1. Система как часть окружающей среды

2. Система как совокупность элементов

3. Структуры, виды и формы их представления

 

1. Система как часть окружающей среды

В окружающем нас мире все системно. Человеческое об­щество, выступая как часть природы, также образует собой систему, конечно значительно меньшего уровня сложности, со своими законами развития. Системами являются коллектив учащихся класса, студенческая группа, коллектив фирмы, население крупного города. Примером хорошо организованных и продуманных си­стем являются толковые школьные и вузовские учебни­ки, лаборатории, кабинеты учебных дисциплин. Транс­портные сети, жилые кварталы, библиотеки также образуют системы. Каждая система образована по опре­деленным правилам, живет своей жизнью, подчиняется своим законам.

Система является частью окружающей среды, и одна из первых задач системного анализа — выделение системы из окру­жающей среды.

Для выделения системы требуется наличие:

v  объекта исследования;

v  цели, для реализации которой формируется система;

v  субъекта наблюдения ("наблюдателя"), формирующего систему;

v  характеристик, отражающих взаимосвязь системы с окру­жающей средой (входные и выходные переменные).

Как видим, границы системы условны — они диктуются конк­ретной задачей исследования.

Пример. Границы системы "корпорация" в одном случае могут быть опре­делены списочным составом постоянного персонала, в другом - постоянным пер­соналом и всеми акционерами компании, в третьем случае эти пределы расши­ряются за счет всех временно привлекаемых специалистов, экспертов, консультантов и т. д. Затем можно расширить эти границы за счет всех поставщи­ков компании, ее потребителей и любых иных субъектов, каким-либо образом с ней связанных.

Частным случаем выделения системы является определение ее через входы и выходы, т. е. фактически представление ее в виде "черного ящика".

Необходимо обратить внимание на субъективный характер понятия "система". Система не существует объективно — она такая, какой ее определил субъект наблюдения в соответствии с поставленной целью. Это связано, в частности, и с субъективнос­тью целеформирования.

В связи с этим нельзя говорить об анализе предприятия как системы, не определив цели анализа. Ведь на предприятии можно выделить много систем: систему оплаты труда, систему техники безопасности, систему хранения материальных ценностей, финан­совую систему, систему производства, систему снабжения и т. д. Так что же такое предприятие? Это система вышеназванных сис­тем. Аналогично можно рассматривать человека как совокупность систем: можно говорить о нервной, мышечной, зрительной, крове­носной и других системах. Поэтому бессмысленное занятие — обследовать предприятие или человека вообще.

 

 

2. Система как совокупность элементов

Система — совокупность (множество) объектов и про­цессов, называемых элементами, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, которые обра­зуют единое целое, обладающее свойствами, не при­сущими составляющим его элементам, взятым в от­дельности.

Следовательно, система должна состоять, по крайней мере, из двух элементов. Кроме того, каждый элемент системы прямо или косвенно связан с другими элементами.

Систему можно описать в виде множества элементов, связей и их свойств.

Элемент системы — объект, выполняющий определен­ные функции и не подлежащий дальнейшему разде­лению в рамках  поставленной задачи.

Примеры элементов системы: атомы, звезды, электронные приборы, газы, переменные, уравнения, правила и законы, технологические процессы, производственные подразделения, станки и т. д.

Всякое свойство относительно. По отношению к дереву же­лезо твердое, а по отношению к алмазу оно мягкое. Свойства — качества элементов, дающие возможность количественного описания системы, выражения ее в оп­ределенных величинах.

Каждая вещь обладает бесчисленным количеством свойств, совокупность которых означает ее качество. Для каждого конкрет­ного исследования существенны только некоторые из них. Следова­тельно, существенность тех или иных свойств может меняться с из­менением цели исследования.

Свойства вещей присущи самим вещам, т. е. объективны. От­делить их от вещей можно лишь мысленно.

В системном анализе большое внимание уделяется так назы­ваемым интегративным свойствам — свойствам, которые отлича­ют систему как целостность (не сводятся к сумме свойств ее эле­ментов).

Связи — это то, что объединяет элементы и свойства системы в целое.

Отношение взаимной зависимости, обусловленности, общности между элементами системы, которое мо­жет быть механическим (обмен усилиями), трофи­ческим (обмен энергией) и сигналами (обмен информа­цией), называется связью (взаимосвязью) элементов.

Связи можно охарактеризовать направлением (направленные и ненаправ­ленные), силой (сильные и слабые), характером (связи подчинения, связи порождения (генетические), рав­ноправные (безразличные), связи управления).

Для кибернетических моделей систем, в которых связи услов­но считаются однонаправленными, более адекватным является та­кое определение.

Связь — это способ взаимодействия входов и выходов элементов.

В свете такого определения связи делятся на прямые и обрат­ные (рис. 1).

Прямой называется связь между выходом одного эле­мента и входом другого, обратной — связь между выходом и входом одного и того же объекта. Причем обратная связь может быть осуществлена непосредствен­но (рис. 1, б) или при помощи других элементов системы (рис. 1, в).

                                    а                             б                           в

Рис. 1. Прямая (а) и обратная связь (б и в) между элементами

Различают положительную (усиливающую) и отрицатель­ную (уравновешивающую) обратные связи.

Обратная связь, уменьшающая влияние входного воз­действия на выходную величину, называется отри­цательной, а увеличивающая это влияние - поло­жительной.

В общем случае положительная (усиливающая) обратная связь усили­вает тенденцию изменения выхода системы, а от­рицательная (уравновешивающая) — ее уменьшает.

Таким образом, отрицательная обратная связь способствует восстановлению равновесия в системе, нарушенного внешним воз­действием или некими внутренними причинами, а положительная - усиливает отклонение от равновесного состояния по сравнению с его величиной в системе без такой обратной связи.

Отрицательные обратные связи само-корректируются. 

Положительные обратные связи само-усиливаются.

Чем сильнее она действует, тем больше получает подкрепления и тем еще сильнее действует. Чем больше людей заболели гриппом, тем больше они заразят других. Чем больше детей родилось, тем больше людей вырастет и родит других детей. Чем больше денег у вас в банке, тем больше дивидендов вы получите и тем больше денег вы будете иметь в банке. Чем больше эрозия почвы, тем меньше растений может на ней расти, тем меньше корней и листьев, смягчяющих удары дождевых капель и ветров, тем больше почва подвергается эрозии. Чем больше высокоэнергетических нейтронов, тем больше они разбивают атомных ядер и тем больше их появляется.

Положительные обратные связи — это источники роста, взрыва, разрушения и коллапса в системах. Система с неконтролируемой положительной обратной связью в конце концов разрушается. Вот почему они встречаются не так часто. Обычно рано или поздно вмешивается отрицательная обратная связь. Эпидемия охватывает всех способных к заражению людей и останавливается – или люди предпринимают все более активные усилия, чтобы избежать заражения. Уровень смертности поднимется до уровня рождаемости – или люди столкнутся с последствиями неконтролируемого роста населения и это приведет к снижению рождаемости. Почва полностью выветрится до скальной породы – или люди ограничат использования земли под пастбища, соорудят заграждающие дамбы, посадят деревья и остановят эрозию.

Во всех этих примерах первый результат – это то, что происходит, если положительная обратная связь развивается бесконтрольно, а второй – если предприняты меры для ограничения её само-усиления, умножения. Снижение степени умножения в петле положительной обратной связи, замедление роста, обычно является более значимой чувствительной точкой системы, нежели усиление отрицательных обратных связей и гораздо более предпочтительно, чем бесконтрольные положительные обратные связи.

Темпы роста населения и экономики являются чувствительными точками, потому что замедление роста дает множеству отрицательных петель – технологиям, рыночным механизмам и другим формам адаптации, каждая из которых имеет свои ограничения и запаздывания – запас времени на срабатывание. Точно также, лучше замедлить автомобиль, когда вы едете слишком быстро, чем полагаться на все быстрее реагирующие тормоза и на новые технологические наработки в системе управления.

Другой пример: многие положительные обратные связи в обществе вознаграждают победителей соревнования дополнительными ресурсами так что в следующий раз они побеждают в еще большем масштабе. Системщики называют это петлей "от успеха к успешности". Богатые люди собирают дивиденды, бедные их платят. Богатые люди платят финансистам и опираются на политиков, чтобы снизить свои налоги, бедные люди не могут. Богатые люди оставляют своим детям наследство и дают им хорошее образование, дети бедных не имеют ни того ни другого. Программы борьбы с бедностью представляют собой слабые отрицательные обратные связи, которые пытаются бороться с сильными положительными обратными связями. Было бы гораздо эффективнее ослаблять сами положительные связи. Для этого и нужны прогрессивные системы налогообложения, налоги на наследство и универсальные программы качественного публичного образования. (Но если богатые смогут купить правительство и ослабить эти меры, тогда правительство вместо того, чтобы компенсировать петли "от успеха к успешности" становится лишь еще одним инструментом их усиления!)

Самое интересное поведение, которое может появиться в результате быстрого запуска положительной обратной связи это хаос . Это непредсказуемое, нерегулярное, но ограниченное поведение случается, когда система начинает меняться гораздо быстрее, чем на это могут отреагировать ее петли отрицательной обратной связи. Например, если вы придерживаетесь модели ускоряющегося темпа роста капитала в мире, в конце концов вы придете к точке, в которой еще небольшое дополнительное увеличение переведет экономику из экспоненциального роста к осцилляциям. Еще один маленький толчок вперед дает удвоение интенсивности осцилляций. И, наконец, даже малейший дополнительный толчок приведет систему в хаос.

Я не ожидаю, что мировая экономика войдет в хаос в обозримом будущем (во всяком случае, не по этой причине). Подобное поведение появляется только в нереалистичных диапазонах параметров, эквивалентных удвоению объема экономики каждый год. Однако, реальные системы могут становиться хаотическими, если что-то внутри них растет или уменьшается слишком быстро. Быстро размножающиеся бактерии или популяции насекомых, очень заразные эпидемии, спекулятивные пузыри в денежных системах, потоки нейтронов в недрах атомных электростанций – все эти системы могут быть хаотическими. Контроль в них должен быть основан на снижении интенсивности положительных обратных связей.

В обычных системах ищите чувствительные точки в темпах рождаемости, в процентных ставках, в темпах эрозии, в петлях "от успеха к успешности" – всюду, где чем больше вы имеете, тем больше возможностей иметь еще больше.

Обратная связь является основой саморегуляции, развития системы, приспособления ее к меняющимся условиям существова­ния. Весь наш жизненный опыт состоит из циклов обратной связи.

Примеры положительной обратной связи: раковое заболевание, рост жи­вых клеток, накопление знаний, распространение слухов, уверенность в себе, эпидемия, ядерная реакция, паника, рост коралловых рифов.

Примеры отрицательной обратной связи: воздушный кондиционер, темпе­ратура тела, процентное содержание сахара в крови, кровяное давление, выздоровление, езда на велосипеде, хищники и жертвы, спрос и предложение на рын­ке, регулирование ассортимента.

 

3. Структуры, виды и формы их представления

3.1. Понятие структуры. Типы структур

При анализе систем значительный интерес представ­ляет изучение их структуры. Структура отражает наиболее существенные, устойчивые связи между эле­ментами системы и их группами, которые обеспечива­ют основные свойства системы. Иначе говоря, структу­ра — это форма организации системы, скелет, костяк су­ществования системы. Вместе с тем структура системы может претерпевать определенные изменения в зависи­мости от факторов (причин) внутренней или внешней природы, от времени. Одна и та же система может быть представлена разными струк­турами в зависимости от стадии познания объектов или процессов, от аспекта их рассмотрения, цели создания.

Рассмотрим ряд типовых структур систем, использующихся при описании организационно-экономических, производственных и технических объектов.

Линейная (последовательная) структура (рис. 2) характери­зуется тем, что каждая вершина связана с двумя соседними. При выходе из строя хотя бы одного элемента (связи) структура разру­шается. Примером такой структуры является конвейер.

О-О-О-О-О-О-О

Рис. 2. Линейная структура

Кольцевая структура (рис. 3) отличается замкнутостью, лю­бые два элемента обладают двумя направлениями связи. Это по­вышает скорость общения, делает структуру более живучей.

Сотовая структура (рис. 4) характеризуется наличием резерв­ных связей, что повышает надежность (живучесть) функциониро­вания структуры, но приводит к повышению ее стоимости.

                                                                              

                 Рис. 3. Кольцевая структура       Рис. 4. Сотовая структура

Многосвязная структура (рис. 5) имеет структуру полного графа. Надежность функционирования максимальная, эффективность функционирования высокая за счет наличия кратчайших пу­тей, стоимость — максимальная.

Рис. 5. Многосвязная структура

Звездная структура (рис. 6) имеет центральный узел, кото­рый выполняет роль центра, все остальные элементы системы яв­ляются подчиненными.

Рис. 6. Звездная структура

Графовая структура (рис. 7) используется обычно при описа­нии производственно-технологических систем.

Рис. 7. Графовая структура

Сетевая структура (сеть) — разновидность графовой структу­ры, представляющая собой декомпозицию системы во времени.

 

Рис.8.Сетевая структура

Например, сетевая структура может отображать порядок дей­ствия технической системы (телефонная сеть, электрическая сеть и т. п.), этапы деятельности человека (при производстве продукции — сетевой график, при проектировании — сетевая модель, при планиро­вании — сетевая модель, сетевой план и т. д.).

Для анализа сложных сетей существует математический аппарат теории графов, прикладная теория сетевого планирования и управления.

Иерархическая структура получила наиболее широкое рас­пространение при проектировании систем управления, чем выше уровень иерархии, тем меньшим числом связей обладают его эле­менты. Все элементы кроме верхнего и нижнего уровней обладают как командными, так и подчиненными функциями управления.

Иерархические структуры представляют собой декомпозицию си­стемы в пространстве. Все вершины (узлы) и связи (дуги, ребра) суще­ствуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени).

Иерархические структуры, в которых каждый элемент ниже­лежащего уровня подчинен одному узлу (одной вершине) вышестоящего (и это справедливо для всех уровней иерархии), называют древовидными структурами (структурами типа "дерева"; иерархическими структурами с сильными связями) (рис. 9, а).

Наибольшее распространение имеют древовидные иерархические структуры, с помощью которых представляются конструкции сложных технических изделий и комплексов (рис.9,б), структуры классификаторов и словарей, структуры целей и функций, производственные структуры (рис. 9,в), организационные структуры предприятий.

Структуры, в которых элемент нижележащего уровня может быть подчинен двум и более узлам (вершинам) вышестоящего уров­ня, называют иерархическими структурами со слабыми связями (рис. 9, г).

а б  в г

                                                                                      

Рис. 9. Иерархические структуры

В виде иерархических структур представляются конструкции сложных технических изделий и комплексов, структуры классифи­каторов и словарей, структуры целей и функций, производствен­ные структуры, организационные структуры предприятий.

В иерархических структурах важно лишь вы­деление уровней соподчиненности, а между уровнями и компонен­тами в пределах уровня могут быть любые взаимоотношения. В соответствии с этим существуют структуры, использующие иерар­хический принцип, но имеющие специфические особенности, и их целесообразно выделить особо.

В общем случае термин иерархия (соподчиненность) означает порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим, широко применяется для характеристик взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т.д., кроме того, концепция иерархии распространяется на любой согласованный по подчиненности порядок объектов. Поэтому, в принципе, в иерархических структурах важно лишь выделение уровней соподчинения, а между уровнями и между компонентами в пределах уровня могут быть любые взаимоотношения. В связи с этим существуют структуры, использующие иерархические принципы, но имеющие специфические особенности.

 

3.2. Оценка структур

При выборе того либо иного варианта структур целесообразно использовать некоторые показатели эффективности, например,: оперативность, централизацию, периферийность, живу­честь, объем.

Оперативность оценивается временем реакции системы на воз­действие внешней среды либо скоростью ее изменения и зависит в основном от общей схемы соединения элементов и их расположения.

Централизация определяет возможность выполнения одним из элементов системы руководящих функций. Численно централи­зация определяется средним числом связей центрального (руково­дящего) элемента со всеми остальными.

Периферийность характеризует пространственные свойства структур. Численно периферийность характеризуется показателем "центра тяжести структуры", при этом в качестве единичной оценки меры связности выступает "относительный вес" элемента структуры.

Живучесть системы определяется способностью сохранять основные свойства системы при повреждении ее части. Этот показатель может характеризоваться относительным числом элементов (или связей), при уничтожении которых показатели системы не выходят за допустимые пределы.

Объем является количественной характеристикой структуры и определяется обычно общим количеством элементов либо их сред­ней плотностью.

 

3.3. Система как средство достижения цели

В соответствии с имеющимися потребностями люди предъяв­ляют определенные требования к состоянию окружающей среды. Но поскольку естественное состояние окружающей среды не всегда удовлетворяет человека, то возникает необходимость создавать ис­кусственные системы, обеспечивающие потребности населения.

В общих чертах деятельность по достижению поставленной цели направлена на отбор из окружающей среды объектов, свойства которых можно использовать для достижения цели, и на объедине­ние этих объектов надлежащим образом, т. е. создание системы. Таким образом, система есть средство достижения цели.

 

Термины по теме:

1.   Система — совокупность (множество) объектов и про­цессов, называемых элементами, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, которые обра­зуют единое целое, обладающее свойствами, не при­сущими составляющим его элементам, взятым в от­дельности.

2.   Элемент системы — объект, выполняющий определен­ные функции и не подлежащий дальнейшему разде­лению в рамках  поставленной задачи.

3.   Свойства — качества элементов, дающие возможность количественного описания системы, выражения ее в оп­ределенных величинах.

4.   Структура отражает наиболее существенные, устойчивые связи между эле­ментами системы и их группами, которые обеспечива­ют основные свойства системы.

5.   Линейная (последовательная) структура характери­зуется тем, что каждая вершина связана с двумя соседними. При выходе из строя хотя бы одного элемента (связи) структура разру­шается.

6.   Оперативность оценивается временем реакции системы на воз­действие внешней среды либо скоростью ее изменения и зависит в основном от общей схемы соединения элементов и их расположения.

7.   Централизация определяет возможность выполнения одним из элементов системы руководящих функций. Численно централи­зация определяется средним числом связей центрального (руково­дящего) элемента со всеми остальными.

8.   Периферийность характеризует пространственные свойства структур. Численно периферийность характеризуется показателем "центра тяжести структуры", при этом в качестве единичной оценки меры связности выступает "относительный вес" элемента структуры.

9.       Живучесть системы определяется способностью сохранять основные свойства системы при повреждении ее части. Этот показатель может характеризоваться относительным числом элементов (или связей), при уничтожении которых показатели системы не выходят за допустимые пределы.

10.   Объем является количественной характеристикой структуры и определяется обычно общим количеством элементов либо их сред­ней плотностью.

 

 

Вопросы к теме:

1.   Понятие структуры

2.   Типы структур

3.   Сетевая структура (сеть)

4.   Иерархическая структура

5.   Оценка структур

6.   Система как средство достижения цели

7.   Система как часть окружающей среды

8.   Система как совокупность элементов

9.   Связи в системах

 

 

Литература по теме:

Силич, М.П. Основы теории систем и системного анализа: учебное пособие / М.П. Силич, В.А. Силич; Министерство образования и науки Российской Федерации, Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР). - Томск: ТУСУР, 2013. - 340 с.: ил. - Библиогр.: с. 333-337. - ISBN 978-5-86889-663-7; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=480615 (24.07.2019).

  

Задание 

Стр. 3-8 составить эссе «Основные направления системных исследований»

Силич, М.П. Основы теории систем и системного анализа: учебное пособие / М.П. Силич, В.А. Силич; Министерство образования и науки Российской Федерации, Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР). - Томск: ТУСУР, 2013. - 340 с.: ил. - Библиогр.: с. 333-337. - ISBN 978-5-86889-663-7; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=480615 (24.07.2019). стр 3-8.

 

 тп