 |
Компоненты, связь в системе
|
|
|
|
Логично связываются три пары понятий:
· целое – часть,
· объект – компонент,
· система – элемент.
Элемент/компонент – минимальная часть совокупности материальных образований, обладающая определенной целостностью и самостоятельностью по отношению к данной системе, состояние и функциональные особенности которой могут быть измерены или описаны в терминах известного языка. Элемент обозначается некоторым высказыванием, знаком, символом, называемым переменной. При изучении системы состояние элемента может изменяться в зависимости от различных факторов, то есть переменные принимают некоторые значения на определенном для них множестве значений (качественные, порядковые или количественные характеристики). Последовательные изменения состояния элемента называют движением элемента/ функция компонента.
Параметр – оперативно выраженный элемент исследования системы, служащий формой локализации информации о свойствах и признаках этой системы. Параметрами системы называют те переменные, значения которых принимаются неизменными при решении данной задачи. Изучить систему – значит определить элементы системы, выразить их переменные, найти значения переменных, выделить параметры. Факт наличия взаимоотношений любого рода между частями рассматриваемой совокупности, зависимость свойств одного элемента от свойств других элементов, называется связью.
Классификация типов связей приведена в табл.1.
Установить связь между элементами – значит выявить наличие зависимостей их свойств. Двусторонняя зависимость свойств одного элемента от свойств других элементов называется взаимосвязью.
Взаимодействие – это совокупность взаимосвязей и взаимоотношений между свойствами элементов, когда они приобретают характер взаимосодействия друг другу. Элементы, не полностью идентифицируемые, то есть те, для которых не удается установить заданные критериями идентификации отношения с другими элементами, следовательно, имеют эти отношения с окружением системы, исследователем-наблюдателем или со средой. Такие элементы называют входами и выходами системы (рис. 3).
|
|
|
Рис. 3. Входы и выходы системы
Входы системы x(t) - это различные точки приложения влияния (воздействия) внешней среды на систему, через их посредство наблюдатель или среда оказывает воздействие на объект.
Выходы системы y(t) - различные точки приложения влияния (воздействия) системы на внешнюю среду, через их посредство объект оказывает воздействие на наблюдателя или среду.
Совокупность всех связей элементов системы и образует ее структуру.
Общесистемные свойства
Целостность - комплекс объектов представляет собой некоторое единство, обладающее общими свойствами и поведением, относительной независимостью от среды и других систем. Изменение любого компонента системы оказывает воздействие на все другие еѐ компоненты и приводит к изменению системы в целом; а любое изменение системы отзывается на всех еѐ компонентах; то есть означает преобразование компонентов, входящих в систему.
Делимость - объект рассматривается в качестве состоящего из элементов.
Функциональность - создание системы обусловлено объективной необходимостью, она существует для выполнения определенной функции в среде.
Изолированность - комплекс объектов, образующих систему, и связи между ними можно отграничить от их окружения и рассматривать отдельно.
Относительность изолированности - учитывается воздействие наблюдателя и среды на объект и его обратное воздействие через элементы, являющиеся входами и выходами.
|
|
|
Наблюдаемость - все без исключения входы и выходы системы либо контролируемы исследователем-наблюдателем, либо, по крайней мере, наблюдаемы.
Неопределенность - невозможность одновременно фиксировать все свойства и отношения элементов системы.
Идентифицируемость - каждая составная часть системы (элемент) может быть отделена от других составляющих и отождествлена, опознана.
Дискретность (автономия элементов) - каждый элемент системы обладает собственным поведением и состоянием, отличным от поведения и состояния других элементов и системы в целом.
Наличие связей - компоненты системы существуют не независимо, а имеют друг с другом определенные связи.
Организованность - элементы (части) системы взаимосвязаны и взаимодействуют определенным образом, организованы в пространстве и времени.
Структурность - относительно устойчивый, изменяющийся в пространстве и времени способ внутренних связей и отношений системы, который определяет ее функциональную деятельность.
Упорядоченность - наличие некоторых критериев, на основании которых части системы соотносятся друг с другом для их взаиморасположения в структуре.
Отображаемость - язык наблюдателя имеет достаточно общих элементов с естественным языком исследуемого объекта, чтобы найти соответствие и отобразить все свойства и отношения, которые нужны для решения задачи.
Множественность, сложность системы - возможность и сложность изображения исследуемой системы в виде вербальной, математической или иной модели.
Нетождественность отображения - знаковая система наблюдателя отлична от знаковой системы проявления свойств объекта и их отношений, следовательно, система отображается с помощью перекодирования в новую знаковую систему. При этом неизбежна потеря информации.
Иерархичность - система рассматривается как элемент системы более высокого порядка, а каждый ее элемент - как система. Наличие в системе нескольких уровней, подчиненных по нисходящей, со своими зонами ответственности, ресурсами, локальными целями. Это упорядоченность по степени подчиненности.
Эмерджентность, интегративность - принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов. Система обладает свойствами, отсутствующими у ее элементов.
|
|
|
Качественные же и количественные описания особенностей, присущих тем или иным типам систем, следует отнести в отдельную группу и назвать характеристиками систем. Характеристики отдельных видов систем являются продолжением, развитием их общесистемных свойств.
Классификация систем
Начиная сравнивать и различать системы, считать одни из них одинаковыми, другие – различными, тем самым вводим и осуществляем их классификацию. Классификация – это только модель реальности. Поэтому классификацию не следует абсолютизировать: реальность всегда сложнее любой модели. Полнота классификации является предметом особого внимания при её построении. Иногда есть уверенность в полноте вводимой классификации, иногда нет.
Классификация систем по целевым признакам
· Одноцелевые системы, то есть предназначенные для решения одной единственной целевой задачи.
· Многоцелевые — для решения нескольких целевых задач.
· Функциональные системы — обеспечивающие решение или рассмотрение отдельной стороны или аспекта задачи (планирование, снабжение и т. п.).
Классификация систем по длительности существования
· Постоянные системы — это искусственные системы, которые в процессе заданного времени функционирования сохраняют существенные свойства, определяемые предназначением системы.
· С точки зрения диалектики все существующие системы – временные.
Классификация систем по происхождению
· Естественные — продукт развития природы, возникли без вмешательства человека (климат, почва, живые организмы, солнечная система и др.).
· Искусственные — результат созидательной деятельности человека. Их количество постоянно увеличивается.
· Смешанные — объединение элементов естественных и искусственных систем.
Если полнота классификации первого уровня логически ясна, то второй уровень на полноту не претендует. Неполнота на этом уровне связана, например, с еще незавершенным развитием систем искусственного интеллекта.
|
|
|
Эргономические системы – это комплексы «машина – человек – оператор». Биотехнические системы – это системы, в которые входят живые организмы и технические устройства.
Организационные системы – это системы, состоящие из людских коллективов, которые оснащены необходимыми средствами.
Новые цели, учет новых различий между системами порождают и новые классификации.
Рис. 4. Классификация систем по происхождению
Классификация систем по изменчивости свойств
· Статические — это система с одним состоянием, при ее исследовании можно пренебречь изменениями во времени характеристик ее существенных свойств.
· Динамические системы имеют множество возможных состояний, которые могут меняться как непрерывно, так и дискретно.
Классификация систем по реакции на возмущающее воздействие
· Активная - система способная противостоять воздействиям среды и сама воздействовать на нее.
· Пассивная - система, у которой свойство противостоять воздействиям среды и самой воздействовать на нее отсутствует.
Классификация систем по реакции на изменения внешних условий
· Адаптивная система — это система, приспосабливающаяся к изменению внешних условий путем изменения своих параметров или структуры для достижения требуемого качества функционирования;
· Неадаптивная — система, в которой процесс выработки приспособлений к изменяющимся внешним условиям отсутствует.
Классификация систем по степени сложности (ресурсной обеспеченности)
· Простая - обычная совокупность связей и отношений исследуемого объекта в стационарных условиях, характеризующего взаимной независимостью свойств.
· Сложная - такое сочетание факторов, при котором составными элементами структуры системы является не только ее внутренний элементный состав, но и условия, в которых функционирует система, а также возможности, которые она способна реализовать.
· Большая - сложные пространственно-распределенные системы, в которых подсистемы относятся к категориям сложных.
Нужное управление отыскивается с помощью отбора среди возможных управлений, сравнения по каким-то критериям последствий каждого из них. Для того, чтобы модель «заработала» или, как говорят, была актуализована, необходимы затраты ресурсов: модель нужно не только воплотить в каком-то реальном виде, но и обеспечить, чтобы она позволяла получать решение нужного качества и к нужному моменту времени. В реальности оказывается, что имеющиеся ресурсы не всегда позволяют обеспечить полное выполнение этих условий. Поэтому имеют место принципиально разные ситуации в зависимости от того, в какой степени обеспечено ресурсами управление. Системы при этом выступают как качественно различные объекты управления.
|
|
|
Классификация систем по степени ресурсной обеспеченности управленияприведена рис. 5.
Рис. 5. Классификация систем по степени ресурсной обеспеченности управления
Системы, моделирование которых затруднительно вследствие их размерности, будем называть большими. Существует 2 способа перевода больших систем в разряд малых: − разрабатывать более мощные вычислительные средства; − осуществлять декомпозицию многомерной задачи на совокупность связанных задач меньшей размерности (если природа системы это позволяет).
Сложной системой будем называть систему, в модели которой не хватает информации для эффективного управления. Имеется 2 способа перевода системы из разряда сложной в разряд простой: − выяснение конкретной причины сложности, получение недостающей информации и включение её в модель; − смена цели, что в технических системах обычно неэффективно, но в отношениях между людьми это часто единственный выход. Отметим, что термины «большая» и «сложная» система в системологии окончательно еще не установились. Некоторые авторы вообще не используют эти понятия, другие используют их как синонимы, третьи связывают сложность с некоторыми особенностями самих систем. Примеры систем по степени сложности: Малые простые: исправные бытовые приборы – для пользователя; неисправные – для мастера; шифрозамок – для хозяина сейфа. Малые сложные: неисправный бытовой прибор – для пользователя. Большие простые: шифрозамок для похитителя; точный прогноз погоды; полный межотраслевой баланс. Большие сложные: мозг, экономика, живой организм.
Классификация систем по описанию входных и выходных процессов
Приведем трехуровневую классификацию систем по типу входных (X), выходных (Y) и внутренних (Z) переменных (рис. 6).
Рис. 6. Классификация систем по описанию входных и выходных процессов
Принципиально разных подходов требуют переменные, описываемые качественно и количественно, что и дает основание для первого уровня классификации. Для полноты введен третий класс – смешанные системы. 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. Для систем со смешанным количественно-качественным описанием переменных второй уровень является объединением классов первых двух ветвей и на рисунке не приведен.
Третий уровень классификации одинаков для всех классов второго уровня и изображен только для одного из них.
Классификация систем по описанию системы
Чем больше сведений об S известно, тем больше различий можно рассмотреть и тем более развитой окажется классификация. На первом уровне расположены классы систем, отличающиеся степенью известности оператора S системы.
«Черный ящик»: оператор S считается вообще неизвестным.
Непараметризованный класс операторов системы: информация об операторе S системы носит 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.
Параметризованный класс операторов системы позволяет записать зависимость y(t) от x(t) в явной форме с точностью до конечного числа параметров.
«Белый ящик» - конечное число параметров точно заданы. Дальнейшие уровни классификации приведены только для третьего и четвертого блоков первого уровня.
Классификация может быть продолжена: линейные операторы принято делить на дифференциальные, интегральные и суммарно-разностные и т.д.
Рис. 7. Классификация систем по описанию оператора системы
Классификация систем по характеру поведения и способу управления
Без управления - система, в которой процессы целеполагания и целеосуществления не реализуются.
С управлением (целенаправленные) - система, в которой реализуются процессы целеполагания и целеосуществления.
По способу управления системы определяются тем, входит ли управляющий блок в систему или является внешним по отношению к ней; выделен класс систем, управление которыми разделено и частично осуществляется извне, а частично – внутри самой системы.
Независимо от того, включен ли в систему или вынесен из неё управляющий блок, можно выделить 4 основных типа (способа) управления — рис. 8. 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, заранее известно и правильное управление u0(t). В таком случае, это управление можно осуществлять, не обращая внимания на развитие событий.
Часто оказывается, что процессы на неуправляемых входах 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 с нужной y(t) – y0(t) и определять дополнительное к программному управление, которое в ближайшем будущем возвратит выходы системы на нужную траекторию y0(t).
Такой способ управления называется регулированием.
Рис. 8. Классификация систем по способам управления
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 неё столь велико, что невозможно на неё вернуться.
Управление состоит в подстройке параметров системы до тех пор, пока система не выйдет на нужную траекторию (третий класс систем).
Иногда может оказаться, что среди всех возможных комбинаций значений управляемых параметров системы не найдется такой, при которой её траектория пересечет целевую область. Это означает, что цель для данной системы недостижима. Способ управления: изменять структуру системы в поисках такой, при которой возможно попадание в целевую область – структурная адаптация.
Классификация систем по степени связи с внешней средой
Или по соотношению экзогенных и эндогенных переменных, включаемых в модель:
Открытая - система, взаимодействующая с внешней средой на основе прямых и обратных связей; зависящая от среды. Все живые системы являются открытыми.
Закрытая - система, имеющая одностороннюю связь со средой.
Изолированная - система, не имеющая связей с внешней средой, не включающая экзогенные переменные в свой состав; ее конструирование требует полного абстрагирования от «среды». Процессы самоорганизации в них невозможны.
Классификация систем по степени участия человека
· Техническая - система, функционирующая без участия человека, представляющая собой комплекс устройств автоматического изменения, то есть реализующая процесс технологического управления.
· Человекомашинная (эргатическая) - автоматизированные системы управления различного назначения, где человек принимает окончательное решение, а средства автоматизации помогают ему обосновать его правильность.
· Организационная - социальная система, элементами которой являются люди.
|
|
|
