Что такое элемент системы, компонент системы, подсистема? «Теория систем и системный анализ Цель и ориентиры
Функциональная среда системы - характерная для системы совокупность законов, алгоритмов и параметров, по которым осуществляется взаимодействие (обмен) между элементами системы и функционирование (развитие) системы в целом.
Элемент системы - условно неделимая, самостоятельно функционирующая часть системы.
Однако ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднозначным. Например, в качестве элементов стола можно назвать «ножки, ящики, крышку и т. д.», а можно - «атомы, молекулы», в зависимости от того, какая задача стоит перед исследователем.
Поэтому примем следующее определение: элемент - это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи, поставленной цели.
Компоненты и подсистемы.
Понятие подсистема подразумевает, что выделяется относительно независимая часть системы, обладающая свойствами системы, и в частности имеющая подцель, на достижение которой ориентирована подсистема, а также другие свойства - целостности, коммуникативности и т. п., определяемые закономерностями систем.
Если же части системы не обладают такими свойствами, а представляют собой просто совокупности однородных элементов, то такие части принято называть компонентами.
Связь. Понятие связь входит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение ее целостных свойств. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику), и функционирование (динамику) системы.
Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Действительно, элементы, вступая во взаимодействие (связь) друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали в свободном состоянии.
Связи можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом).
По первому признаку связи делят на направленные и ненаправленные.
По второму - на сильные и слабые.
По характеру (виду) различают связи подчинения, порождения (или генетические), равноправные (или безразличные), управления.
Структура системы - совокупность связей, по которым обеспечивается энерго-, массо- и информационный обмен между элементами системы, определяющая функционирование системы в целом и способы ее взаимодействия с внешней средой.
Часто структуру системы оформляют в виде графа. При этом элементы являются вершинами графа, а ребра обозначают связи.
Если выделены направления связей, то граф является ориентированным. В противном случае - граф неориентированный.
Цель - заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека.
Символически это определение системы представим следующим образом:
S ≡ < A, R, Z >,
где А – элементы;
R – отношения между
элементами;
Понятия, характеризующие функционирование и развитие системы
Процессы, происходящие в сложных системах, как правило, сразу не удается представить в виде математических соотношений или хотя бы алгоритмов.
Поэтому для того, чтобы хоть как-то охарактеризовать стабильную ситуацию или ее изменения, используют специальные термины, заимствованные теорией систем из теории автоматического регулирования, биологии, философии.
Состояние. Понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии.
Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры, макросвойства системы (давление, скорость, ускорение).
Поведение. Если система способна переходить из одного состояния в другое, то говорят, что она обладает поведением.
Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности (правила) перехода из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает каким-то поведением и выясняют его характер, алгоритм.
Равновесие. Понятие равновесие определяют как способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго.
Устойчивость. Под устойчивостью понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних (или в системах с активными элементами - внутренних) возмущающих воздействий.
Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия.
Возврат в это состояние может сопровождаться колебательным процессом. Соответственно в сложных системах возможны неустойчивые состояния равновесия.
Классификация систем
| Признак | Виды систем |
| 1. Природа объекта | Естественные Искусственные - реальные - абстрактные |
| 2. Характер взаимоотношений со средой | Открытые (непрерывный обмен) Закрытые (слабая связь) |
| 3. Причинная обусловленность | Детерминированные Вероятностные |
| 4. Характер элементов | экономические, социальные, технические, политические, биологические |
| 5. Степень организованности | Хорошо организованные Плохо организованные Самоорганизующиеся |
| 6. По отношению к времени | Статические Динамические |
| 7. По степени сложности | Малые и Большие Простые и Сложные |
| 8. По однородности элементов | Гомогенные Гетерогенные |
Большие и сложные системы
Большие системы – те, моделирование которых затруднено вследствие их размерности, а сложные системы – те, для моделирования которых недостаточно информации.
Иногда выделяют еще «Очень сложные системы », для моделирования которых человечество не обладает нужной информацией. Это мозг, вселенная, социум.
При моделировании больших систем применяют метод декомпозиции, в котором снижение размерности осуществляется путем разбиения на подсистемы.
При моделировании сложных систем применяют специальные методы снижения неопределенности.
Любая автоматическая система состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определенные функции конструктивных элементов, которые, принято называть элементами или средствами автоматики . С точки зрения функциональных задач, выполняемых элементами в системе, их можно разделить на воспринимающие, задающие, сравнивающие, преобразующие, исполнительные и корректирующие.
Воспринимающие элементы или первичные преобразователи (датчики) измеряют управляемые величины технологических процессов и преобразовывают их из одной физической формы в другую (например, преобразует разность температур в термоЭДС).
Задающие элементы автоматики (элементы настройки) служат для задания требуемого значения регулируемой величины Хо. Именно этому значению должно соответствовать ее действительное значение. Примеры задающих устройств: механические задатчики, электрические задатчики, например, резисторы с переменным сопротивлением, переменные индуктивности и переключатели.
Сравнивающие элементы автоматики
сопоставляют заданное, значение, управляемой величины Х0 с действительным значением X. Получаемый на выходе, сравнивающего элемента сигнал рассогласования Δ
Х = Хо - X передается либо через усилитель, либо непосредственно на исполнительный элемент.
Преобразующие элементы осуществляют необходимые преобразования сигнала и его усиление в магнитных, электронных, полупроводниковых и других усилителях, когда мощность сигналов недостаточна для дальнейшего использования.
Исполнительные элементы создают управляющие воздействия на объект управления. Они изменяют количество энергии или вещества, подводимой к объекту управления или отводимой от него, для того чтобы управляемая величина соответствовала заданному значению.
Корректирующие элементы служат для улучшения качества процесса управления.
Кроме основных элементов в автоматических системах имеются и вспомогательные
, к числу которых относятся переключающие устройства и элементы защиты, резисторы, конденсаторы и аппаратура сигнализации.
Все независимо от их назначения обладают определенной совокупностью характеристик и параметров которые определяют их эксплуатационные и технологические особенности.
Основной из главных характеристик является статическая характеристика элемента
. Она представляет собой зависимость выходной величины Хвых от входной Хвх в установившемся режиме, т.е. Хвых = f(Xвх). В зависимости от влияния знака входной величины различают нереверсивные (когда знак выходной величины во всем диапазоне изменения остается постоянным) и реверсивные статические характеристики (когда изменение знака входной величины приводит к изменению знака выходной величины).
Динамическая характеристика используется для оценки работы элемента в динамическом режиме, т. е. при быстрых изменениях входной величины. Ее задают переходной характеристикой, передаточной функцией, частотными характеристиками. Переходная характеристика представляет собой зависимость выходной величины Хвых от времени τ : Хвых = f (τ ) - при скачкообразном изменении входного сигнала Хвх.
Коэффициент передачи можно определить по статической характеристике элемента. Различают три вида коэффициентов передачи: статический, динамический (дифференциальный) и относительный.
Статический коэффициент передачи K ст представляет собой отношение выходной величины Хвых к входной Хвх, т. е. Кст = Хвых/Хвх. Коэффициент передачи иногда называют коэффициентом преобразования. Применительно к конкретным конструктивным элементам статический коэффициент передачи называют также коэффициентом усиления (в усилителях), коэффициентом редукции (в редукторах), и т. д.
Для элементов с нелинейной характеристикой используют динамический (дифференциальный) коэффициент передачи Кд, т. е. Кд = Δ Хвых/ Δ Хвх.
Относительный коэффициент передачи Кот равен отношению относительного изменения выходной величины элемента ΔХвых/Хвых. н к относительному изменению входной величины ΔХвх/Хвх. н,
Кот = (ΔХвых/Хвых. н)/ΔХвх/Хвх. н,
где Хвых.
н и Хвх.
н - номинальные значения выходной и входной величин. Этот коэффициент является безразмерной величиной и удобен при сравнении элементов, различных по конструкции и принципу действия.
Порог чувствительности - наименьшее значение входной величины, при которой происходит заметное изменение выходной величины. Он вызывается наличием в конструкциях элементов трения без смазывающих материалов, зазоров и люфтов в соединениях.
Особенностью автоматических замкнутых систем, в которых используется принцип управления по отклонению, является наличие обратной связи. Принцип действия обратной связи рассмотрим на примере системы управления температуры электрической нагревательной печи. Чтобы поддерживать температуру в заданных пределах, поступающее на объект управляющее воздействие, т. е. напряжение, подводимое, к нагревательным элементам, формируется с учетом значения температуры.
При помощи первичного преобразователя температуры выход системы соединяется с ее входом. Такое соединение, т. е. канал, информация по которому передается в обратном направлении по сравнению с управляющим воздействием, называют обратной связью.
Обратная связь бывает положительной и отрицательной, жесткой и гибкой, главной и дополнительной.
Положительной обратной связью
называют связь, когда совпадают знаки воздействия обратной связи и задающего воздействия. В противном случае обратную связь называют отрицательной
.
Схема простейшей системы автоматического регулирования: 1 - объект регулирования, 2 - звено главной обратной связи, 3 - элемент сравнения, 4 - усилитель, 5 - исполнительный механизм, 6 - элемент обратной связи, 7 - корректирующий элемент.
Если передаваемое воздействие зависит только от значения регулируемого параметра, т. е. не зависит от времени, то такую связь считают жесткой. Жесткая обратная связь действует как в установившемся, так и в переходном режимах. Гибкой обратной связью называют связь, действующую только в переходном режиме. Гибкая обратная связь характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от изменения управляемой величины по времени. У гибкой обратной связи сигнал на выходе существует только тогда, когда управляемая величина изменяется во времени.
Главная обратная связь соединяет выход системы управления с ее входом, т. е. связывает управляемую величину с задающим устройством. Остальные обратные связи считают дополнительными или местными. Дополнительные обратные связи передают сигнал воздействия с выхода какого-либо звена системы на вход любого предыдущего звена. Они используются для улучшения свойств и характеристик отдельных элементов.
Анализ рабочего определения системы позволяет выделить некоторые из ее общих свойств:
· любая система представляет собой комплекс взаимосвязанных элементов;
· система образует особое единство с внешней средой;
· любая система представляет собой элемент системы более высокого порядка;
· элементы, составляющие систему, в свою очередь, выступают в качестве систем более низкого порядка.
Проанализировать эти свойства можно с помощью рис. 2.7 (А - система; В и Д - элементы системы А; С - элемент системы В).
Элемент В, служащий элементом системы А, в свою очередь, является системой более низкого уровня, которая состоит из собственных элементов, включая, например, элемент С. И если мы рассмотрим элемент В как систему, взаимодействующую с внешней средой, то последнюю в этом случае будет представлять система В (элемент системы А). Поэтому особенность единства системы с внешней средой можно интерпретировать как взаимодействие элементов системы более высокого порядка. Подобные рассуждения можно провести для любого элемента любой системы.
Изучение свойств системы предполагает прежде всего изучение взаимоотношения частей и целого. При этом имеется в виду, что:
1) целое первично, а части вторичны;
2) системообразующие факторы представляют собой условия взаимосвязанности частей внутри одной системы;
3) части системы образуют неразрывное целое, поэтому воздействие на любые из них влияет на всю систему;
4) каждая часть системы имеет собственное предназначение с точки зрения цели, на достижение которой направлена деятельность целого;
5) природа частей и их функции определяются положением частей в целом, а их поведение регулируется взаимоотношениями целого и его частей;
6) целое ведет себя как нечто единое, независимо от степени сложности.
Из всего многообразия свойств систем для исследования организационных процессов целесообразно в первую очередь выделить такие свойства, как эмерджентность, эквифинальность и гомеостаз .
Эмерджентностъ - одно из самых существенных свойств систем. Это несводимость свойств системы к свойствам ее элементов; иными словами, эмерджентностью называют наличие новых качеств целого, отсутствующих у его составных частей. Таким образом, свойства целого не являются простой суммой свойств составляющих его элементов, хотя и зависят от них. В то же время объединенные в систему элементы могут терять свойства, присущие им вне системы, или приобретать новые.
Эквифинальность - одно из наименее изученных свойств системы, характеризующее предельные возможности систем определенного класса сложности. Л. фон Берталанфи, предложивший этот термин, определял эквифинальность применительно к открытой системе как способность системы (в отличие от состояний равновесия в закрытых системах, полностью детерминированных начальными условиями) достигать независящего от времени и от исходных условий состояния, которое определяется исключительно параметрами системы. Потребность во введении этого понятия возникает начиная с некоторого уровня сложности систем. Эквифинальность - внутренняя предрасположенность системы к достижению некоего предельного состояния, не зависящего от внешних условий. Идея эквифинальности заключается в изучении параметров, определяющих некоторый предельный уровень организации.
Существует множество понятий системы. Рассмотрим понятия, которые наиболее полно раскрывают ее существенные свойства (рис. 1).
Рис. 1. Понятие системы
«Система – это комплекс взаимодействующих компонентов».
«Система – это множество связанных действующих элементов».
«Система – это не просто совокупность единиц... а совокупность отношений между этими единицами».
И хотя понятие системы определяется по-разному, обычно все-таки имеется в виду, что система представляет собой определенное множество взаимосвязанных элементов, образующих устойчивое единство и целостность, обладающее интегральными свойствами и закономерностями.
Мы можем определить систему как нечто целое, абстрактное или реальное, состоящее из взаимозависимых частей.
Системой может являться любой объект живой и неживой природы, общества, процесс или совокупность процессов, научная теория и т. д., если в них определены элементы, образующие единство (целостность) со своими связями и взаимосвязями между ними, что создает в итоге совокупность свойств, присущих только данной системе и отличающих ее от других систем (свойство эмерджентности).
Система (от греч. SYSTEMA, означающего «целое, составленное из частей») представляет собой множество элементов, связей и взаимодействий между ними и внешней средой, образующих определенную целостность, единство и целенаправленность. Практически каждый объект может рассматриваться как система.
Система – это совокупность материальных и нематериальных объектов (элементов, подсистем), объединенных какими-либо связями (информационными, механическими и др.), предназначенных для достижения определенной цели и достигающих ее наилучшим образом. Система определяется как категория, т.е. ее раскрытие производится через выявление основных, присущих системе свойств. Для изучения системы необходимо ее упростить с удержанием основных свойств, т.е. построить модель системы.
Система может проявляться как целостный материальный объект, представляющий собой закономерно обусловленную совокупность функционально взаимодействующих элементов.
Важным средством характеристики системы являются ее свойства . Основные свойства системы проявляются через целостность, взаимодействие и взаимозависимость процессов преобразования вещества, энергии и информации, через ее функциональность, структуру, связи, внешнюю среду.
Свойство – это качество параметров объекта, т.е. внешние проявления того способа, с помощью которого получают знания об объекте. Свойства дают возможность описывать объекты системы. При этом они могут изменяться в результате функционирования системы . Свойства – это внешние проявления того процесса, с помощью которого получается знание об объекте, ведется за ним наблюдение. Свойства обеспечивают возможность описывать объекты системы количественно, выражая их в единицах, имеющих определенную размерность. Свойства объектов системы могут изменяться в результате ее действия.
Выделяют следующиеосновные свойства системы :
· Система есть совокупность элементов . При определенных условиях элементы могут рассматриваться как системы.
· Наличие существенных связей между элементами . Под существенными связями понимаются такие, которые закономерно, с необходимостью определяют интегративные свойства системы.
· Наличие определенной организации , что проявляется в снижении степени неопределенности системы по сравнению с энтропией системоформирующих факторов, определяющих возможность создания системы. К этим факторам относят число элементов системы, число существенных связей, которыми может обладать элемент.
· Наличие интегративных свойств , т.е. присущих системе в целом, но не свойственных ни одному из ее элементов в отдельности. Их наличие показывает, что свойства системы, хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью. Система не сводится к простой совокупности элементов; декомпозируя систему на отдельные части, нельзя познать все свойства системы в целом.
· Эмерджентностъ – несводимость свойств отдельных элементов и свойств системы в целом.
· Целостность – это общесистемное свойство, заключающееся в том, что изменение любого компонента системы оказывает воздействие на все другие ее компоненты и приводит к изменению системы в целом; и наоборот, любое изменение системы отзывается на всех компонентах системы.
· Делимость – возможна декомпозиция системы на подсистемы с целью упрощения анализа системы.
· Коммуникативность . Любая система функционирует в окружении среды, она испытывает на себе воздействия среды и, в свою очередь, оказывает влияние на среду. Взаимосвязь среды и системы можно считать одной из основных особенностей функционирования системы, внешней характеристикой системы, в значительной степени определяющей ее свойства.
· Системе присуще свойство развиваться , адаптироваться к новым условиям путем создания новых связей, элементов со своими локальными целями и средствами их достижения. Развитие – объясняет сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе.
· Иерархичность . Под иерархией понимается последовательная декомпозиция исходной системы на ряд уровней с установлением отношения подчиненности нижележащих уровней вышележащим. Иерархичность системы состоит в том, что она может быть рассмотрена как элемент системы более высокого порядка, а каждый ее элемент, в свою очередь, является системой.
· Важным системным свойством является системная инерция, определяющая время, необходимое для перевода системы из одного состояния в другое при заданных параметрах управления.
· Многофункциональность – способность сложной системы к реализации некоторого множества функций на заданной структуре, которая проявляется в свойствах гибкости, адаптации и живучести.
· Гибкость – это свойство системы изменять цель функционирования в зависимости от условий функционирования или состояния подсистем.
· Адаптивность – способность системы изменять свою структуру и выбирать варианты поведения сообразно с новыми целями системы и под воздействием факторов внешней среды. Адаптивная система – такая, в которой происходит непрерывный процесс обучения или самоорганизации.
· Надежность – это свойство системы реализовывать заданные функции в течение определенного периода времени с заданными параметрами качества.
· Безопасность – способность системы не наносить недопустимые воздействия техническим объектам, персоналу, окружающей среде при своем функционировании.
· Уязвимость – способность получать повреждения при воздействии внешних и (или) внутренних факторов.
· Структурированность – поведение системы обусловлено поведением ее элементов и свойствами ее структуры.
· Динамичность – это способность функционировать во времени.
· Наличие обратной связи .
Любая система имеет цель и ограничения. Цель системы может быть описана целевой функцией U1 = F (х, у, t, ...), где U1 – экстремальное значение одного из показателей качества функционирования системы.
Поведение системы можно описать законом Y = F(x), отражающим изменения на входе и выходе системы. Это и определяет состояние системы.
Состояние системы – это мгновенная фотография, или срез системы, остановка ее развития. Его определяют либо через входные взаимодействия или выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры, макросвойства системы. Это совокупность состояний ее n элементов и связей между ними. Задание конкретной системы сводится к заданию ее состояний, начиная с зарождения и кончая гибелью или переходом в другую систему. Реальная система не может находиться в любом состоянии. На ее состояние накладывают ограничения – некоторые внутренние и внешние факторы (например, человек не может жить 1000 лет). Возможные состояния реальной системы образуют в пространстве состояний системы некоторую подобласть Z СД (подпространство) – множество допустимых состояний системы.
Равновесие – способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий или при постоянных воздействиях сохранять свое состояние сколь угодно долго.
Устойчивость – это способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних или внутренних возмущающих воздействий. Эта способность присуща системам, когда отклонение не превышает некоторого установленного предела.
3. Понятие структуры системы .
Структура системы – совокупность элементов системы и связей между ними в виде множества.Структура системы означает строение, расположение, порядок и отражает определенные взаимосвязи, взаимоположение составных частей системы, т.е. ее устройства и не учитывает множества свойств (состояний) ее элементов.
Система может быть представлена простым перечислением элементов, однако чаще всего при исследовании объекта такого представления недостаточно, т.к. требуется выяснить, что представляет собой объект и что обеспечивает выполнение поставленных целей.
Рис. 2. Структура системы
Понятие элемента системы. По определению элемент – это составная часть сложного целого. В нашем понятии сложное целое – это система, которая представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов.
Элемент – часть системы, обладающая самостоятельностью по отношению ко всей системе и неделимая при данном способе выделения частей. Неделимость элемента рассматривается как нецелесообразность учета в пределах модели данной системы его внутреннего строения.
Сам элемент характеризуется только его внешними проявлениями в виде связей и взаимосвязей с остальными элементами и внешней средой.
Понятие связи. Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы. Установить связь между двумя элементами – это значит выявить наличие зависимостей их свойств. Зависимость свойств элементов может иметь односторонний и двусторонний характер.
Взаимосвязи – совокупность двухсторонних зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы.
Взаимодействие – совокупность взаимосвязей и взаимоотношений между свойствами элементов, когда они приобретают характер взаимосодействия друг другу.
Понятие внешней среды. Система существует среди других материальных или нематериальных объектов, которые не вошли в систему и объединяются понятием «внешняя среда» – объекты внешней среды. Вход характеризует воздействие внешней среды на систему, выход – воздействие системы на внешнюю среду.
По сути дела, очерчивание или выявление системы есть разделение некоторой области материального мира на две части, одна из которых рассматривается как система – объект анализа (синтеза), а другая – как внешняя среда.
Внешняя среда – набор существующих в пространстве и во времени объектов (систем), которые, как предполагается, оказывают действие на систему.
Внешняя среда – это совокупность естественных и искусственных систем, для которых данная система не является функциональной подсистемой.
Типы структур
Рассмотрим ряд типовых структур систем, использующихся при описании организационно-экономических, производственных и технических объектов.
Обычно понятие "структура" связывают с графическим отображением элементов и их связей. Однако структура может быть представлена и в матричной форме, форме теоретико-множественного описания, с помощью языка топологии, алгебры и других средств моделирования систем .
Линейная (последовательная) структура (рис. 8) 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.
Кольцевая структура (рис. 9) отличается замкнутостью, любые два элемента обладают двумя направлениями связи. Это повышает скорость общения, делает структуру более живучей.
Сотовая структура (рис. 10) характеризуется наличием резервных связей, что повышает надежность (живучесть) функционирования структуры, но приводит к повышению ее стоимости.
Многосвязная структура (рис. 11) имеет структуру полного графа. Надежность функционирования максимальная, эффективность функционирования высокая за счет наличия кратчайших путей, стоимость - максимальная.
Звездная структура (рис. 12) имеет центральный узел, который выполняет роль центра, все остальные элементы системы являются подчиненными.
Графовая структура (рис. 13) используется обычно при описании производственно-технологических систем.
Сетевая структура (сеть) - разновидность графовой структуры, представляющая собой декомпозицию системы во времени.
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.).
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"; структурами, на которых выполняются отношения древесного порядка, иерархическими структурами с сильными связями) (рис 14, а).
Структуры, в которых элемент нижележащего уровня может быть подчинен двум и более узлам (вершинам) вышестоящего уровня, называют иерархическими структурами со слабыми связями (рис 14, б).
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 общем случае термин иерархия шире, он означает соподчиненность, порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим, возник как наименование "служебной лестницы" в религии, широко применяется для характеристики взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т.д., затем концепция иерархии была распространена на любой согласованный по подчиненности порядок объектов.
Таким образом, 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.
Общность понятия «система» затрудняет его адекватную формализацию, но в общем виде она может быть представлена как целостное образование, комплекс взаимосвязанных элементов, обладающих благодаря своему единению качественно новыми характеристиками, относительно индифферентных к внешней среде, причем каждая система выступает элементом системы более высокого порядка, а любой элемент системы – системой более низкого порядка.
Очень важно, что система есть «комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение приобретает характер взаимоСОдействия компонентов на получение фокусированного полезного результата» (П. К. Анохин).
Функциональная система характеризуется тремя принципиальными моментами: во-первых, в совокупность вовлекаются только специально выбранные компоненты; во-вторых, компоненты не просто взаимодействуют, а взаимосо действуют для чего-то конкретного и определенного; в-третьих, в качестве системообразующего фактора фиксируется получение полезного результата.
Отличительными признаками системы выступают:
1) наличие взаимосвязанных частей в объекте;
2) взаимодействие между частями объекта;
3) упорядоченность данного взаимодействия для достижения общей цели системы.
Все системы имеют непременные атрибуты (модифицируя позицию В. Г. Афанасьева):
Интегративные качества;
Компоненты и элементы системы;
Структуру;
Общую цель и комплекс подцелей;
Взаимоотношения между элементами;
Функции системы и ее компонентов;
Включенность в более сложную систему в статусе компонента и элемента;
Историчность;
Внутренние и внешние возмущающие воздействия;
Структуру управления системой;
Информацию.
Базовым атрибутом системы выступает элемент системы. Под элементом понимают простейшую неделимую часть системы, которая обладает на взгляд субъекта действия (познания) определенной целостностью, состояние и функциональные особенности которой могут быть измерены и описаны в терминах, и которая может иметь отношения с другими частями рассматриваемой совокупности, а также с ее окружением (средой). Кроме функциональной характеристики, минимальность определяется самим субъектом исследования как достаточная часть, удовлетворяющая познавательной и преобразовательной потребности.
1. Упругий элемент – противостоящий внешним воздействиям, не воспринимающий их, способный только к однозначной передаче
В отсутствии изменения i элемент находится в состоянии покоя.
2. Рефлексивный элемент – обладает внутренним движением и осуществляет внутреннее преобразование по какому-либо закону и алгоритму.
Частный случай рефлексивности элемента – нейтральный.
3. Элемент – потребитель – воспринимает воздействие в данных условиях без образования направленного эффекта.
4. Элемент – источник – образует в данных условиях направленный эффект «Р» в отсутствии понуждающего внешнего воздействия.
5. Полирецепторный элемент – рефлексивный элемент, образующий направленное воздействие при условии восприятия нескольких понуждающих воздействий.
6. Полиэффекторный элемент – рефлексивный элемент, образующий воздействия по нескольким направлениям при восприятии одного понуждающего воздействия.
7. Полиэлемент – рефлексивный элемент, образующий воздействия по нескольким направлениям при условии восприятия нескольких внешних воздействий.
8. Полиисточник – источник, образующий в данных условиях воздействия по нескольким направлениям.
9. Полипотребитель – потребитель, воспринимающий воздействия по нескольким внешним связям.
Вторым важнейшим атрибутом системы выступают взаимоотношения между элементами или связи. По-другому межэлементарную связь можно определить как каждую из степеней свободы данного элемента, действительно осуществленную в виде определенного взаимоотношения, взаимодействия с другими элементами данной системы, а также с его средой. Это понятие входит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы, характеризует какее строение, так и функционирование. Предполагается, что связи существуют между всеми системными элементами и подсистемами.
Взаимоотношения могут быть:
1. Нейтральными , когда:
1 элемент 2 элемент
где а , в – сила воздействия;
а = в , но противоположны по направлению.
Особенности:
Подобная связь не является статичной.
При любых изменениях воздействие и противодействие остаются равными по величине в каждый рассматриваемый момент их отношений, их геометрическая сумма всегда равна нулю в эти моменты.
Относительная неподвижность (статичность) элементов – есть частный случай нейтральности, когда величины воздействия и противодействия неизменны на рассматриваемом отрезке времени.
Противодействие считается полным, если оно равно по величине воздействию в рассматриваемом диапазоне его изменений.
2. Функциональными , когда:
1) 1 элемент 2 элемент
2) 1 элемент 2 элемент
где а , в – сила воздействия.
Особенности:
Воздействующий элемент обладает направленным эффектом (наличие эффекторных свойств) по отношению к противодействующему.
Противодействующий элемент обладает рецепторным эффектом (наличие рецепторных свойств), т. е. способностью воспринимать внешнее воздействие.
Примечание. В реальных условиях всякий элемент в той или иной мере в различных отношениях обладает и эффекторными и рецепторными свойствами.
Нейтральная связь может превратиться в функциональную при неполном противодействии одной из сторон взаимодействия.
В результате подобных взаимоотношений в случае 2.1 в = 0, сила воздействия первого элемента максимальна и второй элемент может измениться структурно и функционально; в случае 2.2 а > в , сила воздействия первого элемента превосходит силу противодействия второго элемента, что также может приводить к структурно-функциональным изменениям во втором элементе системы .
Сетка связей достаточно обширна (по классификации И. В. Блауберга и Э. Г. Юдина):
Связи взаимодействия;
Связи генезиса;
Связи преобразования;
Связи строения;
Связи функционирования;
Связи развития;
Связи управления.
Связи могут подразделяться по характеру их материальной реализации на:
1) вещественные;
2) энергетические;
3) информационные;
по их месту и структуре:
1) прямые;
2) обратные;
по характеру их проявления:
1) детерминированные;
2) вероятностные;
3) хаотические;
4) непрерывные;
5) случайные;
6) регулярные;
7) нерегулярные.
Особенности: данные классификации относятся к конкретным реализациям систем и не характеризуют их как функциональные образования. Функциональность раскрывается в установлении причинно-следственных отношений между материальными образованиями.
Третьим атрибутом системы является компонент (подсистема), состоящий из ряда элементов системы, которые возможно объединить по схожим функциональным проявлениям. В системе может быть различное количество компонентов. Это зависит от основных функций системы (внутренних и внешних).
Система может быть расчленена на элементы не сразу, а путем последовательного разделения на подсистемы. Подсистемы сами являются системами и к ним, следовательно, относится все, что сказано о системе, в том числе и о ее целостности. Этим подсистема отличается от простой совокупности элементов, не объединенных целью и свойством целостности.
Четвертым атрибутом системы выступает структура системы. Под структурой понимается совокупность связей, взаимоотношений между всеми элементами и компонентами системы, между системой и внешней средой. Данные взаимосвязи обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Структурные свойства обладают относительной независимостью от элементов и могут выступать как инвариант при переходе от одной системы к другой, перенося закономерности, выявленные в одной из них, на другую (даже если эти системы имеют разную физическую природу). Структура может быть представлена графическим отображением, теоретико-множественным отношением, в виде матриц. Вид представления системы зависит от цели отображения.
Особенности определения понятия «структура» системы:
1. Структура всех возможных взаимоотношений в рассматриваемой совокупности отличается от структуры формируемой системы, такая структура называется полной структурой объекта.
2. Форма структуры прямо зависит от функционального среза как конкретной формы реакции данной совокупности на конкретное внешнее воздействие.
Системам как функциональным материальным образованиям с определенным глобальным эффектом свойственны следующие виды структур:
1. Внутренняя структура объекта – совокупность взаимоотношений компонентов без учета их внешних связей.
2. Функциональная структура – совокупность взаимоотношений, связанных непосредственно с функционированием каждого элемента в данной системе в направлении образования ее глобального эффекта.
3. Абсолютная структура – действительно возможная структура внешнего целого, рассматриваемого субъектом в качестве конкретно познаваемого объекта.
Исходя из важнейшей характеристики функциональных систем, выделяют два основных класса системных структур:
Нормальные структуры – структуры, в которых сохраняются все отношения и их направления, то есть:
1) элементы системы выделены на том структурном уровне, который рассматривается;
2) данные элементы неизменны и являются начальными структурными образованиями с точки зрения субъекта;
3) полная структура объекта остается неизменной в данном промежутке времени и в данных условиях;
4) норма существования структуры сохраняется неизменной.
Динамические структуры – структуры, изменяющиеся во времени, то есть:
1) количество и направление отношений между элементами системы изменяется;
2) в системе, в установившихся связях между элементами присутствует внутреннее движение;
3) изменяется элементарный состав системы.
Динамика структуры отражает динамику системы. Функциональная система может считаться изменчивой только при условии структурных перестроек при сохранении возможной функциональности каждой связи, включая и вновь образовавшиеся.
Изменение элементарного состава системы выступает вторичным фактором.
Понятия динамической структуры и динамической системы не тождественны. Динамическая система имеет больший объем, так как динамизм системы связан, помимо изменений в структуре, с возможными изменениями норм состояния ее элементов и элементарного состава. Таким образом могут происходить более глубинные изменения, чем только во взаимоотношениях между элементами.
Понятия нормальной и динамической структур, отнесенные к одной системе, есть взаимоотрицающие понятия, т. е. одна и та же система в одном промежутке времени не может иметь и нормальную и динамическую структуру.
Разрушение нормальной структуры не означает разрушение в смысле отмирания, уничтожения системы. Основной критерий системности заключен в глобальном эффекте системы, а не в структуре.
Поэтому динамическая структура, отрицая нормальную, отражает существо изменяющейся в этом отношении системы, но не прекращение ее существования. Образование глобального эффекта системы возможно в условиях происходящих изменений.
Таким образом, динамические системы – это системы с переменной структурой при относительной определенности их внешних проявлений, рассматриваемых в качестве их глобального эффекта.
Если рассматривать совокупность всех связей внутри системы, то такая структура будет внутренней. Если рассматривать совокупность всех связей как внутри системы, так и системы с внешней средой – такая структура называется полной структурой. Качественная система представляет собой единое целое, состоящее из множества различных составляющих, организованных на разных уровнях в особого рода целостности.
Пятым атрибутом системы выступают функции, понимаемые как деятельность, работа, внешнее проявление свойств какого-либо объекта в данной системе отношений. Функции классифицируются по различным признакам в зависимости от целей управленца или исследователя.
Весьма важным атрибутом системы выступают свойства, понимаемые как качества параметров объектов, т. е. внешние проявления того способа, с помощью которого получают знания об объекте. Свойства дают возможность описывать объекты системы количественно, выражая их в единицах, имеющих определенную размерность. При этом они могут изменяться в результате функционирования системы.
Одним из ключевых атрибутов системы является цель, лежащая в основе развития системы и обеспечивающее ее целенаправленность (целесообразность). Цель можно определить как желаемый результат деятельности, достижимый в пределах некоторого интервала времени. Цель становится задачей, стоящей перед системой, если указан срок ее достижения и конкретизированы количественные характеристики желаемого результата. Цель достигается в результате решения задачи или ряда задач, если исходная цель может быть подвергнута разделению на некоторую совокупность более простых (частных) подзадач.
