Общие характеристики и особенности систем

Берикашвили В.Ш.

 

 

Теория систем и системный анализ

 

 

Москва 2014

 

Берикашвили В.Ш. Теория систем и системный анализ. Учебное пособие. –М.: МАМИ, 2014, 140 с.

 

Учебное пособие написано в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования дисциплины "Теория систем и системный анализ". Даны определения и основные понятия системного анализа. Детально рассмотрены методология и приемы системного анализа на основе декомпозиции и агрегирования. Особое внимание уделено вопросам функционально-целевого подхода, математического описания и моделирования систем.
Доступное изложение материала, без ущерба качеству основано на наиболее цитируемой литературе по данному вопросу. При разработке материала пособия использовался материал, опубликованный по данной тематике, опыт преподавания и изучения дисциплины в вузах Российской Федерации, а также личный опыт автора. Практически все важные теоретические положения, приведенные в пособии, иллюстрированы примерами. Содержится список контрольных вопросов и список современной литературы по данной дисциплине.

Пособие предназначено для студентов вузов, изучающих дисциплину "Теория систем и системный анализ", специальностям «Автоматизированные системы управления», «Прикладная информатика (в технике и экономике)», а также других специальностей.

 

 

 

 

ВВедение

Изучения общей теории систем, в соответствии с её историческим развитием от изучения простых механических систем до сложных кибернетических, биологических и социальных, является основой для изучения многих более ее сложных дисциплин связанных с организацией и управленем производством и государственным управлением. На её основе разработана дисциплина «Теория информационных процессов и систем». Уже на этапах изложения общей теории систем возникают понятия о связях между элементами внури системы и между отдельными системами. Связи эти могут быть физическими и информационными. Рассмотрение теоретических основ технических, социальных и информационных систем содержится в последующих разделах пособия.

На основе общей теории систем в пособии последовательно рассматриваются вопросы анализа и синтеза систем. При этом могут использоваться как качественные методы на основе экспертных оценок, так и количественные – на основе математического описания и моделирования систем. При рассмотрении систем важно описание процессов, происходящих в них. Для описания процессов взаимодействия подсистем в системе и под влиянием внешних воздействий, хорошо действуют методы с использованием аппарата дифференциальных уравнений, динамических моделей типа «четырёхполюсник», агрегатных моделей и кибернетический подход с использованием обратных связей. Эти вопросы последовательно рассмотрены в пособии.

Особое внимание в пособии уделено вопросам построения и оптимизации систем на основе декомпозиции и агрегирования. Методология анализ и синтеза систем на основе декомпозиции, агрегирования и моделирования изложена в главе 4. Практический пример построения производственного предприятия на основе системно-целевого подхода также приведен в этой главе.

 

Глава 1. Общая Теория систем и системный анализ

 

Основные термины и определения

Система — это совокупность взаимосвязанных разнородных объектов (элементов, устройств, подсистем), предназначенная для выполнения определенных функций в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом развития и противоречий.

В "Философском словаре" система определяется как "совокупность элементов, находящихся между собой в определенных отношениях и связях и образующих некоторое целостное единство".

В этих определениях большое значение придается связям элементов в целое, что позже трансформировалось в понятие «структура системы».

Структура системы — связь элементов в целое. Связь может быть как физическая (механическая, химическая, экономическая) так и чисто информационная (передача распоряжений, команд, данных).

Системный анализ — совокупность методов и средств, используемых при исследовании и конструировании сложных и сверхсложных объектов (систем), прежде всего методов выработки, принятия и обоснования решений при проектировании, создании и управлении социальными, экономическими, человеко-машинными и техническими системами.

Понятие системный анализ иногда отождествляется с понятием системный подход, но такая обобщенная трактовка вряд ли оправданна. Термин системный анализ возник в 1960-х как результат развития исследования операций и системотехники. Теоретическую и методологическую основу системного анализа составляют системный подход и общая теория систем. Таким образом, системный анализ применяется, главным образом, к исследованию искусственных (возникших при участии человека) систем, причем в таких системах важная роль принадлежит деятельности человека.

Информационные системы - системы, в которых действуют в основном информационные связи.

Технические системы – системы, в которых в основном материальные объекты и протекают материальные (физические и химические) процессы.

Биологические системы – системы, в которых находятся биологические объекты и процессы.

Системы

Основоположник теории систем Людвиг Фон-Берталанфи определял систему как комплекс взаимодействующих элементов или как совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой. А. Холл определяет систему как множество предметов вместе со связями между предметами и между их признаками. Во многих определениях в той или иной форме говорится о том, что система - это элементы и связи (отношения) между ними. В книге "Общая теория систем" М. Масарович и Я. Такахара определяют систему как "формальную взаимосвязь между наблюдаемыми признаками и свойствами". Позднее в определениях системы появляется понятие целевого или функционального назначения системы.

В определение понятия системы наряду с элементами, связями и их свойствами и целями начинают включать взаимодействие с внешними факторами. Необходимость учета взаимодействия между элементами системы и внешней средой, а также понятие гомеостаза и равновесия внутри системы впервые ввел один из основоположников кибернетики У. Р. Эшби.

Определения понятия "система" в зависимости от количества учитываемых факторов и степени сложности можно представить в нижеприведенной символьной форме [3].

1. Система - нечто целое:

S=А(1,0).

Это определение выражает факт существования и целостность. Двоичное суждение А(1,0) отображает наличие или отсутствие этих качеств.

2. Система - организованное множество (Темников Ф. Е.):

S=(орг, М),

где: орг - оператор организации (структура), М - множество.

З. Система - множество вещей, свойств и отношений (Уемов А. И.):

S=({т},{n},{r}),

где: {т} - вещи, {n} - свойства, {r} - отношения.

4. Система - множество элементов, образующих структуру, подчинённых определенному поведению в условиях окружающей среды:

S=(e, SТ, ВЕ, Е),

где: e - элементы, SТ - структура, ВЕ - поведение, Е - среда.

5. Система - множество входов, выходов и состояний, характеризующаяся оператором переходов и оператором выходов:

S=(Х, Y, Z, H, G),

где: Х - входы, Y - выходы, Z - состояния, Н - оператор переходов, G - оператор выходов. Это определение учитывает все основные компоненты, рассматриваемые в автоматике.

6. Биологическое определение системы, как и последующие, соответствуют уровню биосистем:

S=(GN, KD, MB, EV, FC, RP),

где учитывается генетическое (родовое) начало GN, условия существования КD, обменные явления МВ, развитие ЕV, функционирование FС и репродукцию (воспроизведение) RР

7. Кибернетическое определение системы (определение, удобное при нейрокибернетических исследованиях):

S=(F, SС, R, FL, FO, СО, JN).

Это определение оперирует понятиями модели F, связи SС, пересчета R, самообучения FL, самоорганизации FО, проводимости связей СО и возбуждения моделей JN.

8. Система в теории автоматического управления соответствует определению 5 дополненному фактором времени и функциональными связями:

S=(Т, X, Y, Z, W., V, h, j),

где: Т - время, Х - входы, Y - выходы, Z - состояния, W. - класс операторов на выходе, V - значения операторов на выходе, h - функциональная связь в уравнении y(t₂)= h (x(t₁),z(t₁),t₂), j - функциональная связь в уравнении z(t₂)= j (x(t₁), z(t₁), t₂).

9. Для описания организационных систем удобно в определении системы учитывать следующее:

S=(РL, RO, RJ, EX, PR, DT, SV, RD, EF),

где: РL - цели и планы, RO - внешние ресурсы, RJ - внутренние ресурсы, ЕХ - исполнители, PR - процесс, DТ - помехи, SV - контроль, RD - управление, ЕF - эффект.

В литературе по теории систем обычно в качестве "рабочего" определения понятия системы понимают «множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующее определенную целостность, единство».

Это определение учитывает интегративное свойство системы, её целост­ность, качественно новое образование по сравнению с составляющими ее частями, т.е. объект, свойства которого не сводятся без остатка к свойствам составляющих его дискретных элементов (неаддитив­ность свойств).

Системы и подсистемы

Любой элемент системы можно рассматривать как самостоятельную систему более низкого поряд­ка, выполняющую часть функций необходимых для достижения цели всей системы. Каждый элемент системы выполняет свою функцию. Под функцией понимается вещественно-энергетические и информационные отношения между входными и выходными процессами. Если такой элемент системы обладает собственной внутренней структурой, т.е. состоит из более простых элементов, объединенных своими внутренними связями, то его называют подсистемой. Подобное описание может быть ис­пользовано при описании больших систем, а также при реализации методов анализа и синтеза систем. Следствием такого определения является основополагающий закон системнос­ти, говорящий о том, что любой элемент может быть либо подсистемой в некоторой системе либо, подсистемой среди множества объектов аналогич­ной категории. Элемент всегда является простейшей неделимой частью системы и вне ее не имеет смысла.

Различные определения системы можно использовать не выделяя ни одного из них в качестве основного, в зависимости от сложности и вида изучаемой системы (социальная, биологическая, техническая и т.д.). Неоднозначность выбора понятия системы или формы её описания может использоваться на различных стадиях исследования. Иногда рекомендуется воспользоваться максимально полным способом описания системы, а потом выделить наиболее важные компоненты влияющие на ее функционирование и сформулировать рабочее описание системы.

Рассмотрим основные понятия, используемые в системном анализе для характеристики строения и функционирования систем.

Элемент. Под элементом принято понимать простейшую неделимую часть системы. С другой стороны, ответ на вопрос, что является такой частью, зависит от цели рассмотрения объекта как системы, т.е. от точки зрения на него или от степени глубины его изучения. Таким образом, элемент - это предел деления системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели. Систему можно расчленить на более мелкие элементы различными способами в зависимости от формулировки цели и ее уточнения в процессе исследования.

Подсистема. Система может быть разделена на элементы не сразу, а последовательным расчленением на более крупные подсистемы, затем на более детальные подсистемы, которые представляют собой компоненты более крупные, чем элементы, и в то же время более детальные, чем вышестоящая подсистема. Возможность деления системы на подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы. Названием "подсистема" подчеркивается, что такая часть должна обладать свойствами системы (в частности, свойством целостности). Этим подсистема отличается от простой группы элементов, для которой не сформулирована подцель и не выполняются свойства целостности (для такой группы используется название "компоненты"). Например, равноправные подсистемы АСУ, подсистемы пассажирского транспорта крупного города.

Структура. Это понятие определяет связь между элементами системы. Оно происходит от латинского слова structure, означающего строение, расположение, порядок. Структура отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и их группами (компонентами, подсистемами), которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Структура - это совокупность элементов и связей между ними. Структура может быть представлена графически, в виде теоретико-множественных описаний, матриц, графов и других языков моделирования структур.

Структуру часто представляют в виде иерархии.

Иерархия - это упорядоченность компонентов по степени важности (многоступенчатость, служебная лестница). Между уровнями иерархической структуры могут существовать взаимоотношения строгого подчинения компонентов (узлов) нижележащего уровня одному из компонентов вышележащего уровня, т. е. отношения так называемого древовидного порядка. Такие иерархические структуры называют сильными или иерархиями типа "дерева". Они имеют ряд особенностей, делающих их удобным средством представления систем управления. Однако могут быть связи и в пределах одного уровня иерархии. Один и тот же узел нижележащего уровня может быть одновременно подчинен нескольким узлам вышележащего уровня. Такие структуры называют иерархическими структурами «со слабыми связями». Между уровнями иерархической структуры могут существовать и более сложные взаимоотношения, например, типа "стратов", "слоев", "эшелонов". Примеры иерархических структур: энергетические системы, АСУ, государственный аппарат.

Связь. Понятие "связь" входит в любое определение системы наряду с понятием "элемент" и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Это понятие характеризует одновременно и строение (статику), и функционирование (динамику) системы. Связи бывают материальные (физической природы) и информационные.

Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом). По этим признакам связи можно разделить на: направленные и ненаправленные, сильные и слабые. По характеру связей их можно разделить на связи: подчинения, генетические, равноправные (или безразличные), управления. Связи можно разделить также по месту приложения (внутренние и внешние), по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные). Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы несколькими из названных признаков.

В системных исследованиях важную роль играет понятие "обратной связи". Это понятие всегда можно видеть на примерах технических устройств, и заметить и применить в организационных системах. Исследованию этого понятия большое внимание уделяется в кибернетике, в которой изучается возможность перенесения механизмов обратной связи, характерных для объектов одной физической природы, на объекты другой природы. Обратная связь является основой саморегулирования систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования и развития. В информационных системах обратные связи играют важную роль и без них не могут работать системы управления.

Состояние. Понятием "состояние" обычно характеризуют мгновенную фотографию, "срез" системы в момент времени, остановку в ее развитии. Состояние системы определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры (макросвойства) системы. Например, давление, скорость, ускорение - для физических систем; и производительность, себестоимость продукции, прибыль - для экономических систем.

Более полно состояние системы можно определить, учитывая элементы e (или компоненты, функциональные блоки), определяющие состояние. Если учесть, что "входы" можно разделить на управляющие u и возмущающие х (неконтролируемые) и что "выходы" (выходные результаты, сигналы) зависят от e, u и х, т.е. z_t=f(e_t, u_t, x_t). Тогда, в зависимости от постановки задачи, состояние может быть определено как {e, u}, {e, u, z} или {e, х, u, z}.

Таким образом, состояние - это множество существенных свойств, которыми система обладает в данный момент времени.

Поведение -этоспособность системы переходить из одного состояния в другое (например, z₁®z₂®z₃). Этим понятием пользуются когда неизвестны закономерности переходов из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает определенным поведением, и выясняют его закономерности. С учетом введенных выше обозначений поведение можно представить как функцию z_t=f(z_t-1, x_t, u_t).

Внешняя среда. Под внешней средой понимается множество элементов, которые не входят в систему, но изменение их состояния вызывает изменение поведения системы. Система должна исследоваться с учетом взаимодействия с внешней средой.

Модель. Под моделью системы понимается описание системы, отображающее определенную сторону или группу ее свойств. Более углубленное описание соответствует детализации модели. Создание модели системы позволяет предсказывать (моделировать) ее поведение в определенном диапазоне условий.

Модель функционирования (поведения) системы - это модель, предсказывающая изменение состояния системы во времени. Например, натурные, аналоговые, электрические, механические, имитационные (на ЭВМ) и др. модели, и соответствующее им моделирование.

Равновесие - это способность системы сохранять свое состояние сколь угодно долго в отсутствие или при постоянстве внешних возмущающих воздействий.

Устойчивость. Под устойчивостью понимается способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща равновесным системам, если только отклонения не превышают некоторого порогового значения.

Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, по аналогии с техническими устройствами называют устойчивым состоянием равновесия. Равновесие и устойчивость в экономических и организационных системах - гораздо более сложные понятия, чем в технике, и до недавнего времени ими пользовались только для некоторого предварительного описательного представления о системе. В последнее время появились попытки формализованного отображения этих процессов и в сложных организационных системах, помогающего выявлять параметры, влияющие на них.

Развитие. Исследованию процесса развития, соотношений, характеризующих его и характеристики устойчивости, изучению механизмов, лежащих в их основе, уделяют в кибернетике и теории систем большое внимание. Понятие развития помогает объяснить сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе.

Цель. Применение понятия "цель" и связанных с ним понятий целенаправленности, целеустремленности, целесообразности сдерживается трудностью их однозначного толкования в конкретных условиях. Это связано с тем, что процесс целеобразования и соответствующий ему процесс обоснования целей в организационных системах весьма сложен и не до конца изучен. Его исследованию большое внимание уделяется в психологии, философии, кибернетике. В различных словарях и энциклопедиях цель определяется как "заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека". В практических применениях цель - это идеальный итог, к которому стремится коллектив или созидатель учитывая реальные возможности, обеспечивающие своевременность завершения очередного этапа на пути к идеальному конечному результату.

Цель системы. Состояние системы описывается рядом переменных x ₁.. x _n (параметров). Одна из переменных или группа переменных x_i, должна поддерживаться в определенном значении x_i=F(X,t) (или диапазоне значений), называемой целевой функцией. В биологических объектах таким параметром является температура тела.

Иногда целью системы является выполнение каких либо функций. У завода это, например, выпуск автомобилей, у радиостанции - непрерывное радиовещание.

В настоящее время в связи с усилением программно-целевых принципов в планировании исследованию закономерностей целеобразования и представления целей в конкретных условиях уделяется все больше внимания. Например: энергетическая программа, продовольственная программа, жилищная программа, программа перехода к рыночной экономике. Понятие цель лежит в основе развития системы.

 

Общие характеристики и особенности систем

Сложная система состоит из подсистем, и элементов системы. Подсистемы могут состоять из более мелких подсистем и элементов. Каждую подсистему также можно представить в виде более мелких подсистем низшего порядка. Элементом называется неделимая часть системы, выполняющая наиболее простые действия. Состав сложной системы и взаимосвязи внутри системы схематически изображены на рис. 1.1.

Сложная система характеризуется структурой. Структура – это связь элементов в целое. Связи могут быть двусторонними и односторонними, сильными и слабыми, равноправными и неравноправными, на уровне подсистем и на уровне элементов (рис. 1.2). Как правило, в сложных системах преобладают иерархические структуры, в которых нижележащие подсистемы (элементы системы) подчиняются верхним (рис. 1.2, б).

 

 

Рис.1.1. Состав сложной системы и связи подсистем

(Э _i - элементы системы)

 

Рис.1.2. Связи элементов сложной системы

(а - произвольная, б - иерархическая)

 

Связи подсистем и элементов сложной системы определяют структуру системы. Элементы связаны между собой и имеют входные воздействия и выходные сигналы. Таким образом, элемент является узлом связей с входами и выходами, как это показано на рис 1.3.

Рис.1.3. Элемент как узел связей

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: