Система: основні поняття, властивості,

Узагальнені класифікації.

 

Системний підхід у вирішенні проблеми вимагає тотальної системності: від постановки проблеми до її розв’язання, а також узгодженості всіх функцій, етапів виконання, ланок. Тобто, системність присутня на всіх етапах: від загального поняття (уявлення) про систему до конкретної системи.

Сучасні наукові дані та сучасні системні уявлення дозволяють казати про світ як про нескінченну ієрархічну систему систем, які знаходяться у розвитку, проходять різні стадії розвитку, розташовані (розміщенні) на різних рівнях системної ієрархії. Системність є настільки загальною властивістю матерії, що її можна назвати формою існування матерії. Відомі із фізики форми існування матерії - час, простір, рух, структурованість - являють собою окремі прояви, окремі аспекти системності.

Методологія аналізу складних об’єктів, вивчення та пізнання процесів, які протікають в них, пов’язані з теорією пізнання (див. Додаток 1.2). Підхід до вивчення складного об’єкту передбачає розгляд його як складної системи.

Поняття «система» використовують в багатьох сенсах та значеннях. У прямому перекладі з грецького σύστημα означає «утворення», «складення», тобто утворення, яке з’єднане з частин. Є сотні визначень в літературі, але нема загальноприйнятого. Це відбиває принципову неможливість дати завершене визначення багатоаспектному уявленню «система», а це означає, що категорію «система» слід віднести до певних суттєвих понять, таких, як матерія, час, простір. Тому систему (як фундаментальне поняття) слід характеризувати і конкретизувати, розглядаючи основні її властивості.

Властивості системи:

1. Система - це завжди сукупність елементів. При цьому будь-яка
система (крім всесвіту), завжди відносно відокремлена від оточуючого
середовища і інших систем з оточення. Систему завжди можна відокремити (абстрагувати) від оточуючого середовища, тобто від тих факторів середовища, які в достатній мірі не впливають на досягнення цілей, яким підпорядкована уся організація системи.

2. Між елементами системи завжди є суттєві зв'язки. Ці зв'язки між
елементами в системі звичайно значно сильніші, ніж з
елементами, які не входять в систему (елементи зовнішнього середовища).

3. Системі завжди притаманні структура (організація), яка спеціалізує різні елементи системи, а, також, підпорядкованість всієї організації системи певним цілям.

4. В системі завжди присутня ієрархічність рівнів її організації.

5. Емерджентність (властивості системи не є тільки сумою властивостей її складових: система в цілому володіє такими властивостями, яких немає у жодної з її частин, взятої окремо).

З зазначених системних властивостей випливають певні наслідки (висновки):

1. Системі завжди притаманні інтегративні властивості (внутрішня цілісність), які не властиві жодному з її елементів окремо.

2. На кожному рівні організації системні процеси мають як детерміновані, так і випадкові складові. Тому в ході розвитку системних процесів причина та наслідки частіше за все не пов'язані детерміновано ні в часі ні в просторі.

3. Більша частина системних процесів характеризується нелінійною залежністю між силою причини і розміром отриманих наслідків.

Найважливіше в функціонуванні і розвитку системи – це функціональні можливості її елементів. Однакові елементи в різних системах можуть виконувати різні функції.

Для вивчення, описання, реалізації складних об’єктів, явищ і процесів різноманітної природи і характеру, часто не зовсім визначених і слабо структурованих, застосовують сукупність понять, методів, процедур і технологій, які мають узагальнену назву «Системний аналіз». Системний аналіз – це методологія дослідження складних, часто-густо не зовсім визначених проблем теорії і практики. Предметною областю системного аналізу є системна організація (будова) складних об’єктів різноманітної природи, а також системні процеси і явища. Системний аналіз, як і будь-яка інша наукова галузь, ставить за мету дослідження нових об'єктів і явищ, а, також, зв'язків і стосунків, причому дослідження зв'язків і стосунків є основною задачею системного аналізу. І це дослідження необхідне для того, щоб об'єкти, що вивчаються, стали б зрозумілішими і керованими, а "розкриті" в результаті дослідження механізми внутрішньої і зовнішньої взаємодії цих об'єктів – були б застосовними до моделювання поведінки інших складних об'єктів і явищ. Завдання і принципи системного підходу не залежать від природи об'єктів і явищ. Системний аналіз дає спільні методи формального міждисциплінарного аналізу предметної області, дозволяє виявляти, описувати і вивчати системні інваріанти.

Системний аналіз у вирішенні складних системних задач виходить з необхідності робити наступне:

1. Одночасно розглядати множину різних елементів і підсистем системи.

2. Виявляти комплекс впливаючих одне на одне зв'язків між елементами і підсистемами системи.

3. Описувати різні процеси, що одночасно відбуваються в середині системи та між системою та оточуючим середовищем.

4. Виявляти і аналізувати цілісність системи в її інтегративних властивостях.

5. Визначати цілі функціонування системи, оскільки у відповідності з принципом єдності цілей фактичні цілі функціонування підсистем повинні відповідати цілям всієї системи (якщо принцип порушується - його треба відновити, оскільки його додержання забезпечує значно ефективніше функціонування системи).

Крім зазначених головних завдань при вирішені системних задач також необхідно дотримуватись наступних принципів:

• принципу кінцевої мети: пріоритет кінцевої (глобальної) мети є абсолютним;

• принципу єдності: розглядати систему як єдине ціле і як сукупність її

підсистем (елементів);

• принципу зв’язності: розглядати будь-яку частину системи сумісно з її

зв’язками з оточенням;

• принципу модульної побудови: виділяти модулі в системі і розглядати її

як сукупність модулів;

• принципу ієрархії: доцільно вводити ієрархію частин системи та (чи) їх

ранжування;

• принципу функціональності: розглядати сумісно структуру й функції

системи з пріоритетом функцій над структурою;

• принципу розвитку: враховувати змінюваність системи, тобто її

здатність до розвитку, розширення, зміни частин, накопичування

інформації;

• принципу децентралізації: поєднання в управлінні та в рішеннях,

що приймаються, централізації та децентралізації;

• принципу невизначеності: враховувати невизначеності та випадковості

в системі.

В техніці, зазвичай, маємо справу з комплексами. Якщо технічні комплекси розробляються у відповідності з уявленням: «повинно так», то це системи, які можуть бути організованими.

Організація – це властивість систем виявляти взаємопов’язану поведінку частин системи в рамках цілого. Під частинами системи маються на увазі її елементи і підсистеми. Організація системи проявляється перш за все в обмеженості різноманітності поведінки частин системи і є її інваріантною властивістю.

Будь-яка відкрита система еволюціонує, починаючи із стану найбільшої ентропії (невизначеності), прагнучи до організованості і порядку в системі в процесі взаємин з середовищем, перебудовуючи свою структуру з метою зменшення ентропії.

Самоорганізація - це утворення просторової, часової, інформаційної або функціональної організації - структури (точніше, прагнення до організованості, до утворення нової структури) за рахунок внутрішніх ресурсів системи в результаті цілеспрямованих взаємодій з оточенням системи.

Система єтакою, що самоорганізується, якщо вона без цілеспрямованої дії ззовні (з метою створення або зміни структури системи) отримує просторову, часову, інформаційну або функціональну структуру.

Самоорганізація (явна або неявна) спостерігається в складних відкритих системах. Самоорганізації властивий атрибут - управління. Автоматичної самоорганізації системи не відбувається, для цього необхідна дія, що управляє. Самоорганізація - лише можливий шлях розвитку, еволюції системи. Це шлях руху системи до впорядкованості, хай і відносної. Чітких мір, критеріїв впорядкованості немає, навіть для фізичних, хімічних, біологічних систем, де проблема порядку, рівноваги давно вивчаються.

Самоорганізація може спостерігатися як в живих, так і в неживих системах. Будь-яка діяльність всупереч еволюційним процесам в системі, всупереч принципам самоорганізації - протисистемна.

Оточення людини (включаючи природу і суспільство) - нестабільне, нестійке, нерівноважне, таке, що розвивається. При розгляді проблем функціонування і розвитку таких надскладних систем треба враховувати дві протилежні і взаємозв'язані, взаємно обумовлюючі одна одну якості, - стабільність і нестабільність, лад і хаос, визначеність і невизначеність.

Нестабільність і нестійкість в системі не завжди є зло, негативна якість, що підлягає усуненню. Нестійкість може, відповідно до законів синергетики (див. Додаток 1.3), виступати умовою стабільного і динамічного саморозвитку, який відбувається за рахунок знищення, вилучення нежиттєздатних форм. Стійкість і нестійкість в системі, утворення нових структур і руйнування старих, змінюючи одне одного, розвивають, еволюціонують систему. Лад і безлад виникають і існують одночасно: один включає інший - це два аспекти одного цілого, вони дають нам різне бачення світу. Через це ми не можемо повністю тримати під контролем навколишній світ нестабільних процесів, наприклад, повністю контролювати соціально-економічні процеси.

Сучасні наука, техніка і технологія мають справу з складними системами, зв'язок між якими здійснюється не лише через прядок, через структури порядку, але і через хаос. Тільки у єдності порядку і хаосу може бути досліджена еволюція складної системи. Складна система – це таке ціле, що складається із стійких і нестійких часток. Еволюція такої системи веде до нової якості, включаючи і стосунки з людиною. Людина знаходиться не поза об'єктом, що вивчається чи керується, а усередині нього, об'єднуючи природні і штучні складові системи, підсилюючи міжпідсистемні зв'язки, застосовуючи в своїй діяльності сучасні уявлення і здобутки природничих, гуманітарних, соціальних наук, досягнення техніки, технологій, мистецтва. Ідеї, принципи, теорії і методи сучасного природознавства (синергетики, інформатики, системного аналізу, фізики відкритих систем, математики і ін.) все ширше впроваджуються в технологічну, гуманітарну і соціально-економічну сфери. Є і зворотні процеси.

Якщо в технічному комплексі є людина, тобто, комплекс являє собою автоматизовану систему, то така система є самоорганізуючою.

Класифікація систем

Класифікація систем – це розподіл систем на класи по різноманітним ознакам. В системному аналізі класифікацію систем проводять з врахуванням множини критеріїв, які характеризують структуру системи, її призначення, особливості функціонування, походження, спосіб управління та ін. У залежності від завдань задачі, що розв’язується, можна вибирати різні принципи класифікації.

Наведемо приклади деяких принципів класифікації систем.

За походженням системи: природні (живі і неживі), наприклад, екологічні, соціальні, геологічні (системи, компоненти яких представлені твердими, рідкими або газоподібними складовими літосфери Землі і властивими їм фізичними полями) і т.п.; штучні, які створені людиною для досягнення конкретної мети: технічні (знаряддя праці, машини і механізми, роботи), організаційні (державні, фінансові, комерційні структури і т.д.); віртуальні (тобто уявні, які реально не існують, але які відображають реальну дійсність і функціонують так, як і реальні);

змішані (економічні, біотехнічні).

 

Рис. 3. Структурна схема класифікації систем за відношенням до об’єктивної реальності

 

За відношенням до оточуючого середовища: відкриті (є обмін ресурсами з зовнішнім середовищем), закриті (нема обміну ресурсами з зовнішнім середовищем).

За видом наукового напрямку, що використовується для моделювання системи: математичні, фізичні, хімічні та ін.

За відношенням до об’єктивної реальності: абстрактні - системи, що є продуктом людського мислення і відображаються абстрактними моделями (поняття, гіпотези, теорії, знання, системи формалізації, логіки, лінгвістичні системи і т.п.), матеріальні (природні, штучні, змішаного типу).

Матеріальні системи – це об’єкти реального часу.

Абстрактні системи – розумово-зорове уявлення моделей матеріальних систем, серед яких логічні (описувані) та символічні (формальні).

Логічні системи - результат дедуктивного чи індуктивного уявлення матеріальних об'єктів. Це системи на основі понятійних визначень (сукупність уявлень) про структуру, про стан, основні властивості, динаміку об'єктів.

Системи формалізації (символічні системи)– це є формалізація логічних систем.

Поділ систем на абстрактні і матеріальні достатньо умовний, тому що це можуть бути стадії розвитку однієї й тієї ж системи (дійсно, природні і штучні об’єкти, відбиваючись у свідомості людини, можуть виступати у вигляді понять, теорій, знань, проектів - тобто абстракцій, а абстрактні моделі систем, що створюються, втілюватися в реальні об’єкти, які потім при вивченні можна знову відбити у вигляді абстрактної системи).

За ступенем визначеності функціонування: детерміновані (системи, що мають закономірні і причинно обумовлені характеристики), стохастичні (системи, в яких відбуваються випадкові події).

За видом об’єкту, що відображається: технічні, технологічні, біологічні, екологічні, економічні, соціально-політичні, демографічні тощо.

За призначенням: системи управління, виконавчі системи, інформаційно-пошукові системи, системи підтримки прийняття рішень, експерті системи, системи обробки даних, телекомунікаційні системи, системи технологічної підготовки виробництва, системи автоматичного проектування (САПР) і т.п.

За типом складності: складність зв’язків між елементами системи, а, також, між системою і зовнішнім середовищем; складність алгоритму функціонування системи і її підсистем; інформаційно-логічна складність, коли не вистачає ресурсів для інформаційно-логічного описання системи; дослідницька, обчислювальна і реалізаційна складність (не вистачає ресурсів для достовірного прогнозу поведінки системи і розрахунку її параметрів, або їх проведення дуже ускладнено), складність еволюції (процес еволюції чи самоорганізації нестійкий і важко передбачуваний); структурно-організаційна складність (не вистачає ресурсів для описання, моделювання і управління структурою).

За способом управління системою (в системі): ті, що керуються ззовні; ті, що керуються з середини (самокеровані, саморегульовані); з комбінованим управлінням.

За ступенем організованості: добре організовані системи; погано організовані(дифузні) системи; системи, що самоорганізуються.

За типом описання законів функціонування системи: типу «Чорний ящик» (закон функціонування системи повністю невідомий: відомі тільки вхідні і вихідні повідомлення); не параметризовані (закон не описано, відомі лише деякі апріорні якості закону); параметризовані (закон функціонування відомий з точністю до параметрів і його можна віднести до деякого класу залежностей); типу «Білий ящик» (закон повністю відомий).

За описанням змінних системи: з якісними змінними (мають лише змістовний опис); з кількісними змінними (змінні описуються дискретно чи неперервно кількісним чином); змішаного описання (кількісно-якісного).

Треба обов’язково пам’ятати, що виділені класи потрібно розглядати як підходи до відображення об’єкту з точки зору вирішуваної проблеми, які можуть вибиратися в залежності від стадії пізнання об’єкту і можливості отримання інформації про нього.

Мета любої класифікації – обмежити вибір підходів до відбиття системи і співставити виділеним класам відповідні прийоми і методи системного аналізу. При цьому система, в принципі, може бути охарактеризована декількома признаками, тобто їй може бути надано місце відразу в декількох класифікаціях, кожна з яких може бути корисною при виборі методів моделювання.

Якщо технічні комплекси, зокрема АСУ ТП, розглядати як систему, то можна виділити наступні найбільш характерні риси:

1. Цілісність, функціональна єдність (спільна ціль (мета), призначення
тощо).

2. Складна ієрархічна будова технічної системи.

3. Велике мірило (масштаб) по типу частин, об’єму виконуваних функцій, абсолютній вартості.

4. Складність (поліфункціональність) поведінки.

5. Високий ступінь автоматизації.

6. Нерегулярне, стохастичне в часі (випадкове), тобто ймовірностне надходження зовнішніх впливів (дій, факторів).

7. Багатокритеріальність, як фактор протиріч (конкурентність окремих частин) технічної системи.

8. Наявність (присутність) зв'язків (негативних, позитивних, однопланових, багатовекторних).

9. Багатоаспектність (технічна, соціальна, психологічна тощо).

10. Відсутність тісного зв'язку між причиною та наслідками, як у часі, так і у просторі.

11. Нелінійність.

 

Питання та завдання для самоконтролю.

 

1. Що являє собою системний підхід при аналізі і створенні складних систем?

2. Назвіть характерні риси АСУ ТП, як системи.

3. Що таке організація і самоорганізація в системі?

4. За якими ознаками класифікуються системи? Наведіть приклади.

5. Що таке системний аналіз? В чому полягають основні завдання системного аналізу при вирішенні системних задач?

6. Назвіть принципи, яких необхідно дотримуватись при вирішенні складних системних проблем.