Основные свойства и структура системы

Лекция 2

1. Характеристика основных свойств системы.

Понятие сложной системы.

2. Структура системы. Структуризация (декомпозиция) системы.

1. Помимо рассмотренных ранее видов классификации систем существует классификация систем по степени организации:

- хорошо организованные системы;

- плохо организованные или диффузные системы;

- самоорганизующиеся системы.

При этом классы практически следует рассматривать как подходы к отображению объекта или решаемой задачи, которые могут выбираться в зависимости от стадии познания объекта и возможности получения информации о нем. Выбор классификационного признака и вида системы во мно­гом зависит от цели решаемой задачи.

В таблице слайдов 2-4 представлена характеристика основных свойств системы. Каждая из систем обладает определенными свойствами. Все свойства могут быть подразделены на ряд подгрупп:

- свойства сущности и структуры;

- методологические свойства;

- свойства функционирования и развития.

Характеристика основных свойств системы

Сложная система. Термины «большая система» и «сложная система» «большая техническая система» часто используются как синонимы. Некоторые исследователи связыва­ли и связывают сложность с числом элементов.

В зависимости от числа элементов, входящих в систему, некоторые авторы выделяют четыре класса систем (слайд 5):

- малые системы (10 - 10³ элементов);

- сложные (10⁴ - 10⁶ элементов);

- ультрасложные (10⁷ - 10³⁰ элементов);

- суперсистемы (10³⁰ - 10²⁰⁰ элементов).

В то же время существует точка зрения, что большие и сложные системы - это разные классы систем. При этом некоторые авторы связывают понятие большая с величиной системы, коли­чеством элементов (часто относительно однородных), а понятие сложная - со сложно­стью отношений, алгоритмов, или сложностью поведения.

Например, система, состоящая из простейших бинарных элементов с числом связей имеет возможных состояний.

Существуют и более убедительные обоснования различия понятий «большая система» и «сложная система». В частности, большой системой называют «такую, которую не­возможно исследовать иначе, как по подсистемам», а сложной - «такую систему, которая строится для решения многоцелевой, многоаспектной задачи».

При этом, для большой системы объект может быть описан как бы на одном языке, т.е. с помощью единого ме­тода моделирования, хотя и по частям, подсистемам. А сложная система отражает объ­ект «с разных сторон в нескольких моделях, каждая из которых имеет свой язык».

Для согласования этих моделей нужен особый метаязык. При этом подчеркивается наличие у сложной системы «сложной, составной цели» или даже «разных целей» и «одновремен­но многих структур у одной системы (например, технологической, административной, коммуникационной, функциональной и т.д.)».

При определении большой системы вводится понятие «априорно выделенных подсистем», а сложной - понятие «несравнимые аспекты характеристи­ки объекта», и включается в определение необхо­димость использования нескольких «языков» и разных моделей.

Здесь же в явном виде связываются эти понятия с понятием наблюдателя: для изучения большой системы достаточно одного наблюдателя (имеется в виду не число людей, принимающих участие в исследовании или проектировании системы, а относитель­ную однородность их квалификации; например - инженер).

Для сложной системы необ­ходимо несколько наблюдателей, принципиально разной квалификации (например, инже­нер-машиностроитель, инженер-автоматчик, инженер-вычислитель, экономист, а возмож­но, и юрист, психолог и т.п.).

Некоторые авторы за основу классификации принимают сложность поведения системы (Б.С. Флейшман).

В последующем сложность системы стали связывать со сложностью связей, сложностью их организованности. К сложным системам относятся диффузные системы, самоорганизующиеся системы.

Существует понятие «слои» (уровни сложности) - вид многоуровневой структуры, предложенный для организации процессов принятия решений (М. Месарович).

Слои или уровни сложности принимаемого решения выделяются для уменьшения неопределенности ситуации.

Иными словами, определяется совокупность последовательно решаемых проблем. При этом выделение проблем осуществляется таким образом, чтобы решение вышеле­жащей проблемы определяло бы ограничения (допустимую степень упрощения) при моделировании на нижележащем уровне, т.е. снижало неопределенность нижележа­щей проблемы, но без утраты замысла решения общей проблемы.

Многослойную иерархию принятия решения можно проиллюстрировать рисунком слайда 6. Каждый слой представ­ляет собой блок D₁, принимающий решения и вырабатывающий ограничения X₁ для ни­жележащего (i -1) -го блока.

В качестве примера рассмотрим многослойную иерархию принятия решения по управлению каким-либо процессом. В ней можно выделить три основных аспекта про­блемы принятия решения в условиях неопределенности. Нижний слой, самый «близкий» к управляемому процессу, - слой выбора. Задача этого слоя - выбор способа действий m. Принимающий решения элемент (блок) получа­ет данные (информацию) об управляемом процессе и, применяя алгоритм, полученный на верхних слоях, находит нужный способ действия, т.е. последовательность управляю­щих воздействий на управляемый процесс. Алгоритм может быть определен непосредст­венно как функциональное отображение D, дающее решение для любого набора началь­ных данных.

Многослойные системы принятия решений полезно формировать для решения задач планирования и управления промышленными предприятиями, отраслями, народным хозяйством в целом. При постановке и решении таких проблем нельзя раз и навсегда определить цели, выбрать конкретные действия: экономические и технологические усло­вия производства непрерывно изменяются. Все это можно отразить в многослойной модели принятия решений.

Примером приложения идеи выделения слоев могут служить многоуровневые экономико-математические модели планирования и управления отраслями, народным хозяйством, разрабатываемые в нашей стране в 70-80-х гг. XX века, а позднее - и промышленными предприятиями.

2. Структура системы. Структуризация (декомпозиция) системы.

Структура - (от латинского structure, означающего строение, расположение, поря­док) отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей сис­темы, ее устройство (строение).

Система может быть представлена простым перечислением элементов или «черным ящиком» (моделью «вход - выход»). Однако чаще всего при исследовании объекта такого представления недостаточно, так как требуется выяснить, что собой представляет объект, что в нем обеспечивает выполнение поставленной цели, получение требуемых результатов. В этих случаях систему отображают путем расчленения на подсистемы, компоненты, эле­менты с взаимосвязями, которые могут носить различный характер, и вводят понятие структуры.

В сложных системах структура включает не все элементы и связи, между ними (в предельном случае, когда пытаются применить понятие структуры к простым, полностью детерминированным объектам, понятия структуры и системы совпадают), а лишь наиболее существенные компоненты и связи, которые мало меняются при текущем функционировании системы и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Иными словами, структура характеризует организованность системы, устойчи­вую упорядоченность элементов и связей.

Структурные связи обладают относительной независимостью от элементов и могут выступать как инвариант при переходе от одной системы к другой, перенося закономер­ности, выявленные и отраженные в структуре одной из них, на другие. При этом системы могут иметь различную физическую природу.

Иными словами, понятие структура - это система без качественного наполнения. Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания объектов или процессов, от аспекта их рассмотрения, цели создания. При этом по мере развития исследований или в ходе проектирования структура системы может изменяться.

Структуры могут быть представлены в матричной форме, в форме теоретико-множественных описаний, с помощью языка топологии, алгебры и других средств моде­лирования систем.

Структуры, особенно иерархические, могут помочь в раскрытии неопределенности сложных систем. Иными словами, структурные представления систем могут являться сред­ством их исследования. В связи с этим полезно выделить и исследовать определенные виды (классы) структур.

Виды структур. Сетевая структура или сеть, представляет собой декомпозицию системы во времени, как показано на рисунке а) слайда 7.

Такие структуры могут 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 - сетевой план и т. д.). В виде сетевых моделей будут представляться методики системного анализа.

Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в про­странстве, рисунок б) – д). Все компоненты (вершины, узлы) и связи (дуги, соединения узлов) существуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени). Такие структуры могут иметь большое число уровней декомпозиции (структуризации).

Структуры типа б), 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», структу­рами, на которых выполняется отношение древесного порядка, иерархическими структу­рами с «сильными» связями.

Структуры типа в), в которой элемент нижележащего уровня может быть под­чинен двум и более узлам (вершинам) вышестоящего, называют иерархическими струк­турами со «слабыми» связями.

Матричные структуры. Иерархическим структурам, приведенным на рисунках б) и в), со­ответствуют матричные структуры е) и ж). Отношения, имеющие вид «слабых» связей между двумя уровнями в), подобны отношениям в матрице, образованной из составляющих этих двух уровней ж).

Многоуровневые иерархические структуры. В одной из теорий систем предложены особые классы иерархических структур, отличающиеся различными принци­пами взаимоотношений элементов в пределах уровня и различным правом вмешательства вышестоящего уровня в организацию взаимоотношений между элементами нижележащего, для названия которых он предложил следующие термины: «страты», «слои», «эшелоны», рисунок д) (М. Месарович).

Смешанные иерархические структуры с вертикальными и горизонтальными связями, рисунок г).

Структуры с произвольными связями могут иметь любую форму, объединять принципы разных видов структур и нарушать их.

Сравнительный анализ структур. При выборе структуры для представления конкретной системы следует учитывать их особенности и возможности.

Сетевые структуры используются в тех случаях, когда систему удается отобразить через описание материальных и информационных процессов, происходящих в ней, т.е. представить последовательности изготовления изделий, прохождения документов и т.д.

Предпочтительно представление во времени и процессов проектирования новых сис­тем. Однако такое представление практически невозможно для сложных технических комплексов и, особенно при проектировании организационных систем управления. В этих случаях вначале используют расчленение системы в пространстве, т.е. представле­ние ее различными видами иерархических структур.

Наиболее предпочтительно получе­ние древовидной структуры, которая более четко представляет взаимоотношения между компонентами системы. Такое представление предпочтительно при организации произ­водства сложных технических комплексов: древовидное расчленение изделия позволяет определить основные структурные единицы (цехи, участки и т. п.) производственной структуры, уточнение взаимодействия между которыми затем определяется с помощью сетевых структур.

В организационных системах взаимоотношения между структурными единицами орга­низационной структуры гораздо более сложны. Их не всегда удается сразу отобра­зить с помощью древовидной структуры. Используются иерархии со «слабыми» связями, матричные структуры, а для сложных корпораций - многоуровневые структуры типа страт, эшелонов, смешанные структуры с вертикальными и горизонтальными связями. От вида структур зависит важная характеристика любой системы - степень ее цело­стности, устойчивости.

В случае же сложных систем с неопределенностью, когда мы выделяем части системы и формируем структуры в процессе исследования, анализ части и целого с ис­пользованием информационного подхода приобретает особо важное значение, помогает понять, что, расчленяя систему по-разному, мы фактически получаем качественно различ­ные варианты представления целостности. Это и объясняет возможность использования структурных представлений как средства исследования сложных систем с начальной неоп­ределенностью.

С учетом этого иерархические представления систем могут быть не только древо­видными, интерес представляет анализ структур иных видов. В случае иерархических структур со «слабыми» связями элементы, подчиняющиеся двум или более узлам вышележащего уровня, можно как бы «расщепить», подчинив их части раз­ным вышележащим узлам. Тогда можно проводить расчеты аналогично рассмотренным.

При этом целесообразно относительно оценить «расщепляемые» составляющие, что в случае оценки, на­пример, организационных структур линейно-функционального типа можно охарактеризовать, например, численностью управленческого персонала, занимающегося выполнением частей «расщепленной» функции.

Структуризация (декомпозиция) - расчленение системы на части при ее исследовании или проектировании.

Первоначально был более широко распространен термин декомпозиция. Однако в 70-е гг. XX века было предложено различать эти понятия: термин декомпозиция - применять для расчленения технических объектов, для которых известна причина воз­никновения целостности (новых свойств у целого, собранного изделия) и выполняется закономерность аддитивности (суммативности).

Термин структуризация - применять, когда неизвестны причины возникновения целостности, т.е. на каждом уровне иерархии свойства целого не равны сумме свойств элементов и наблюдается неопределенность. Неопределенность частично раскрывается расчленением, но не объясняется полностью, как это имеет ме­сто при декомпозиции технических объектов, информация о которых отражена в соответствующих нормативно-технических документах.

Во многих работах по системному анализу между терминами структуризация и декомпозиция различий не делается. В то же время для названия методик расчленения систем или их целей на части, как правило, используется термин структуризация.

Многоуровневые иерархические структуры. В теории систем существует описание многоуровневых иерархических структур. Имеются особые классы иерархических структур типа страт, слоев, эшелонов, отличающиеся различными принципами взаимоотношений элементов в пределах уровня и различным правом вмешательства вышестоящего уровня в организацию взаимоотно­шений между элементами нижележащего (М. Месарович).

Страты. При отображении сложных систем основная проблема состоит в том, чтобы найти компромисс между простотой описания, позволяющей составить и сохра­нять целостное представление об исследуемом или проектируемом объекте, и детализа­цией описания, позволяющей отразить многочисленные особенности конкретного объек­та. Один из путей решения этой проблемы - задание системы семейством моделей, каж­дая из которых описывает поведение системы с точки зрения соответствующего уровня абстрагирования. Дня каждого уровня существуют характерные особенности, законы и принципы, с помощью которых описывается поведение системы на этом уровне. Такое представление названо стратифицированным, а уровни абстрагирова­ния - стратами. В качестве простейшего примера стратифицированного описания в приводится ото­бражение ЭВМ в виде двух страт, как показано на рисунке слайда 8.

На нижнем уровне - физические операции (система описы­вается на языке физических законов, управ­ляющих работой и взаимодействием ее меха­нических и электронных элементов). На верхнем - математические и логические операции (программирование и реализация программ, осуществляемые с помощью абстрактных, нефизических понятий, информационные потоки, команды языков программирования и др.).

Может представлять интерес описание системы (ЭВМ) и на других уровнях абстрагирования, помимо названных двух основных. При конструировании электронных компонен­тов может представить интерес страта атомной физики, а при разработке сложного программного обеспече­ния - системная страта.

Страты могут выделяться по разным принципам, по уровням управ­ления сложным объектом (производственная, организационная и т.п.), по принципу последовательного углубления представления о системе, ее детализации.

Примером стратифицированного описания может также служить выделение уровней абстрагирования системы от философского или теорети­ко-познавательного описания ее замысла до материального воплощения, рисунок слайда 8. Одну и ту же систему на разных стади­ях познания и проектирования можно (и нужно) описывать различными вырази­тельными средствами (Ю.И. Черняк).

То есть описание осуществляется на раз­ных «языках»:

- философском или теорети­ко-познавательном - словесное описание замысла, концепции;

- представление сис­темы на языке научно-исследовательском - в форме моделей разного рода, помо­гающих глубже понять и раскрыть замысел системы;

- проектном - техническое зада­ние и технический проект, для разработки и представления которого могут понадобиться математические расчеты, принципиальные схемы;

- конструкторском - конструкторские чертежи, сопровождающая их документация;

- технологическом - технологические карты, стандарты и т.п., технологическая документация;

- материальное воплощение, реализация системы - детали, блоки, собранное изделие или созданная система, принципы функционирования которой отражены в соответствующей доку­ментации (инструкциях, положениях и т.п.).

Идея многоуровневой системы, дета­лизируемой на каждом последующем уров­не, была предложена в 70-е гг. XX века (Ф.Е. Темников). Идея детализации показана на рисунке слайда 9. Суть ее – начи­нать изучение системы можно с любой стра­ты (в том числе, с находящейся в середине стратифицированного представления). В процессе исследования могут добавляться новые страты, изменяться подход к выделе­нию страт.

На каждой страте может использовать­ся свое описание, своя модель, но система сохраняется до тех пор, пока не изменяется представление на верхней страте - ее кон­цепция, замысел, который нужно стремить­ся не исказить при раскрытии на каждой последующей страте.

Многослойные системы принятия решений полезно формировать для решения задач планирования и управления промышленными предприятиями, отраслями, народным хозяйством в целом. При постановке и решении таких проблем нельзя раз и навсегда определить цели, выбрать конкретные действия: экономические и технологические усло­вия производства непрерывно изменяются. Все это можно отразить в многослойной модели принятия решений.

Эшелоны. Понятие многоэшелонной иерархической структуры: система представляется в виде относительно независимых, взаимодействующих между собой подсистем: при этом некоторые (или все) подсистемы имеют права принятия решений, а иерархическое расположение подсистем (многоэше­лонная структура) определяется тем, что некоторые из них находятся под влиянием или управляются вышестоящими.

Уровень такой иерархии называют эшелоном.

Основной отличительной особенностью многоэшелонной структуры является предос­тавление подсистемам всех уровней определенной свободы в выборе их собственных ре­шений; причем эти решения могут быть (но не обязательно) не теми решениями, которые бы выбрал вышестоящий уровень. Предоставление свободы действий в принятии решений компонентам всех эшелонов иерархической структуры по­вышает эффективность ее функционирования.

Отношения, подобные принятым в эшелонированных структурах, реализуются в практике управления в форме так называемых холдинговых структур или холдингов. Правила взаимоотношений между фирмами, банками, торговыми домами и другими организациями, входящими в холдинг, оговариваются в соответст­вующих договорах и других нормативно-правовых и нормативно-технических документах.