Раздел 4. Основы теории систем и системного анализа

 

8. Система.

Традиции определения понятия «система», внешняя среда, вход, выход, свойства системы.

 

Потребность в использовании понятия «система» возникла для объектов различной физической природы с древних времен. «Целым называется (1) то, у чего не отсутствует ни одна из тех частей, состоя из которых оно именуется целым от природы, а также (2) то, что так объемлет объемлемые им вещи, что последние образуют нечто одно» (Метафизика, 1023). Примеры систем: солнечная система, энергосистема, система управления городом, экономическая система, система кровообращения, нервная система, система уравнений, система счисления.

Термин система используют в тех случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объект как нечто целое (единое), сложное, о о котором невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав математическим выражением (формулой, уравнением и т.п.).

Система – комплекс взаимодействующих компонентов.

Людвиг фон Берталанфи — австрийский биолог и философ (с 1949 — в США и Канаде). Один из авторов оригинального построения общей теории жизни, выдвинул одну из первых в западной литературе версий общей теории систем. Был редактором издаваемого с 1956 ежегодника «GeneralSystems» («Общие системы»). Основные сочинения: «Теоретическая биология» (Т. 1, 1931; Т. 2, 1951), «Биологическая картина мира» (1949), «Роботы, люди, разум» (1967), «Общая теория систем. Основания, развитие, применение» (1968).

Система – организованное множество.

Федор Евгеньевич Темников – доктор технических наук, профессор, один из основателей российской школы информатики. Прочитал первый в стране курс «Теория систем».

Система – взаимосвязанная совокупность элементов, свойства которой определяются отношениями между элементами.

Уемов Авенир Иванович - доктор философских наук, профессор. Внес значительный вклад в системный анализ.доктор философских наук, профессор кафедры философии естественных факультетов Одесского национального университета им. И.И. Мечникова.

Основные работы: О временном соотношении, между причиной и действием. Иваново, 1960; Вещи, свойства и отношения. М., 1963; Системы и системные параметры // Проблемы формального анализа систем. М., 1968; Логические основы метода моделирования. М., 1971; Системный подход и общая теория систем. М., 1978;Системный подход к классификации наук и научных исследований // ФИ. 2000. 2; Сисмтемные аспекты философского знания. Одесса, 2000.; Метатафизика. Учебное пособие. – Одесса, Астропринт, 2010. – 258 с.

А.В.Колесников, Л.П.Михлин, Ю.Я.Настин, В.Ф.Пономарев. Автоматизированные системы управления предприятиями рыбного хозяйства. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.Если из множества элементов выделить некоторое подмножество с заданными свойствами, а на нем с помощью заданного множества отношений сформировать новый элемент, свойства которого (свойство целостности) не сводимо к сумме свойств элементов, его формирующих, то данный новый элемент может быть назван системой, а множество элементов, не охваченных заданным множеством отношений,- внешней средой. Взаимодействие системы с внешней средой осуществляется через внешние связи – «вход» и «выход».

Вход – отношение, обуславливающее влияние внешней среды на систему. Их иначе называют «возмущениями». Природа этих возмущений для предприятий - выделение или ограничение ресурсов: материальных, энергетических, трудовых, денежных, информационных и др.

Выход – отношение, обуславливающее влияние системы на состояние внешней среды. Для предприятия это услуги и изделия, энергия, информация передаваемые из системы вор внешнюю среду

Иногда отношения входа и выхода называют параметрами системы.

Свойства системы: 1. Система состоит изминимум двух элементов; 2. Элементы системы взаимосвязаны; 3. Связи элементов системы не хаотичны, им присуща организация; 4. Связи элементов системы много теснее (сильнее), чем связи элементов системы и элементов внешней среды; 5. Свойство системы в целом не может быть получено простым суммированием свойств ее отдельных элементов. Это свойство называется эмерджентностью.Эмердже́нтность (от англ. emergent — возникающий, неожиданно появляющийся); синоним — «системный эффект».

 

 

9. Строение и функционирование систем.

Элемент, компонента, связь, цель, мечта, задача, сложная задача, проблема, структура, вертикальная связь, горизонтальная связь, иерархия, формы организации горизонтальных связей, коллективные решения на горизонтальных структурах, состояние, ситуация, поведение, устойчивость, развитие.

 

Рассмотрим основные понятия уточняющие представление о системе.Они взаимосвязаны и не могут быть определены независимо.

Элемент – это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи. Систему можно расчленять на элементы различными способами.

Подсистема – относительно независимая часть системы, обладающая свойствами системы, и в частности, имеющая подцель, на достижение иен которой ориентирована подсистема, а также другие свойства: целостности и коммуникативности.

Компонента - совокупность однородных элементов, не обладающих целостностью и коммуникативностью.

Понятие связи водит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение ее целостных свойств. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику),и функционирование (динамику) системы.

В определениях системы термины связь и отношение обычно используются как синонимы.

Связь – ограничение степени свободы элементов. Элементы, вступая во взаимодействие (связь) друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали в свободном состоянии. Связи характеризуются направлением (направленные, ненаправленные), силой (сильные, слабые), характером (видом): подчинения, управления и др.

Понятие цель и связанные с ними понятия целесообразности, целенаправленности и целеустремленности лежат в основе развития систем.Термин цель заимствован из немецкого языка и имеет значение близкое к понятиям «мишень», «финиш», «точка попадания».

Цель – то, к чему стремится, чему поклоняется и за что борется человек.

Мечта – это цель, не обеспеченная средствами ее достижения.

Цель - это желаемое состояние объекта в будущем.

Задача – цель, поставленная перед человеком.

Задача – цель плюс условия достижения.

Задача – словесная формулировка (знаковая модель) проблемной ситуации.

Задача – условие запуска мыслительного процесса;

Задача – форма взаимодействия с неопределенностью.

Задача – совокупность состояния системы, цели и условий.

Сложная задача – задача, редуцируемая на взаимосвязанную совокупность частей (подзадач).

Проблема – то, что выставляется вперед. Утверждение, выдвигаемое для доказательства или для опровержения в интеллектуальной деятельности.

Проблема – это тезис (суждение или предположение), не согласующееся с общепринятым мнением. Постановка проблемы – способ упорядочить спор, зафиксировав противоположные позиции и заставляя противоположные стороны следовать определенной логике в аргументации.

Существует точка зрения, что между крайними точками зрения лежит истина. Никоим образом! Между ними лежит проблема.

Проблема – несоответствие желаемого и фактического уровня достижения цели.

Проблема – устойчивое противоречие. Затруднение, колебание, неопределенность.

Проблема – проблемная ситуация с недостаточно выявленными или обнаруженными условиями и с неопределенной целью.

Проблемы не имеют исходной формулировки и сам процесс их решения вынужденно начинается именно с ее поиска.

Проблемы имеют комплексный характер, затрагивают разные стороны жизни человека: работу, досуг, личную жизнь. Имеют сложное строение: включают разные явления, предметы, организации, людей, точек зрения или теорий, переменных, препятствий.Трудно выделить универсальную структуру проблемы.Однажды возникнув, проблема дает о себе знать «навязчивым характером».Проблемы обнаруживают сетевой характер. Все их составные части связаны друг с другом так, что трансформация одного элемента ведет к изменению многих частей. Проблема имеет множество ее допустимых формулировок. Проблемы иногда называют слабоструктурированными. Проблема имеет многоцелевой характер. Значит у них отсутствует единственное наилучшее решение или правильное решение, что часто бывает в задачах. Непрозрачность проблемы. Человек или группа людей никогда не имеют всей полноты информации о проблемной ситуации. Проблема в отличие от задач обладает собственной динамикой. Они развиваются во времени, создавая временной прессинг. Решения проблемы имеют тенденцию устаревать: проблема продолжает «жить» и будучи решенными. Проблемы в отличие от задач практически не могут быть предзаданы, а должны формулироваться по ходу решения. Люди сталкиваются с проблемами или оказываются в проблемной ситуации.Проблема имеет «человеческое» измерение: она включает в себя человека, столкнувшегося с проблемой, как свою принципиальную часть. Это касается и группы, оказавшейся в проблемной ситуации. «Безличных» или «ничьих» проблем не существует. Проблема имеет «субъективные» координаты и «психологический» рельеф (личные особенности мышления).Проблема имеет межпредметное содержание и как следствие, групповой характер решения с участием специалистов разного профиля.

Структура (лат. structure – строение, расположение, порядок) – отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство (строение).

Вертикальная связь - связь, которая соединяет элементы - организмы, подчиненные один другому. Это связи подчинения и руководства.

Горизонтальная связь - связь между элементами - организмами, стоящими «на равной ноге». Это связи кооперации, взаимодействия равноправных элементов.

Иерархия - (от греч. hieros — священный, arche — власть) — расположение частей или элементов целого в порядке от низшего к высшему, с возрастающим значением и уменьшающимся числом членов (например, иерархия ценностей, иерархия наук и т.п.). Противоположность иерархии - равенство. Тяготение к иерархии характерно для всех коллективистических обществ и сообществ

Иерархия - важнейший принцип структурной организации многоуровневых динамических систем, характеризующий взаимную согласованность и соподчинение процессов на различных уровнях системы и обеспечивающий ее функционирование и поведение в целом. Структуры и функции процессов на вышележащих уровнях надстраиваются над структурами и процессами нижележащего уровня, обеспечивая их регулирование и самоорганизацию.

Формы организации горизонтальных связей. Прямой контакт - наиболее простая и менее дорогостоящей формой горизонтальных связей. Прямой контакт осуществляется между руководителями, занимающимися решением общей проблемы.

Горизонтальные переходы работников из одного подразделения в другое -  практика программы по повышению квалификации кадров.

Целевые группы - это форма горизонтального контакта для решения общих проблем подразделений разного профиля. Целевая группа набирается из специалистов всех подразделений, принимающих участие в данной работе. Целевая группа носит временный характер и существует до тех пор, пока не решена проблема.

Система поддержки принятия решений – это форма коллективного обсуждения и решения задач и проблем приглашенными экспертами под руководством лица, принимающего решения.

Функционирование экономической системы (англ. functioningofeconomicsystem) — процесс переработки (преобразования) экономической системой природных ресурсов в продукты производства, удовлетворяющие общественные потребности в материальных благах (товарах и услуга); при этом происходит смена состояний системы.

Состояние системы (англ. stateofsystem) — характеристика системы на данный момент ее функционирования. Поскольку система описывается определенным комплексом существенных переменных и параметров, то для того, чтобы выразить состояние системы, нужно определить значения, принимаемые ими в рассматриваемый момент.

В механике - система находится в равновесии, если все действующие на нее силы полностью уравновешены между собой, то есть гасят друг друга. В устойчивой экосистеме также действуют внутренние силы (хотя и не в физическом понимании этого слова), стремящиеся вернуть систему в состояние устойчивого равнове сия в случае отклонения системы от него.

Система находится в состоянии равновесия, если при отсутствии воздействия на систему возмущающих факторов ошибка регулирования (разность между заданным и фактическим состоянием системы) стремится к нулю.

Устойчивость - способность динамической системы возвращаться в равновесное состояние после окончания действия возмущения, нарушившего это равновесие. Неустойчивая система после воздействия возмущения удаляется от равновесного состояния или начинает совершать вокруг него колебания с нарастающей амплитудой.

Генрих Альтшуллер ( псевдоним - Генрих Альтов) - автор теории решения изобретательских задач - теории развития технических систем Первый этап - медленный рост и становление системы. Второй этап - период интенсивного развития технической системы: система «вытесняет» другие, устаревшие системы из экологических ниш, порождает множество модификаций и разновидностей, приспособленных для разных условий. Третий этап – «старость» и «смерть» технической системы. Стабилизация параметров системы. Наблюдается некоторое улучшение эксплуатационных характеристик в начале этапа, но затем параметры остаются на прежнем уровне, несмотря на то, что вложения сил и средств растут. Резко увеличиваются сложность, наукоемкость системы, даже небольшое улучшение параметров требует, как правило, очень серьезных исследований. Четвертый этап – коренное изменение системы, переход на новый уровень развития. На всех четырех этапах развития технической системы действуют свои законы и закономерности.

 

10. Система управления.

Управление вещами, управление людьми, управляющая подсистема, управляемая подсистема, канал обратной связи, канал прямой связи, качество управления, управление, контур управления, данные, информация, федеральный исследовательский центр «Информатика и управление», Институт проблем передачи информации РАН, Институт проблем управления РАН, фазы управляемой и управляющей подсистемы,

 

Управление внутри системы можно рассматривать как некоторое взаимодействие ее элементов. Определим отношение подчинения минимум двух элементов: для того, кто (или что) управляет,- субъект управления и для того кто (или что) исполняет, - объект управления.Следует различать: «Управление вещами», опирающееся на познанные человеком физико-химические законы функционирования объекта; «Управление людьми», опирающееся на социально-экономические законы общественно-политической формации.

Управляющая подсистема – часть системы, которая зная состояние объекта управления и внешней среды в данный момент времени формирует управляющее воздействие на объект управления и передает его на этот объект по каналу прямой связи. Для предприятия это, как правило, аппарат управления, который опираясь на организационно-распорядительные, административно-правовые и социально-психологические методы, разрабатывает алгоритм управления на заданный период времени в виде планов, приказов, инструкций и распоряжений.

Управляемая подсистема – часть системы, которая осуществляет преобразование выделенных ресурсов в продукцию всей данной системы и выдает субъекту управления отчетную информацию о своем состоянии по каналу обратной связи. Для предприятия – это, как правило, коллективы рабочих и служащих служб, подразделений, цехов, смен, бригад и участков, непосредственно участвующих в обслуживании производства и изготовлении готовой продукции.

Для суждения о качестве управления вводят аналитическое выражение, оценивающее различные варианты поведения системы при достижении цели – целевую функцию.

Качество управления можно оценить как достижение экстремума целевой функции – критерия качества управления. Для предприятия это могут быть максимум прибыли, минимум затрат, максимум производительности труда, минимум себестоимости и т.п.

Управление - непрерывный обмен информацией между объектом и субъектом управления для достижения поставленной цели.

Контур управления - замкнутая цепь элементов системы управления, образованная участком прямой и обратной связи.

В 1948 году К.Шеннон, закладывая основы теории связи, предложил определять информацию с точки зрения обмена данными между источником и приемником.

Клод Элвуд Шеннон, американский математик, инженер, доктор наук, профессор, основатель теории информации.

Данные (от лат. data) — представление фактов и идей в формализованном виде, пригодном для передачи и обработки в некотором информационном процессе.

Модель обмена информацией между источником и приемником по К. Шеннону.

Синтаксический фильтр «работает» на прием сообщений из канала связи. Синтаксис – это способ физического выражения сообщения. Например, цветом, буквами и цифрами (знаками), рисунками.

Семантический (смысловой) фильтр «работает» на понимание принятых сообщений (данных) из канала связи. Семантика – это установленное людьми, договорное соответствие между тем, что известно (понятно) и тем что неизвестно (незнакомо, непонятно). Например, толковый словарь, энциклопедия.

Прагматический (смысловой) фильтр - устанавливает ценность принятых и понятых данных. Прагматика – значимость, ценность данных для чего либо. Например, если Вы видите и понимаете сигналы светофора, но не пересекаете перекресток, то данные от светофора для Вас не имеют значения.

Информация – данные, которые приняты (синтаксис), поняты (семантика) и оценены как полезные (прагматика).

Федеральный исследовательский центр "Информатика и управление" Российской академии наук. В составе: Институт проблем информатики РАН, институт системного анализа РАН, вычислительный центр РАН. Институт проблем информатики Российской академии наук (ИПИ РАН) образован в 1983 г. Институт входит в состав Отделения нанотехнологий и информационных технологий Российской академии наук. ИПИ РАН выполняет фундаментальные, прикладные исследования и разработки в области построения интегрированных информационно-телекоммуникационных сетей и систем, стохастических систем, в области накопления, обработки и отображения информации (текста, видео, аудио), создания информационно-вычислительных систем новых поколений. Институт проблем информатики Российской академии наук является учредителем и издателем научного журнала «Информатика и её применения». Директор института академик Игорь Анатольевич Соколов.

Институт проблем передачи информации РАН им. А.А.Харкевича. Направления работы: теория передачи и защиты информации; математическая теория информации и управления, многокомпонентные случайные системы; информационно-коммуникационные технологии и их применение в сложных системах и сетях; информационные процессы в живых системах и биоинформатика; компьютерная лингвистика и моделирование естественного языка.

Фаза (от греч. phasis — появление) период, ступень в развитии какого-либо явления, процесса. Этап, стадия.

Применим термин «фаза» к процесса в системе управления. Тогда обратимся к фазам производства в объекте управления и фазам управления в субъекте управления.

Исследование – изучение свойств предметов труда и потребления, производственных операций с целью развития или прекращения выпуска изделия, улучшения или изменения свойств, совершенствования методов изготовления.

Конструирование – разработка конструкторской и технологической документации на предметы труда, средства и методы производства, на нормы расходования ресурсов.

Подготовка – набор и обучение кадров, нормирование и организация труда, расстановка и наладка станочного парка, отработка технологии операций.

Обеспечение – распределение сырья и полуфабрикатов, энергии и денежных средств, кадров и средств производства по операциям.

Обслуживание – ремонтные, транспортные и складские производственные операции.

Производство – преобразование основных предметов труда, в которую продукцию.

Контроль качества – проверка основных свойств готовой продукции, которые определены на фазах «исследование» и «конструирование».

Реализация – передача готовой продукции в сферу потребления в виде товарной продукции.

Механизация производственного процесса - замена физического труда человека работой механизмов, получающих энергию от какого либо источника.

Автоматизация производственного процесса - замена физического труда человека, затрачиваемого на управление механизмами и машинами, работой специальных устройств, обеспечивающих это управление.