Морфологическое описание систем

Состав элементов Морфологическое описание системы должно давать представление о строении системы, ее подсистемах и элементах. Оно не может быть исчерпывающим. Глубина описания, уровень детализации, т.е. выбор элементов, внутрь которых описание не проникает, определяется назначением описания. Морфологическое описание иерархично. Конкретизация морфологии дается на стольких уровнях, сколько их требуется для создания представления об основных свойствах системы. В иерархии описания может существовать такая ступень, где прежние описания, применявшиеся на более высоких ступенях, становятся непригодными и необходимо применить принципиально новый способ описания. Изучение морфологии начинается с элементного состава (рис. 2.). Под элементом в данном случае понимается подсистема, внутрь которой описание не проникает. Элементный состав может быть гомогенным (содержать однотипные элементы), гетерогенным (содержать разнотипные элементы) и смешанным. Однотипность не означает полной идентичности и определяет только близость основных свойств. Гомогенности, как правило, сопутствуют избыточность и наличие скрытых возможностей, дополнительных, неиспользованных ресурсов. Гетерогенные элементы специализированы. Они экономичны и могут быть эффективными в узком диапазоне внешних условий, но быстро теряют эффективность вне этого диапазона. Гомогенные системы стоят выше гетерогенных по уровню организации. Иногда элементный состав определить не удается, и его считают неопределенным.

Свойства элементов Важным признаком морфологии является назначение (свойства) элементов. Выделяют информационные, энергетические и вещественные элементы. Передача информации требует энергии, перенос энергии невозможен без информации. Важно отметить, что преобладает. Расход энергии в системах электрической связи ничтожен по сравнению с переносом энергии по линиям электропередачи, а количество информации, которое переносится силовыми потоками электронов, ничтожно по сравнению с тем, которое передается средствами связи. Информационные элементы предназначены для приема, запоминания и преобразования информации. Это преобразование может состоять: 1. В изменении вида энергии, который несет информацию. Например, электромагнитная энергия световых лучей, несущих изображение, преобразуется в электрическую энергию при помощи кинескопа или глаза.

2. В изменении способа кодирования информации. Например, музыкальный код преобразуется в код электрических импульсов, которые передаются от уха в головной мозг.

3. В сжатии информации сокращением избыточности. Например, уменьшение разрешающей способности, отбор признаков.

4. В принятии решения (распознавание, выбор поведения).

Пример. Столкновение молекул может привести к изменению направления и скорости их движения (энергетическое и информационное преобразование), к химической реакции (изменение вещества, преобразование энергии и информации), но может ни к чему не привести. Предусмотреть результат действия молекул можно только в статистическом виде, а когда речь идет об элементе, состоящем из двух или нескольких молекул, предусмотреть их исход невозможно. Точно так же невозможно предусмотреть и определить назначение таких элементов, как атом твердого тела, планета в Солнечной системе или звезда в Галактике.

Морфологические свойства системы существенно зависят от характера связей. Выделим информационные, энергетические и вещественные связи, определив их в том смысле, в каком были определены информационные, энергетические и вещественные свойства. Энергетические связи предназначены для переноса энергии между элементами, а информационные – для переноса информации. Связи для передачи материала переносят вещество, но одновременно энергию и информацию, так что характер связи определяется удельным весом соответствующего компонента.

Возможны и смешанные связи. Выделим прямые, обратные и нейтральные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или комбинаций от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью выполняемых функций. Качество связи определяется ее пропускной способностью и надежностью. Обратные связи в основном имеют функцию управления процессами. Наиболее распространены информационные обратные связи. Обратная связь предполагает некоторое преобразование компонента, поступающего по прямой связи, и передачу результата преобразования обратно, т.е. в направлении, противоположном функциональной последовательности (и прямой связи) к одному из предыдущих элементов системы. Преобразование может быть тождественным (информации в информацию) или нетождественным (изменение состава вещества преобразуется в информацию или энергию).

Определение. Морфологическое описание есть четверка: SM={S, V,?, K}, где S={Si}i – множество элементов и их свойств (под элементом в данном случае понимается подсистема, вглубь которой морфологическое описание не проникает); V ={Vj}j – множество связей;? - структура; К – композиция.

Все множества считаем конечными.

Будем различать в S: Состав: гомогенный, гетерогенный, смешанный (большое количество гомогенных элементов при некотором количестве гетерогенных); неопределенный.

Свойства элементов: информационные, энергетические, информационно-энергетические, вещественно-энергетические, неопределенные (нейтральные).

Будем различать во множестве V: Назначение связей: информационные, вещественные, энергетические.

Характер связей: прямые, обратные, нейтральные.

Будем различать в?: Устойчивость структуры: детерминированная, вероятностная, хаотическая.

Построения: иерархические, многосвязные, смешанные, преобразующиеся.

Будем различать во множестве К: Композиции: слабые, с эффекторными подсистемами, с рецепторными подсистемами, с рефлексивными подсистемами, полные, неопределенные.

Морфологическое описание, как и функциональное, строится по иерархическому (многоуровневому) принципу путем последовательной декомпозиции подсистем. Уровни декомпозиции системы, уровни иерархии функционального и морфологического описания должны совпадать. Морфологическое описание можно выполнить последовательным расчленением системы. Это удобно в том случае, если связи между подсистемами одного уровня иерархии не слишком сложны. Наиболее продуктивны (для практических задач) описания с единственным членением или с небольшим их числом. Каждый элемент структуры можно, в свою очередь, описать функционально и информационно. Морфологические свойства структуры характеризуются временем установления связи между элементами и пропускной способностью связи. Можно доказать, что множество элементов структуры образует нормальное метрическое пространство. Следовательно, в нем можно определить метрику (понятие расстояния). Для решения некоторых задач целесообразно введение метрики в структурном пространстве