Система и её основные свойства

Основным предметом исследования кибернетики - является процессы управления больших, сложным и динамических система. Таким образом, система является – важнейшим понятием кибернетики, а системалогия или наука об общих свойствах систем любой природы - одним из основных её разделов.

В самым широком смысле, под системой (от греч – составленное из частей соединение) понимают множество, элементы которого закономерно связаны между собой.

Элементами множества могут при этом являться те или иные предметы, явления, знания, методы и т.п. Соответственно можно говорить о солнечной или транспортной системе, о системе счисления и системе Станиславского, об экономической и геологических системах, о системе понятий и нервной системе, о системе химических элементов и системе уравнений и т.п.

Системами являются язык и автомобиль, мозг и телефонная сеть, компьютер и таблица умножения.

Развитие системологии как особой области знаний связывают прежде всего с именем австрийского биолога Людвига фон Берталанфи, который в конце 40ых голов 20ст выступил с теорией «Общая теория систем».

Одним из наиболее широко принятых в настоящее время определений системы является следующим:

Система – это множество, на котором реализуется заранее данное отношение R с фиксированными свойствами P.

Таким образом, если имеется множество элементов M, на котором обнаруживается какое-либо произвольное отношение R, то это множество не обязательно будет определятся как система. Системой мы его будем называть лишь в том случае, когда на множестве элементов М будет выполняться некоторые определенные фиксированные отношения, например, связи или порядка.

Понятие системы противопоставляется понятию «хаос». Хаотичным можно назвать такое множество элементов m1, m2, mi, mn, при котором некоторые событии х при элементе mi могут преозайти всевозможные события элементов m1, m2 и других, при чем такая независимость событий наблюдается повсеместно.

Если же событие х в элементе mi определенным образом ограничивает события других элементов (mi, mk и т.д.), то можно утверждать, то между mi и mj, mi и mr существует определенная связь. Вот такие множества, которых наблюдаются определенной взаимосвязи, взаимодействия между элементами и являются примерами систем.

При этом существует вид систем, у которых событие в одних элементов системе, могут ограничивать события других элементов однозначно. Например, включение рубильника на пульте управления электроосветительной сети города однозначно приводит зажиганию ламп уличного освещения или операция сложения в электронно-вычислительной машине приводит к определенной последовательности срабатывания элементов устройств управления, памяти и арифметических устройств, заканчивающих получения результата в виде сумм заданных слагаемых. В такой системе связи между элементами и событиями в них строго и однозначно предопределены, детерминированы и подобные системы называют детерминированные.

В системах другого вида события х в элементе mi. Может вызвать возникновения события y или z, или в некотором другом элементе mj, при чем возможность возникновения этих вторичных событий характеризуется соответственно различными вероятностями Pj, Px, Pz и т.д. Например, установка нового светофора на перекрестке города приведет к неодинаковым и не прогнозированным заранее изменением движения транспорта и аварийности на различных перекрестках. В системах такого рода связи между элементами и событиями в них носят вероятностный характер и подобные системы называют вероятностными или стохастическими.

Следует отметить, что строго детерминированных систем вообще не существует. Даже такая простая система как выключатель электрической лампы не дает 100% гарантию зажигание лампы при каждом включение выключателя. Поэтому разделение систем на детерминированные и стохастические являются значительным степени условными. И строго говоря все системы являются стохастическими, а детерминированные мы называем те стохастические системы, у которых вероятность ожидаемого события настолько близка к 1, что можно считать практически, что это событие всегда происходит.

В системах обоих видов как детерминированных, так и стохастических имеет место определенный порядок: В первом случае – жестким, а во втором – вероятностный. Во всяком случае те и другие системы противоположны хаосу, однако зачастую бывает так, что люди определяют как хаос такие сложные системы, в которых существуют закономерные детерминированные или вероятностные связи, но эти связи не удается обнаружить и изучить достаточно короткие промежутки времени. Таким образом экспериментатор, а значит и наука оказывается способными обнаружить не всякий вид порядка.

Важнейшее свойство систем, являющаяся убедительным проявления закона диалектики о переходе количество в качество заключено в одном из определения понятия целостной системы: «следует определить целое, целостность как систему, совокупность объектов, взаимодействия которых обуславливает наличие новых интегративных качеств не свойственных образующих её частям». Это определение выражает не одъятивность свойств совокупность элементов, образующих систему и характеризующие её нелинейность.

Структура систем

Рассматривая любую систему, можно установить, что обязательными компонентами её всегда являются элементы и связи между этими элементами. По определению системы видно, что реализация в системе некоторых заранее заданных отношений с определенными свойствами представляет собой структуру системы.

Любая структура вообще (от лат строение или расположение) – это определенная взаимосвязь, взаиморасположение основных частей, характеризующих строение чего-либо.

Говоря о кибернетических системах необходимо указать на решающие значения для определения их структуры именно характера, способа, закона связи между элементами системы. При этом нужно подчеркнуть, что сами законы связи между элементами в свою очередь существенно зависят от свойств элементов.

Любой элемент системы может быть расчленен на большое количество составляющих элементов, вплоть до молекул, атомов, электронов. Поэтому кибернетики условились называть элементом системы такую её часть, которая выполняет определенную специфическую функцию и не подлежит дальнейшему расчленению, является как бы неделимой с точки зрения рассматриваемого процесса функционирования системы. Так при рассмотрении системы «предприятия», её элементами целесообразно считать такие подсистемы как отделы, цеха, склады и т.д. При рассмотрении системы «цех», элементами будут выступать станки, бригады рабочих и т.д. При рассмотрении системы «человек», будем рассматривать его органы движения, кровообращения, пищеварения, дыхания и т.д.

Следовательно. процесс разделения системы на элементы и само понятия элемента представляется весьма относительным и условным. Тем не менее, можно исходя из логических предпосылок и практической целесообразности достаточно удобно и четко выделить элементы систем таким образом, что они будут обладать определенным типовой внутренней структурой и представлять образования характеризующая более высокой устойчивостью, чем вся система в целом.

Элементы любых реальных систем являются некими физическими объектами, которые можно охарактеризовать их вещественным составом, потреблением энергии, габаритами, внутренней структурой, стоимостью и многими другими параметрами. Однако, с точки зрения их поведения в системе, в большинстве случае можно отвлечься от этих всех свойств элементов и характеризовать их только возможностями образовать те или иные виды связи, вещественных, энергетических и информационных с другими элементами из внешней по отношению системы средой.

Вещественные связи представляют собой каналы, по котором элементы системы или в системе целом, обмениваются между собой теми или иными веществами. Производственно-экономических системах – это каналы, по котором осуществляются снабжения сырьем, заготовка и отгрузка готовой продукции. В биологическом органихме это пути, по котором совершается обмен веществ.

Второй вид связи – энергетические – представляет каналы обмены различными видами энергии: механической, теплой, световой, электрической и т.п. Это теплопроводы, сети электроснабжения.

Третий вид связи, играющий основную роль в процессах управления – информационные связи, по котором передаются сигналы управления, команды, приказы и т.п. (управляющая информация) и сведения о состояния объекта и окружающей среды (осведомительная информация). Информационные связи обеспечиваются каналами оптической, электрической связей, радио связей и т.д. При управления механизмами информационные связи могут осуществляется и в виде механических тяг гидропривода или пневмапривода или другими способами обеспечивающими передачу сигнала управления.

Необходимо понимать, что все эти 3 вида связи существуют всегда неотделимо друг от друга, но в зависимости от того какой вид связи является определяющим можно отнести данную связь к одному из перечисленных виду.

Так реализацию связи сельхоз предприятия имеет последний поток зерна. Это явно вещественный поток (зерно) содержит себе элементы энергетической связи (тепловая энергия, заключенную в нагретом солнце зерне) и элементы энергетической связи (поток зерна несет в себе информацию о факте уборки урожая и количественных показателей этого процесса). В данном случае нас интересует одно: существенным является лишь вещественный поток.

Энергетическая связь сопровождается и переносом вещества – например, перенос массы горячей воды. Однако существенным здесь является только энергетический поток тепла, а перенос вещества и информации является неотделимым от него, но побочным фактором.

Информационные связи в свою очередь не могут осуществляться без вещественных или энергетических носителей. Например, при пересылки письма, пересылается вещество, то есть бумага. При передачи по телефону передается электромагнитная энергия, движутся частицы вещества, то есть электроны, однако в этом случае получателя не интересует не вещество, не энергия, а лишь информация, которая передается с помощью этих носителей. Возвращаясь к описанию элементов, как составляющих части системы, способна образовывать связи с другими элементами, можно сделать вывод, что основной характеристикой элемента в системе является его способность к установлению связи, то есть порождению (генерации) или восприятию (поглощению) множества связей определенного вида. В первом случае элемент выступает в роли источника или генератора связи. Во втором случае, в качестве приемника или поглотителя связи. Общие количество связей входящих или исходящих, который способен образовать элемент можно назвать его валентностью. Однако эта способность элемента, рассматриваясь вне системы, находится в потенциальном состоянии и актуализируется лишь только при включении их в системе.

Вся совокупность возможных входов и выходов элементов представляет его контакты, при чем валентность элемента оказывается равно числу его контактов, а установление связей между элементами представляет соединение соответствующих контактов. Контакты и связи можно охарактеризовать их мощностью и направленностью или ориентацией. Под мощностью здесь понимается пропускная способность контактов и связей в единицу времени. Если речь идет о вещественных связей, то количественной характеристикой их мощности будет пропускная способность, выраженная в единицу веса или в объеме вещества - единицы времени. Если говорится об энергетических связей, то в единицах энергии и в случае информационных связей – в единицах количествах информации – единицу времени.

Выходы элемента, формирующие исходящую связь, является его активными контактами. Входы элемента, то есть поглощающие связи, можно рассматривать как пассивные контакты. Те же контакты, которые могут и генерировать и поглощать связь, называют нейтральными.

Всё это позволяет при исследовании и синтезе систем пользоваться идеализированными моделями элементов и систем. Идеализированный элемент представляет некоторый абстрактный элемент, у которого отсутствует любые физические свойства, кроме способности реорганизации связи, кроме другими способными идеализированными элементами. Таким образом идеализированный элемент полностью определяется природой и направлением его связей.

Совокупность идеализированных элементов, объединенных необходимыми связями, образуют идеализированную модель системы, которую можно удобно и наглядно представить в виде графа или соответствующей матрицы связей.

Иерархия и виды систем

Так как любая система рассматривается как совокупность элементов, то она имеет, как правило, иерархическую структуру.

Иерархическую систему управления определяют как систему, имеющую многоуровневую структуру в функциональном, организационным или каким-либо иным плане.

При решении практических задач анализа в тех или иных систем достаточным оказывается выделение ограниченного числа ступеней иерархии. При этом системы низшего уровня являются подсистемами более высокого уровня, которые в свою очередь являются подсистемами систем ещё более высокого уровня и т.д. вплоть до так называемой «супер системы», находящихся на верхней ступени иерархической структуры. Так в качестве супер системы можно рассматривать экономическую систему страны. Подсистемами этой системой по функциональным признакам являются отрасли народного хозяйства, по признаку территориального деления – экономические системы областей. На следующих низших уровнях находятся министерства, производственные объединения, предприятия, цеха и т.д.

Обилие возможных связей между большим количеством подсистем, входящих в систему, наличие таких связей так между системами и подсистемами различных уровней (по вертикали), так и на одном уровне (по горизонтали), наличие перекрестных связей чрезвычайно затрудняет анализ систем как единого целого. При этом возникает понятие большой системы, под которой понимается такая система, которую практически невозможно исследовать, без выделения в ней более простых подсистем. После разделения большой системы, на ряд более простых систем, их начинают рассматривать как, до известной степени, независимые системы. Однако такая процедура разбиение большой системы в целях её анализа на отдельные простые компоненты во многих случаях оказывается несостоятельны. Дело в том, что существуют системы, функционирования компонентов которых, настолько взаимообусловлено и тесто связано, что изолирования рассмотрение последних либо просто невозможно, либо приводит к абсолютно не верным выводам. Такие системы называют сложные.

Типичным примером сложных систем является экономические системы, подсистемы которых, как правило, характеризуется на столько тесными двухсторонними связями, что в большинстве случае изолирование изучение этих подсистем может привести к неверным выводам.

Сложной системой является система народного хозяйства в целом, отдельные отрасли народного хозяйства, фирмы, производственные объединения, промышленные и сельскохозяйственные предприятия.

Таким образом, основное отличие сложных систем от простых можно сформулировать так:

Простой называют такую систему, функционирования которой можно исследовать (в пределах поставленной задачи), как нечто целое, без разбиение её на более мелкие системы. Так работу двигателя автомобиля можно изучить автономно без самого автомобиля, на специальном стенде.

Большими и сложными называют системы с разветвленной структурой и значительным количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. При этом считают, что большие системы переходят в сложные по мере усиления взаимодействия составляющих их компонентов, хотя такую границу между большими и сложными системами провести невозможно.

По характеру перехода из одного состояния другое, системы делят на:

- статические

- динамические

Динамические называют такие системы, переход которых в новое состояние не может совершаться в мгновенно, а происходит в результате некоторого процесса, растянутого во времени.

Строго говоря, все системы являются динамические. Однако, практически можно пренебречь времени переходного процесса, если оно весьма мало, по сравнению с временем того или иного состоянию систем. Так систему «Выключатель – лампочка электрическая» можно отнести к статическим, по сколько время, которое проходит от момента поворота выключателя до зажигания или гашения лампы, измеряется долями секунды, что не своезмеримо мало, по сравнению с временем последующего нахождения в зажженном или погашенном состоянии.

Типичным примером динамической системы является любая экономическая система, которая никогда не может скачкообразно перейти в одно состояние в другое.

Кибернетика занимается в основном в изучении динамических систем, что отражено в частности в одном из её определению, как науки об управления сложными динамическими системами.

По своему происхождению, системы разделяются на:

- естественные

- искусственные.

К естественным системам относятся все системы, возникшие без участия человека.

К искусственным системам – системы спроектированные и построенные человеком.

Система и внешняя среда

Функционирования любой системы происходит в некоторой окружающей ее внешней среды не входящей в систему, но определенным образом, взаимодействующим с ним.

Эти воздействия (влияние) могут вносить направленный характер. Так, например, воздействие электрического тока, светового луча и т.д. Либо распределенный характер, например, общий тепловой нагрев, атмосферное давление, радиация.

Подобно связи между элементами системы, связи её со внешней средой, то есть воздействие внешней среды на систему и системы на внешнюю среду, могут носить вещественный, энергетический и информационный характер.

Рассмотрим, например человека, как систему, взаимодействующую с окружающей средой. Вещественные связи человека со средой, реализуемой процессом обмена веществ, заключается потреблением пищи, воды, кислорода и выделения не нужных и вредных для организма продукта.

Энергетические связи заключаются в поглощении тепла, радиации и отдачи тепла в окружающую среду.

Информационные связи состоят в непрерывном восприятии человека информации об окружающей среде, в частности от других членов общества и передачи информации другими людям в процессе общения с ними.

Количество различных взаимодействий между любой системой и окружающей средой весьма велико, поэтому исходя и практических задач исследования, поведения систем необходимо выделить лишь наиболее существенные связи, определяющие поведение системы в конкретных условиях управления. Как например, если рассматривать информационное взаимодействие некоторой фирмы со внешней средой, то рыночное изменение цен на её продукцию или решение по строительстве непосредственно близости от цехов транспортной магистрали, могут оказать существенное влияние на хозяйственную деятельность этого предприятия. Однако изменение цен на ткани или увеличение выпуска учебников, или новое открытие в области атомной физики представляет информационное воздействие, которое в данном случае можно пренебречь. Хотя строго говоря и эти воздействия непосредственно или опосредовано через более или менее длительные цепочки причинно-следственные связи, так же могут сыграть в некоторую, пусть даже очень не большую роль в бизнес процессе фирмы.

В общем все процессы в окружающей нас среде связаны между собой, при чем эти связи в ряде случаев, не смотря на их кажущуюся мало значимость, могут оказывать весь существенное воздействие. В качестве примера можно указать на актуальные экологические проблемы, связывающие человека и природу.

Таким образом, внешняя среда всегда оказывает влияние на любые системы. Однако в зависимости от степени и практической значимости этого влияния, кибернетические системы подразделяются на:

- открытые

- закрытые

Процессы в открытых системах определяются влияниями внешней среды и сами оказывают на неё воздействие. Следовательно, их функционирование определяется как внутренней, так и внешней информацией, поступающей на вход системы. В качестве типичных видов открытых систем, можно назвать:

1)системы не полностью изолированные от внешней среды (с внешними возмущениями или неопределенностями)

2)системы, реагирующие на внешнее воздействие так, что это вызывает существенные изменение характера их поведения (например, организмы животных и растении и вообще различные самоорганизующие системы).

3)Системы, с которыми внешняя среда взаимодействует двухсторонне, то есть при воздействия на систему из вне, среда одновременно испытывает реакцию систему или воздействие с её стороны.

Закрытые или замкнутые системы – это системы, в процессе функционирования которых используется только та информация, которая вырабатывается внутри самой системы, так что все взаимодействия между элементами системы определяется процессами, протекающими внутри самой системы.

 

Системный подход

При изучении явлений и процессов в любых системах можно применять 2 подходы:

- локальный -который заключается в изучении структуры и функциональный особенностей автономных, отдельно взятых элементов системы.

- системный подход – который представляет собой исследование способов организации элементов системы в единое целое и взаимного воздействия процессов функционирования системы, её подсистем и элементов друг на друга.

Использование системного подхода в исследовании может получит достаточно полное и близкое к истинному представлению о процессах в сложных систем.

Характерными сторонами системного подхода и соответственно системного анализа, как метода исследования, является стремление учесть всю сложность присущую системе, в частности тесную связь между обилием фактов, определяющих ей поведение, неполную определенность поведения, развития системы, связанная с изменением свойств её компонентов.

Основным из способов исследования экономических систем, то есть системный подход позволяет осуществить разработку прицепов, на основе которых можно подойти не только в определении оптимального направления развития экономики, но и осуществить внедрения результатов оптимального планирования в хозяйственную практику.

Невозможно полностью охватить все стороны связи и опосредование приводит к тому, что при осуществления системного анализа с одной стороны есть стремление к максимальной полноте описания, а с другой стороны к разумному упрощению объекта.

Системный поход играет важнейшую роль не только при анализе действующих сложных систем, но и при реализации задач системы техники, то есть задач проектирования больших технических систем. Более широкое определение системы техники относит к сфере её приложений вопросы планирования, проектирования, оценки и конструирования человеко-машинных систем и составляющих их элементов. При этом определении систему-технику можно считать научной основой проектирования автоматизирования систем управления всех уровней. А системный анализ – основных методов решения этих задач.

 

Состояние системы