вида обратной связи.

Близким к понятию структуры является понятие декомпозиции.

Декомпозиция — деление системы на части, удобные для каких-либо операций с этой системой. (пример: рассмотрение физического явления или математическое описание отдельно для данной части системы).

Суть декомпозиции — упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком. Фактически, это важнейшая процедура системный анализ, связанная именно с анализом системы.

Агрегирование — противоположная процедура (процедура синтеза) — объединение частей в целое, установление связей.

Окружение системы. Для того, чтобы дифференцировать, отделить систему от не системы, вводится понятие окружения системы (внешней среды, окружающей среды).

Иерархия — структура с наличием подчиненности, т.е. неравноправных связей между элементами, когда воздействие в одном из направлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другой.

Типичный пример:

Виды иерархических структур:

а) древовидные

б) ромбовидная.

Встречаются и другие виды иерархий, например, кольцевая.

Древовидная структура наиболее проста для анализа и реализации.

Примеры. Задача проектирования технического объекта сводится к проектированию

- основных частей;

- функциональных систем;

- групп агрегатов;

- механизмов;

- отдельных деталей.

В живой природе наблюдаются следующие иерархические зависимости: иерархия в стаде; иерархия уровней живых систем по организованности (биосферный, видовой, популяционный, организменный, тканевый, клеточный).

Если структура плохо описываема или определяема, то такое множество объектов называется плохо структурируемым.

Пример. Плохо структурируемы будут проблемы описания многих исторических эпох, проблем микромира, общественных и экономических явлений, например, динамики курса валют на рынке, поведения толпы и др.

Плохо формализуемые и плохо структурируемые проблемы (системы) наиболее часто возникают на стыке различных наук, при исследовании синергетических процессов и систем.

Способность к нахождению решений в плохо формализуемых, плохо структурируемых средах — наиболее важная отличительная черта интеллектуальности (наличия интеллекта).

По отношению к людям — это способность к абстракции, по отношению к машинам или автоматам — способность к адекватной имитации каких-либо сторон интеллекта и интеллектуального поведения человека.

Интеллектуальная проблема (задача) — проблема человеческого интеллекта, целеполагания (выбора цели), планирования ресурсов (выбора необходимых ресурсов) и построения (выбора) стратегий его достижения.

Такие понятия как «интеллект», «интеллектуальность» у специалистов различного профиля (системного анализа, информатики, нейропсихологии, психологии, философии и др.) могут несколько различаться, причем это не несет в себе никакой опасности.

Примем, не обсуждая ее положительные и отрицательные стороны, следующую «формулу интеллекта»:

«Интеллект = цель + факты + способы их применения»,

или, в несколько более «математическом», формализованным виде:

«Интеллект = цель + аксиомы + правила вывода из аксиом».

Интеллектуальными системами называют такие человеко-машинные системы, которые обладают способностью выполнять (или имитировать) какие-либо интеллектуальные процедуры, например, автоматически классифицировать, распознавать объекты или образы, обеспечивать естественный интерфейс, накапливать и обрабатывать знания, делать логические выводы. Используют и другой, более старый термин — «система искусственного интеллекта». В информатике актуальна задача повышения интеллектуальности компьютерных и программных систем, технологий и обеспечения интеллектуального интерфейса с ними. В то же время интеллектуальные системы базируются на неполных и не полностью формализуемых знаниях о предметной области, правилах вывода новых знаний, поэтому должны динамически уточняться и расширяться (в отличие от, например, формализуемых и полных математических знаний).

Понятие «система» в переводе с греческого означает «целое, составленное из частей». Это одна из абстракций информатики и системного анализа, которую можно конкретизировать, выразить в конкретных формах.

Пример. Система теоретических принципов, положений, система государственного устройства, нервная система, производственная система. Можно дать и следующее, более полное определение системы.

Система — это средство достижения цели или все то, что необходимо для достижения цели (элементы, отношения, структура, работа, ресурсы) в некотором заданном множестве объектов (операционной среде).

Цель, элементы, отношения или ресурсы подсистем при этом будут уже другими, отличными от указанных для всей системы.

Рис. Структура системы в общем виде

Любая система имеет внутренние состояния, внутренний механизм преобразования входных сигналов, данных в выходные (внутреннее описание) и внешние проявления (внешнее описание). Внутреннее описание дает информацию о поведении системы, о соответствии (несоответствии) внутренней структуры системы целям, подсистемам (элементам) и ресурсам в системе, внешнее описание — о взаимоотношениях с другими системами, с целями и ресурсами других систем.

Внутреннее описание системы определяет внешнее описание.

Пример. Банк образует систему. Внешняя среда банка — система инвестиций, финансирования, трудовых ресурсов, нормативов и т.д. Входные воздействия — характеристики (параметры) этой системы. Внутренние состояния системы — характеристики финансового состояния. Выходные воздействия — потоки кредитов, услуг, вложений и т.д. Функции этой системы — банковские операции, например, кредитование. Функции системы также зависят от характера взаимодействий системы и внешней среды. Множество выполняемых банком (системой) функций зависят от внешних и внутренних функций, которые могут быть описаны (представлены) некоторыми числовыми и/или нечисловыми, например, качественными, характеристиками или характеристиками смешанного, качественно — количественного характера.