Различные классификации систем

Начиная сравнивать и различать системы, считать одни из них одинаковыми, другие – различными, мы тем самым вводим и осуществляем их классификацию. Например, в предыдущем параграфе были введены классы искусственных и естественных систем.

Важно понять, что классификация – это только модель реальности. (Можно было бы даже сказать – первичная, простейшая модель, если бы не тот факт, что вследствие многоуровневой, кратной, вложенной классификации полученная модель может и не отвечать понятию “простейший”.) Поэтому классификацию не следует абсолютизировать: реальность всегда сложнее любой модели. Например, исчерпывают ли введенные нами классы все возможные типы систем? Так, можно ли считать, что в систему “рыболовецкий совхоз” не входит промысловая акватория, в “леспромхоз” не входят лесные делянки, а “всадник” мыслим без лошади? Естественно, напрашивается введение еще одного класса смешанных систем, объединяющих искусственные и естественные подсистемы. Теперь такая классификация уже может претендовать на полноту*. Вообще, полнота классификации является предметом особого внимания при ее построении. Иногда есть уверенность в полноте вводимой классификации, иногда нет (и тогда имеет смысл вводить класс “все остальное”), а иногда наша уверенность оказывается самонадеянным незнанием (например, “очевидное” разделение всех людей на мужчин и женщин “не срабатывает” не только для гермафродитов, но и на генетическом уровне: в начале 80-х годов в международном спорте был введен генетический тест в некоторых женских олимпийских видах). Это еще одна иллюстрация модельности, условности всякой классификации.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПО ИХ ПРОИСХОЖДЕНИЮ

Часто оказывается необходимым провести разграничение внутри одного класса, не отказываясь тем не менее от общности в его рамках. Так появляются подклассы, что приводит к многоуровневой, иерархической классификации. При необходимости такая классификация может быть продолжена без изменения ее верхних уровней. Например, двухуровневая классификация систем по происхождению изображена на рис. 4.1. Если полнота классификации первого уровня логически ясна, то второй уровень на полноту не претендует. Разбиение искусственных систем соответствует рассуждениям, приведенным в § 1.2; неполнота на этом уровне связана, например, с еще незавершенным развитием систем искусственного интеллекта. В качестве примеров подклассов смешанных систем можно привести эргономические системы (комплексы машина – человек-оператор), биотехнические (системы, в которые входят живые организмы и технические устройства) и организационные системы (состоящие из людских коллективов, которые оснащены необходимыми средствами). Классификация естественных систем ясна из рис. 4.1; ее неполнота очевидна. Например, не решен окончательно вопрос о том, куда следует отнести вирусы: к живым или неживым системам. Или, скажем, идея В.И. Вернадского о ноосфере шире рамок экологических и социальных систем.

4.1 ————— Классификация систем по их происхождению

В гл. 2 был подчеркнут целевой характер моделей. Не является исключением и классификация: новые цели, учет новых различий между системами порождают и новые классификации. Чтобы как-то упорядочить подходы к классификации систем, воспользуемся общей схемой функционирования системы (рис. 4.2), выделив отдельно систему S, подлежащую управлению U, и управляющую систему, которая это управление вырабатывает. Подчеркнем, что для выработки управления U требуется предсказание его последствий, т.е. нужна модель всей ситуации; с помощью этой модели управляющая система и определяет, какое управление подать на управляемый вход системы. Это иллюстрирует рис. 4.2, где схема изображена еще раз внутри управляющего блока.

4.2 ————— Схема функционирования управляемой системы

И методы нахождения управления U и способы его осуществления, и сам результат управления в немалой степени определяются тем, что известно о системе и что учитывается при выработке управления, т.е. тем, какова модель управляемой системы, и тем, в какой степени эта модель соответствует реальной системе. Рассматривая разные аспекты этого соответствия, можно строить разные классификации систем. Например, представляют интерес следующие классификации: по описанию входных и выходных процессов; по описанию оператора S системы; по типу управления; по обеспеченности управления ресурсами.

ТИПЫ ПЕРЕМЕННЫХ СИСТЕМЫ

Рассмотрим их подробнее. На рис. 4.3 приведена трехуровневая классификация систем по типу входных (X), выходных (Y) и внутренних (Z) (если описание ведется не на уровне “черного ящика”) переменных. Принципиально разных подходов требуют переменные, описываемые качественно и количественно, что и дает основание для первого уровня классификации. Для полноты введен третий класс, к нему отнесены системы, у которых часть переменных носит качественный характер, а остальные являются количественными. На следующем уровне классификации систем с качественными переменными различаются случаи, когда описание ведется средствами естественного языка, и случаи, допускающие более глубокую формализацию. Второй уровень классификации систем с количественными переменными вызван различиями в методах дискретной и непрерывной математики, что и отражено в названиях вводимых классов; предусмотрен и случай, когда система имеет как непрерывные, так и дискретные переменные. Для систем со смешанным количественно-качественным описанием переменных второй уровень является объединением классов первых двух ветвей и на рисунке не приводится. Третий уровень классификации одинаков для всех классов второго уровня и изображен только для одного из них. Различия между классами третьего уровня будут рассмотрены в гл. 6.

4.3 ————— Фрагмент классификации систем по описанию переменных

ТИПЫ ОПЕРАТОРОВ СИСТЕМЫ

Следующая классификация (рис. 4.4) – по особенностям оператора S системы, т.е. классификация типов связей между входными и выходными переменными. Материал для этого типа классификации дает § 3.7. На первом уровне расположены классы систем, отличающиеся степенью известности оператора S. Ветвь “черного ящика” на этом уровне кончается: S считается вообще неизвестным. Чем больше сведений об S мы имеем, тем больше различий можно рассмотреть и тем более развитой окажется классификация. Например, информация об S может носить настолько общий характер, что модель нельзя привести к параметризованной функциональной форме. Так, может быть известно, что в соотношении Y = S (X) функция S непрерывна, монотонна или симметрична; отсюда не следует никаких конкретных выводов о функциональном виде этой зависимости.

4.4 ————— Фрагмент классификации систем по типу их операторов

Непараметризованный класс операторов системы (второй блок первого уровня) и соответствует подобным ситуациям с очень скудной априорной информацией об S.

Наши знания об S могут соответствовать уровню, который позволяет предложить параметрическую модель этого оператора, т.е. записать зависимость y (t) от x (t) в явной форме с точностью до конечного числа параметров q =(q₁,..., q _k): y (t) = S (x (·), q). Этому соответствует третий блок первого уровня классификации. Наконец, если эти параметры также заданы точно, то всякая неопределенность исчезает и мы имеем системы с полностью определенным оператором, т.е. “белый ящик”.

Дальнейшие уровни классификации на рис. 4.4 приведены только для последующих двух ветвей (“черный ящик” не подлежит дальнейшей классификации, а классификация непараметризованных операторов связана с типом имеющейся информации). Второй, третий и четвертый уровни ясны из самого рисунка. Конечно, классификация может быть продолжена (например, линейные операторы принято делить на дифференциальные, интегральные и суммарно-разностные), но мы на этом остановимся.

4.5 ————— Классификация систем по способу управления

ТИПЫ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ

Следующая классификация систем – по способам управления – приведена на рис. 4.5. Первый уровень классификации определяется тем, входит ли управляющий блок в систему или является внешним по отношению к ней; выделен также класс систем, управление которыми разделено и частично осуществляется извне, а частично – внутри самой системы.

Независимо от того, включен ли в систему и вынесен ли из нее управляющий блок, можно выделить четыре основных типа (способа) управления, что и отражено на втором уровне классификации (рис. 4.5). Эти способы различаются в зависимости от степени известности траектории*, приводящей систему к цели, и возможности управляющей системы удерживать управляемую систему на этой траектории.

Первый (простейший) случай имеет место тогда, когда нужная траектория известна точно, а следовательно, априори известно и правильное программное управление u ₀(t). В таком случае это управление можно осуществлять, не обращая внимание на развитие событий; ведь и так известно, как они должны (и будут) развиваться. Стрельба из ружья, работа ЭВМ по программе, рост зародыша живого организма, пользование телефоном-автоматом являются примерами такой ситуации.

Однако случаи, когда управление u ₀(t) без обратной связи, только по априорной информации, приводит к достижению цели, возможны лишь при том условии, что все будет происходить именно так, как предписывает заданная траектория.

Чаще оказывается, что процессы на неуправляемых входах v ₀(t) отличаются от ранее предполагаемых, либо существенным оказывается действие неучитываемых входов и система “сходит с нужной траектории”. Пусть имеется возможность наблюдать текущую траекторию y (t), находить разность y (t) - y ₀(t) и определять дополнительное к программному управление, которое в ближайшем будущем возвратит выходы системы на нужную траекторию y ₀(·). Такой способ управления называется регулированием, а соответствующие системы выделены во второй класс второго уровня классификации (рис. 4.5). Например, этому классу принадлежит управление, которое осуществляется операторами-станочниками, регулятором Уатта, автопилотом, судовым авторулевым, в рефлекторных реакциях животных и т.п.

Следующие способы управления и соответствующие им типы систем возникают в связи с необходимостью управления в условиях, когда либо невозможно задать опорную программную траекторию на весь период времени, либо уклонение от нее столь велико, что невозможно вернуться на нее (регулирование обычно осуществляется при “малых” в известном смысле уклонениях* y (t) - y ₀(t). Теперь нам необходимо спрогнозировать текущую траекторию y (t) на будущее и определить, пересечет ли она целевую область Y*. Управление состоит в подстройке параметров системы до тех пор, пока такое пересечение не будет обеспечено. Этому и соответствует третий класс систем. Примерами такого управления являются процессы адаптации живых организмов к изменяющимся условиям жизни, работа пилотов и шоферов, адаптивные и автоматизированные системы управления и т.п.

Иногда может оказаться, что среди всех возможных комбинаций значений управляемых параметров системы не найдется такой, при которой ее траектория пересечет целевую область. Это означает, что цель для данной системы недостижима. Но, может быть, она достижима для другой системы? Сказанное дает еще один способ управления: изменять структуру системы в поисках такой, при которой возможно попадание в целевую область. По существу, имеет место перебор разных систем, но это системы с одинаковыми выходами Y, создаваемыми не произвольно, а в соответствии с наличными средствами. Такое управление, называемое структурной адаптацией [11], выделим в четвертый класс классификации второго уровня (рис. 4.5). Примерами реализации указанного управления являются гибкие автоматизированные производства, вычислительные сети, сельскохозяйственные машины со сменными навесными и прицепными устройствами, мутации организмов в процессе естественного отбора, организационные изменения в государственном аппарате и т.д.

На этом закончим классификацию по типам управления, хотя ее можно развивать и дальше, не только “вглубь”, но и “вширь”. Например, в [11] предлагается рассматривать и тот случай, когда всевозможные преобразования структуры также не приводят к реализации цели. Это означает принципиальную недостижимость цели при имеющихся ресурсах, и предлагается отказ от старой цели и задание новой рассматривать как “управление (адаптацию) по целям”. Мы воздержимся от такого обобщения, хотя примерно так действует руководитель коллектива, ставя перед подчиненными посильные для них цели. Условимся этап выявления цели считать не входящим в понятие управления, предшествующим ему во времени.

Наиболее интересной с нашей точки зрения является классификация систем, рассмотренная в следующем параграфе, поскольку она придает достаточно конкретный смысл терминам “большая система” и “сложная система”. Это очень важные понятия во всей системологии, поэтому этой классификации и посвящен отдельный параграф.