Основні ознаки системи є:
1) цілісність;
2) якісна визначеність;
3) відмежованість відносно середовища;
4) гетерогенність і структурованість;
5) взаємодія частин системи між собою;
6) взаємодія і зв'язок з навколишнім середовищем;
7) наявність інтегральних характеристик;
8) емерджентність;
9) наявність цілей та їх сукупність, ціленаправленість.
1. Цілісність означає, що система - це об'єднання частин, яке по відношенню до навколишнього оточення виступає як одне ціле.
2. Під якісною визначеністю розуміють, що система - це така сукупність елементів, що має свої якісні ознаки, характерні тільки для даної системи і
відсутні в інших системах. Наприклад, система "автомобіль" має такі якісні
ознаки: маса; швидкість, потужність, розміри, комфортність та ін. Якісні ознаки "тролейбуса": споживання електроенергії, маневреність, місткість тощо.
3. Відмежованість системи від середовища означає, що всяка система має свої границі. Границі відокремлюють систему від навколишнього середовища. Вони визначають, що входить у систему і що в неї не входить, є зовнішнім по відношенню до системи. Переважна більшість систем має чіткі границі. Іноді границі визначити буває дуже важко. Наприклад, визначення границь системи "річка": входять у її систему берега або "річка" закінчується там, де протікає вода? Якщо беріг входить в систему, то на якій відстані від води проходить границя системи "річка"? На відстані 1 м, 10 м чи 100 м? А пойма річки входить у систему чи ні? Де її границя? Навіть таке просте поняття, як визначення границь системи має особливості і їх необхідно враховувати при визначенні та дослідженні систем.
4. Гетерогенність і структурованість.
Під гетерогенністю розуміють неоднорідність, те, що система складається
з різних частин. У визначенні системи зазначено, що система - це сукупність
елементів. Але система - це не проста сукупність. Структурованість означає, що
система є певним чином організованою сукупністю, має певну структуру.
Гетерогенність - поняття більш вузьке, воно просто означає неоднорідність складу, наявність складових частин. Наприклад, система "тролейбус" складається з таких частин, як двигун, ходова частина, кузов, електрообладнання. Двигун, ходова частина складається з окремих вузлів, а
кожен вузол - з окремих деталей. Така побудова системи "тролейбус" відповідає поняттю структурованості.
5. Взаємодія частин системи між собою означає, що в системі частини взаємодіють між собою і тільки у даній взаємодії вони утворюють певну систему. Система "тролейбус" буде системою тільки тоді, коли його складові
частини - двигун, ходова частина, електрообладнання певним чином взаємодіють між собою.
6. Взаємодія з навколишнім середовищем означає, що система як ціле взаємодіє з іншими системами. Це зумовлене цілісністю системи, її якісною визначеністю. За характером взаємодії розрізняють: відкриті й закриті системи.
Відкрита система – це система, що активно обмінюється з навколишнім
середовищем речовиною, енергією та інформацією. У закритій системі такий
обмін обмежений або відсутній. Для закритих систем характерні процеси
старіння. У термодинаміці - дисципліні, що вивчає явища передачі енергії,
процеси старіння визначаються зростанням ентропії.
Ентропія - це характеристика, що показує ступінь безладу системи, її невпорядкованість, хаотичність. Зростання ентропії - універсальний закон
природи, яким зумовлені процеси старіння, розпаду, загибелі замкнутих систем.
На відміну від замкнутих систем у відкритих системах крім процесів зростання ентропії є процеси, які приводять до її зменшення, до зростання організованості й впорядкованості системи.
7. Під поняттям інтегрованості розуміють, що в системі властивості окремих елементів об'єднуються і виступають разом у новій якості.
8. Емерджентність - це поява нових якостей, не властивих елементам, що складають систему.
Емерджентність (від англ. emergent – несподіване виникнення) визначає, що властивості системи не зводяться до властивостей елементів, з яких вона складається. Емерджентність системи може характеризувати ступінь організованості системи. Чим більше характеристики системи відрізняються від
характеристик елементів, з яких вона утворена, тим більш організованою є
система. Наприклад, властивості автомобіля не зводяться до властивостей
двигуна, кузова, ходової частини. У нього з'являється ряд нових якісних ознак,
відмінних від ознак складових частин.
9. Наявність цілей, ціленаправленість - один з головних ознак системи.
Кожна система має певну ціль існування або створена для певної цілі. У системи може бути одна ціль або сукупність цілей. Цілі можна розділити на
об'єктивні й суб'єктивні. Суб'єктивні цілі - це цілі, для яких створена система
певним суб'єктом. Об'єктивні цілі - це стан ідеального майбутнього, до якого
прагне система у своєму життєвому циклі.
2.3. Система і проблема
Системний аналіз являє собою методологію вирішення проблеми, тобто сукупність методів та алгоритмів вирішення проблеми, заснованих на концепції системи й системному підході.
Дане визначення досить категоричне. Якби існувала така сукупність методів та алгоритмів, то, напевно, і не було б проблем. Той, хто володів би всіма такими методами вирішення будь-якої проблеми, міг би претендувати на
роль людини, яка може все і вирішує будь-які проблеми. На жаль, це далеко не
так, все набагато складніше.
Розглянемо поняття проблеми.
Проблема – це складне теоретичне або практичне завдання, що вимагає
свого вирішення, але наявних в даній системі засобів вирішення недостатньо. У
науці – це ситуація, яка виступає у вигляді протилежних позицій, пояснень,
будь-яких явищ, об’єктів, процесів, адекватної теорії вирішення якої немає.
Проблема виникає не одразу. Спочатку вона виступає як неусвідомлене незадоволення станом речей, а в науці це незадовільне пояснення явищ, одержання неоднозначних, незрозумілих результатів. Пізніше це незадоволення
усвідомлюється. Стає зрозумілим, що саме нас не влаштовує. Далі визначається, чому дана ситуація нас не влаштовує. Сформована проблема
виникає тоді, коли повністю усвідомлена ситуація, але відсутні засоби для її
вирішення.
Важливим етапом вирішення проблеми є формулювання цілей діяльності.
Цілі діяльності дозволяють зрозуміти, що треба зробити для вирішення проблеми.
Якщо ми вірно сформулювали цілі, то це вже значний крок у вирішенні проблеми.
Але якраз цілі діяльності не завжди можна чітко сформулювати. Одні цілі можуть
приводити до вирішення проблеми, інші – до її загострення. Оскільки немає
прямого шляху вирішення проблем, а деколи виникають труднощі в її формулюванні, то потрібно детальніше вивчити дане питання.
Перш за все проблема завжди виникає у певній системі. Будемо говорити,
що система С 1 містить проблему П 1. Взагалі всяка система може містити
багато проблем, тому часто говорять про проблематику системи. Нам необхідно вирішити одну з проблем системи, а саме П 1. Діалетика вирішення проблеми така, що вирішивши одну проблему, ми змінюємо систему. Нова система С 2 вже містить нову проблему. Подекуди ця проблема для нас є не суттєвою і ми можемо вважати, що система С 2 вирішує проблему П 1 для системи С 1.
Отже, поняття проблеми нерозривно пов'язане з поняттям системи.
Практичне розв'язання проблеми суттєво залежить від системи, в рамках якої
проблема розв'язується.
Приклад з будівництва. Якщо поставити завдання звести будинок так,
щоб у всіх кімнатах була добра природна вентиляція, то вирішити цю проблему важко. Але якщо розширити систему і спроектувати мікрорайон з будинками, то при певному розміщенні будинків проблема вентиляції кімнат вирішується доволі просто за рахунок потоків повітря, які дують уздовж вулиць, з чим ми часто зустрічаємось, коли наші мікрорайони продуваються наскрізь.
Наведені вище міркування дозволяють навести одне з багатьох визначень
системи, а саме: система – це сукупність засобів вирішення проблеми.
2.4. Класифікація систем
Принципи класифікації систем
Класифікацію часто розуміють як операцію поділу за різними групами, а
насправді саме навпаки, класифікація - це операція об'єднання, тобто
множина об'єктів, що підлягають класифікації, об'єднується у певні групи за
характерними ознаками. Класифікація проводиться тільки тоді, коли є множинаоб'єктів і необхідно серед них установити певний порядок, об'єднати їх у певнігрупи за певними ознаками.
1. Класифікацію систем виконують, як правило, за ієрархічнимпринципом.
Ієрархічний принцип класифікації означає, що існує декілька рівнів класифікації, і вони розміщені один вище другого. Верхні рівні класифікації повинні бути закритими і охоплювати всі існуючі системи. Нижній рівень може бути й незакінченим.
2. Всяка класифікація завжди має абсолютну й відносну сторони.
Абсолютна сторона означає, що система, віднесена до певного класу систем, має ті ж характеристики, що й інші системи даного класу, і підпорядковується тим же закономірностям.
Відносність класифікації полягає в тому, що крім чітко визначеного поділу існують системи, які займають проміжне місце. Відносність означає також те, що система може бути віднесена до однієї або іншої групи залежно від того, з якої точки зору ми розглядаємо систему, які властивості системи нас
цікавлять при аналізі, які проблеми ми вирішуємо за допомогою даної системи.
Класифікацію виконують за класифікаційними ознаками.
Класифікаційні ознаки - це ті ознаки, які на думку того, хто виконує класифікацію, є визначальними для даного класу об'єктів.
Поняття "система" охоплює всі об'єкти навколишнього світу. Тому існує
велика розмаїтість класифікацій систем за різними ознаками.
Класи і підкласи систем
1. Поділ систем на матеріальні й ідеальні (абстрактні) системи
Матеріальні системи - системи матеріального світу. Під матерією необхідно розуміти речовину, поля різного типу, енергію й інформацію.
До ідеальних систем (абстрактних) відносяться системи, створені нашою свідомістю та існуючі завдяки їй (розмовна й літературна мова, математика, наукові теорії й т.д.).
2. Класифікація систем за походженням
За походженням системи діляться на: штучні, природні, змішані.
Штучні - це системи, створені людьми, природні - системи, створені самою природою, існують у природі незалежно від свідомості людини, від її діяльності. Змішані системи створені людиною, але в них важливу роль відіграє природна частина (заповідник, канал, парк культури). Серед ознак
системи важливою ознакою є ціленаправленість, тобто наявність цілей чи їх
сукупності. Суб'єктивні цілі визначаються для штучних систем.
Суб'єктивна ціль - це ціль, сформована певним суб'єктом, який створив
систему. Для природних систем імовірною вважається наявність об'єктивних
цілей. Ми можемо вважати об'єктивними цілями майбутній або теперішній
реальний стан системи, якого вона досягає у своєму життєвому циклі.
Оскільки поділ систем на природні, штучні й змішані є досить загальним, то на рис. 2.2 наведено класифікацію систем за походженням на другому рівні.
3. Класифікація за характером зв'язків з навколишнім середовищем
Відкриті - це системи, які в процесі своєї діяльності обмінюються із середовищем матерією, енергією, інформацією.
Закриті (ізольовані, замкнуті) - це системи, у яких процеси обміну з навколишнім середовищем відсутні. Для замкнутої системи виконується закон
збільшення ентропії (міра безладу, хаосу).
4. Класифікація систем за складністю
Складність систем може бути структурною або функціональною.
Структурна складність полягає у наявності великої кількості елементів і їх взаємозв'язку.
Функціональна складність виражається в наявності великої кількості взаємозв'язків і взаємозалежностей.
Системи
Штучні Змішані Природні
5. Класифікація за принципами поведінки
- Принцип матеріально-енергетичного балансу досить простий: поведінка
системи зумовлена тільки законами фізики, законами збереження енергії, маси
(охоплює всі системи).
- Принцип гомеостазу.
Гомеостаз у перекладі з грецької - незмінність стану (gomeo -
нерухомість, незмінність, statіs - стан).
Гомеостазом називають таку поведінку динамічної системи, при якій
зберігається її склад і властивості внутрішнього середовища, стійкість головних
функцій системи, тобто здатність системи повертатися у стан рівноваги.
Застосовується в біології, медицині, генетиці, кібернетиці. Цей принцип
характерний поведінці систем живої природи, виконання його забезпечується
для більшості штучних систем і у деяких систем неживої природи, які знаходяться у стані динамічної рівноваги.
- Принцип вибору рішення.
Система має можливість вибрати одну із декількох альтернатив своєї роботи (наприклад, автоматизовані лінії запрограмовані на вибір дій з певної безлічі можливих варіантів).
- Принцип перспективної діяльності виділяє системи, які здатні організувати свою поведінку з урахуванням минулого досвіду на основі припущення, що майбутній розвиток суттєво не відрізнятиметься від минулого.
- Принцип рефлексії полягає в тому, що система організує свою поведінку
з урахуванням не тільки минулого досвіду, але й можливої дії іншої системи, з
якою вона взаємодіє, тобто це поведінка систем, які наділені інтелектом,
можливістю передбачати дії інших систем.
6. Класифікація систем за ступенем організованості
♦ До добре організованих систем ми відносимо ті системи, поведінка яких
жорстко детермінована, у системі встановлені чіткі взаємозв'язки між
складовими частинами, що забезпечують дію системи в цілому (тролейбус,
телевізор, холодильник, пральна машина).
Поняття "добре організованої" системи використовують для відображення ступеня наших знань про систему. Так, для конструктора - автомобіль - це добре організована система, тому що він досконально все знає.
А той, хто тільки почав вивчати автомобіль, не знає його складових частин і
взаємодії між ними, автомобіль - погано організована система.
♦ Під погано організованими (дифузійними - системи, у яких велике число змінних, не можна встановити перегородки, що розмежовують одні компоненти від інших) системами розуміють системи, в яких взаємодія частин не детермінована однозначно, має випадковий характер.
♦ До самоорганізуючих систем відносяться системи, що мають механізми
регулювання. У таких системах важливим є наявність зворотного зв'язку. Під
останнім ми розуміємо подачу на вхід системи сигналу про вихідну величину.
Вихідна величина системи або інформація про її стан подається на регулятор.
Регулятор залежно від вимог, які стоять перед системою, та від інформації, яка надійшла через зворотний зв'язок, регулює її роботу.
♦ Самонавчаючі системи - це системи, що мають здатність засвоювати й
запам'ятовувати минулий досвід і змінювати свою поведінку відповідно до
набутих знань.
♦ Самовідновлювальні системи - це системи, здатні відновлюватись повністю або частково (наприклад, живі організми або штучні системи, які відновлюються, здатні регенерувати певні органи, свої частини).
♦ Самовідтворюючі системи - це системи, які можуть відтворювати подібні собі організми, які можуть мати потомство (наприклад, у штучному середовищі - роботи).
7. Принцип ресурсної забезпеченості
Цей принцип повністю відноситься до можливостей створення та реалізації моделі системи. Модель створюють для того, щоб відтворити роботу системи, вивчити процеси в ній, її розвиток. Класифікація систем за ступенем
ресурсної забезпеченості наведена в табл. 2.2.
- Енергетичний ресурс - це витрати енергії, які необхідно витратити для
побудови моделі системи. Для більшості систем побудова моделі не потребує
значних енергетичних ресурсів, такі системи відносять до звичайних.
Енергокритичні - ті системи, для побудови моделі яких потрібні значні витрати енергії (системи елементарних часток матерії).
- Матеріальний ресурс. Системи ділять на малі та великі залежно від
потреби матеріальних ресурсів при побудові моделі. Великі системи - це
системи, для створення моделей яких наявних матеріальних ресурсів недостатньо або необхідні більші ресурсів, ніж є в наявності. Наприклад,
система функціонування економіки країни, атмосфера землі. Малі системи
великих витрат матеріальних ресурсів не вимагають.
- Інформаційний ресурс. Системи можуть бути простими або складними.
Ознакою простоти системи є достатність інформації для успішного керування нею. Коли наявна інформація не дозволяє успішно здійснювати керування системою, то систему вважають складною. Наприклад, рідна мова для кожної людини - це проста система, а іноземна, якщо вона не володіє нею, - складна.
8. Класифікація за характером цілей
Системи, призначені для певної цілі - це такі системи, які мають певну ціль свого існування, створені для певної цілі й функціонують завжди так, щоб виконати цю ціль (наприклад, холодильник, телевізор і т.п.). Системи, здатні
вибирати ціль і прагнути до неї - це системи, які самостійно вибирають ціль й
прагнуть до неї (наприклад, людина, трудовий колектив можуть самостійно
вибирати ціль своєї діяльності).
9. Класифікація за описом змінних
Змінними системи є вхідні величини x (t), вихідні - y (t), внутрішні параметри системи - z (t). Системи, функціонування яких повністю відоме й можна кількісно встановити значення змінних, відносять до систем з кількісним описом змінних. Системи з якісним описом - це системи, у яких вхідні й вихідні величини описуються якісно. Системи зі змішаним описом змінних - це системи, у яких деякі змінні приймають числові значення, які можна вимірювати й виразити числом, а інші описані тільки якісно.
10. Класифікація за способом керування
Перший рівень класифікації визначає, чи входить блок керування в саму систему або перебуває поза нею. Самокеровані системи мають власний блок
керування. У систем, керованих зовні, блок керування відсутній й існує тільки
зовнішнє керування. Системи з комбінованим керуванням - це такі системи, у
яких є блок керування у самій системі, за допомогою якого здійснюється
керування певними параметрами, але система підлягає також зовнішньому
керуванню.
Другий рівень класифікації поділяє системи за ознакою, як саме здійснюється керування.
Системи з керуванням без зворотнього зв'язку - це такі системи, наприклад, велосипед, пилосос, автомобіль у яких відсутні механізми зворотнього зв'язку, і режими роботи строго обумовлені керуючою дією. У системах з наявністю зворотнього зв'язку - зворотний зв'язок забезпечує автоматичне регулювання системи, підтримка параметрів системи при зміні характеристик навколишнього середовища. Наприклад, холодильник, частково можна віднести автомобіль (режим холостого ходу), телевізори, які автоматично настроюються на частоту радіостанції. Системи з керуванням за параметрами - це такі системи, у яких не тільки здійснюється зворотний зв'язок за вихідною величиною, а й можлива зміна параметрів самої системи
(наприклад, адаптація живих організмів до зміни умов життя, робота пілотів на різних типах літаків).
11. Класифікація за типом операторів системи
Змінні системи, її вхідні й вихідні величини між собою завжди зв'язані певними залежностями, співвідношеннями. Ці залежності можуть бути описані певними операторами системи, які визначають перетворення вхідних величин у вихідні.
Системи, у яких внутрішні процеси зовсім невідомі й оператори явно не можуть бути записані, відносять до класу систем "чорний ящик". Для таких
систем відомі тільки вхідні й вихідні величини і зовсім невідомі процеси перетворення вхідних величин у вихідні.
Системи, в яких частково відомі процеси перетворення вхідних величин у вихідні, оператори системи можуть бути записані у вигляді певних правил,
відносять до непараметризованого класу.
Системи, для яких співвідношення між вхідними й вихідними величинами повністю відомі, можуть бути записані в явному вигляді з точністю до певних числових параметрів, відносять до параметризованого класу й можуть бути описані у вигляді
y (t) = R [x (t), z (t)], (2.1)
де R - певний оператор.
Такі системи відносять до класу "білий ящик". Під цим терміном розуміють,
що повністю відомо внутрішня будова системи, закономірності її функціонування.
Приклад. Розглянемо екологічну систему "Озеро". Це відкрита, природного походження система, змінні якої можна описувати змішаним образом (кількісно і якісно, зокрема, температура водойми – кількісно описувана характеристика), структуру мешканців озера можна описати і якісно, і кількісно, а красу озера можна описати якісно. За типом опису закону функціонування системи, цю систему можна віднести до непараметризованого у цілому, хоча можливо виділення підсистем різного типу, зокрема, різного опису підсистеми Водорості, Риби, Дно, Берег ін.
Система "Комп'ютер" - відкрита, штучного походження, змішаного опису, параметризована, керована ззовні (програмно).
Система "Фірма" - відкрита, змішаного походження (організаційна) і опису, керована зсередини (адаптована, зокрема, система).
Система називається великою, якщо її дослідження або моделювання утруднене через велику розмірність. Велика система зводиться до системи меншої розмірності використанням могутніших обчислювальних засобів (або ресурсів) або розбивкою завдання на ряд завдань меншої розмірності (якщо це можливо).
Приклад. Це особливо актуально при розробці великих обчислювальних систем (при розробці комп'ютерів з паралельною архітектурою або алгоритмів з
паралельною структурою даних і з їхньою паралельною обробкою).
Система називається складною, якщо в ній не вистачає ресурсів (головним чином, - інформаційних) для ефективного опису (станів, законів функціонування) і керування системою - визначення, опису керуючих параметрів або для прийняття рішень у таких системах (у таких системах
завжди повинна бути підсистема ухвалення рішення).
Приклад. Складними системами є хімічні реакції, якщо їх розглядати на молекулярному рівні; клітка біологічного утворення, яка розглянута на метаболическому рівні; мозок людини, якщо його розглядати з погляду виконуваних людиною інтелектуальних дій; економіка, яка розглянута на макрорівні (тобто макроекономіка); людське суспільство - на релігійно- культурному рівні; ЕОМ (особливо, - п'ятого покоління), якщо її розглядати як
засіб одержання знань; мова - у багатьох аспектах.
Складність цих систем обумовлена їх складною поведінкою. Складність
системи залежить від прийнятого рівня опису або вивчення системи -
макроскопічного або мікроскопічного.
