Состояние системы и процессы в системе

Введем понятия состояния и процесса в системе. Для этого сначала рассмотрим некоторый выделенный элемент. Что с ним может произойти? Он может быть помещен в систему, исключен из системы, перемещен в ней с одного места да другое. Кроме того, могут быть изменены его связи. Все эти ситуации относятся к изменению структуры системы.

Но возможны преобразования другого рода. Любой элемент обладает рядом свойств, характеристик, которые тоже могут меняться в процессе рассмотрения системы. Вследствие этого могут измениться свойства, характеристики группы элементов, модуля и системы целиком.

Зафиксируем все значения характеристик в системе, важных для целей рассмотрения. Такую ситуацию назовем состоянием системы.

Пусть теперь хотя бы одна такая характеристика изменилась. Это будет новое состояние системы. Аналогично можно рассмотреть третье – и т.д. – состояния, т.е. их набор. Но набор состояний – это еще не процесс. Пусть выбран некоторый физический параметр (чаще всего время) – такой, что различные состояния соответствуют разным его значениям.

Процессом назовем набор состояний системы, соответствующий упорядоченному непрерывному или дискретному изменению параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.

Процесс движения (изменения) системы во времени называют динамикой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, другие физические величины. В качестве параметра иногда выступают линейные и угловые координаты (пример: процесс изменения атмосферы с высотой) и даже скорости. Однако более типично отнесение этих величин к характеристикам системы, которые сами зависят, например, от времени.

Процессы в системе могут играть различную роль. В системе автоматизированного проектирования процесс проектирования как движение от технического задания до рабочих чертежей является основной функцией системы. И в целом функционирование сложной системы обычно является процессом. Однако в том же проектировании необходимо учитывать целый ряд внутренних процессов: если что-то двигается, то уравнения движения; если идут химические превращения, то ход реакции. Таким образом, типичен учет процессов в системе как способ получения зависимостей выходов от входов в модулях разных иерархических уровней. При этом неважно, способствует ли в целом данный процесс выполнению системой ее функции или препятствует этому. К последнему случаю относятся, например, процессы износа, старения, а также действия противоположной стороны в игровых ситуациях.

ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ И УПРАВЛЕНИЕ

Обсудим теперь понятия, связанные с постановкой перед системой некоторой сформулированной цели. Системы при этом называют целенаправленными, такими будут искусственные системы.

Понятие цели системы определим как задачу получения желаемого выходного воздействия или достижения желаемого состояния системы. Двоякая трактовка цели – через выходное воздействие или через состояние системы – очень удобна в приложениях.

Выбор глобальной цели для системы влечет необходимость:

1) формулировки локальных целей, стоящих перед элементами системы и группами элементов;

2) целенаправленного вмешательства в функционирование системы.

Обе операции тесно связаны, хотя с точки зрения практики сначала разбивают глобальную цель на ряд локальных, а потом ищут пути достижения локальных целей.

Набор локальных целей, как правило, сам имеет иерархическое многоуровневое строение и в той или иной степени соответствует общей иерархии в системе. В этом случае понятие «локальные цели» есть собирательный термин для целей всех иерархических уровней; для любой из них можно указать, в какую цель более высокого уровня она входит и (кроме целей самого низшего уровня) на что она дробится сама.

При модульном строении системы локальные цели выступают как требования к выходам модулей. Именно продуманные требования на выходы согласовывают модули так, что состоящая из них система выполняет глобальную цель. Таким образом, локальные цели выступают важным регулятором организации частей и элементов в целенаправленную систему, а их согласование направляет проводимые в системе изменения в единое русло.

Заметим, что согласование обычно является сложной, плохо формализуемой процедурой. При этом конкретная локальная цель может получаться такой, что затруднит выполнение соседней цели, и лишь компромисс между ними даст продвижение к глобальной цели.

Управление системами

Целенаправленное вмешательство в процесс в системе назовем управлением. Управление – самое важное понятие для целенаправленных систем. Оно естественным образом связано с постановкой целей: именно возможность вмешательства, выбора, альтернативы делает процесс в системе вариативным, а один или более из этих вариантов ведущим к достижению цели.

Управление – универсальный термин в смысле огромного многообразия его конкретных реализаций: в математических моделях можно выбирать числа, функции, алгоритмы, графовые структуры; в технических системах – силы, геометрические размеры, различные сигналы, включая команды ЭВМ, физические величины – от температуры до жесткости материала, концентрации и перемещения веществ; в экономике – размеры финансирования, материальные ресурсы и сроки их поставки, расстановку кадров; в социальной области – приказы, советы, действия, влияние на общественное мнение, организацию новых коллективов. Подчеркнем, что здесь перечислена лишь малая доля того, чем в целях управления можно распоряжаться в сложной системе.

Управление – чрезвычайно широкий и свободный в употреблении термин. Строгий подход к управлению требует четкого, однозначного определения:

· того, чем распоряжаемся;

· каковы пределы, в которых можно выбирать;

· каково влияние данного управления на процесс.

Но на практике по всем перечисленным требованиям могут быть неясности, а двумя последними иногда вовсе пренебрегают. Это может приводить, в частности, к тому, что управление не будет вести к цели. Такое положение возможно и в строгой трактовке управления, когда отсутствует описание процесса в системе. В этом случае просто набирается опыт работы с «черным ящиком».

Наконец, следует сказать, что в случае, когда исходят из цели (что чаще всего и бывает), может быть ситуация, при которой не существует управления, обеспечивающего ее достижение. Тогда пробуют расширить пределы, в которых выбирается управление, ввести новые управляющие воздействия (т.е. еще что-то разрешить менять), иногда кардинально изменяют структуру системы. В этой ситуации цель не лежит в области достижимости, которая обеспечивается имеющимися управлениями, и надо либо расширять эту область, либо переместить в ее направлении цель.

Краткий анализ понятия управления завершим указанием на то, что источником, формирующим управляющие команды, могут быть:

· технические средства (управляющие и другие ЭВМ, микропроцессоры, программные устройства, регуляторы, следящие, стабилизирующие, компенсирующие системы и др.);

· действия и решения человека (оператора, водителя, диспетчера, эксперта администратора, ответственного лица и др.).

Оба эти источника обладают как рядом общих свойств, определяемых их воздействующим характером на процессы в системе, так и существенными отличиями. Оба источника имеют свои достоинства и недостатки. Поэтому их полезно использовать совместно. Такие объекты принято называть автоматизированными системами управления (АСУ). Современную тенденцию в развитии АСУ можно определить, как поручение техническим средствам формировать все те управляющие воздействия и выполнять все те сопутствующие операции, которые они делают качественнее и быстрее человека.

ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Системным подходом, понимаемым как часть методологии системного анализа, называется применение ряда методологических положений (принципов) общего характера к исследованию систем. Известно около двух десятков таких принципов, связанных с необходимостью изучать систему комплексно, в ее разумной полноте, связности, организованности.

Что же такое системность, что означает слово «системный», применяемое вместе с большим количеством терминов и понятий?

Поиски ответа на этот вопрос приводят нас к убеждению, что сложный объект надо рассматривать и как целое, и как состоящее из отдельных частей. Нужно исследовать предмет с разных сторон и точек зрения, вдаваться в его внутреннее строение и организацию...

Все это приводит к формулировке положений, которые принято называть принципами системного подхода, то есть к утверждениям, обобщающим опыт работы человека со сложными системами:

· принцип конечной цели: абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели;

· принцип единства: совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей (элементов);

· принцип связности: рассмотрение любой части совместно с ее связями с окружением;

· принцип модульного построения: полезно выделение модулей в системе и рассмотрение ее как совокупности модулей;

· принцип иерархии: полезно введение иерархии частей (элементов) и (или) их ранжирование;

· принцип функциональности: совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой;

· принцип развития: учет изменяемости системы, ее способности к развитию, расширению, замене частей, накапливанию информации;

· принцип децентрализации: сочетание в принимаемых решениях и управлении централизации и децентрализации;

· принцип неопределенности: учет неопределенностей и случайностей в системе.

Отметим, что хотя все перечисленные принципы так или иначе затрагиваются практически при любом изложении системного подхода, их формулировки пока не являются общепринятыми.

Рассмотрим введенные принципы более подробно.

Принцип конечной цели

Первый из принципов – принцип конечной цели – означает, что в целенаправленной системе все должно быть подчинено глобальной цели. Любая попытка изменения, совершенствования и управления в такой системе должна оцениваться с точки зрения того, помогает или мешает она достижению конечной цели. Это накладывает особую ответственность на выбор цели и ее четкую трактовку.

Расплывчатые, не полностью определенные конечные цели влекут за собой неясности в структуре и управлении системой, и неверные действия в системе. Такие действия могут быть и следствием неверия в конечную цель или в возможность ее достижения.

В несколько измененной трактовке принцип конечной цели применяют и к системам, которые не являются целенаправленными. В этом случае понятие конечной цели заменяют понятиями основной функции, основного назначения, свойства системы. При этом принцип указывает, что изучение и работа с системой должны вестись на базе первоочередного уяснения этих понятий.

 

Принцип единства и связи

Следующие два принципа: принцип единства и принцип связности, обладают довольно тесной взаимосвязью и иногда даже объединяются в один принцип единства и связи. Однако, существуют причины, по которым их полезно рассматривать отдельно.

Во-первых, принцип единства – это ориентация на «взгляд вовнутрь» системы или ее части, а принцип связи – на «взгляд изнутри». В разные моменты исследования полезна либо та, либо другая ориентация.

Во-вторых, рекомендуемое в принципе единства расчленение системы с сохранением целостных представлений о ней на практике довольно резко отличается от процедуры выявления всевозможных связей, рекомендуемой в принципе связности.

Наконец, процедура выявления связей, примененная ко всей системе целиком, приводит к принципу учета внешней среды, который упоминают в литературе, но который, как следует из вышесказанного, не считают самостоятельным.