Понятие и свойства систем

Система — совокупность элементов, находящихся в связях друг с другом и со средой, образующих определенную целостность, единство. В зависимости от уровня рассмотрения систему можно представить как совокупность отдельных подсистем, а сама система всегда будет являться подсистемой другой, более крупной, системы.

Основой для определения системы выступают базисные категории⁴ системы, которые включают такие понятия, как целое, множество, организация.

Целое — форма существования системы в строго определенном качестве, выражающем ее независимость от других систем. Целое —^[1]

это всегда завершенное, состоящее из органично взаимосвязанных между собой частей;

множество — набор, совокупность, собрание каких-либо объектов, обладающих общим для них всех характерным свойством;

организация — свойство материальных и абстрактных объектов обнаруживать взаимозависимое поведение частей в рамках целого.

Строение системы определяют такие категории, как элемент, связь, отношение, структура.

Элемент — простейшая, неделимая часть системы; элемент — это предел членения системы с точки зрения аспекта ее рассмотрения, решения конкретной задачи, поставленной цели. Для помощи в выделении элементов при анализе конкретных проблемных ситуаций можно использовать информационный подход, в частности меру информации восприятия J = А/АЛ, где АА — минимальное количество материального свойства А (квант), с точностью до которого исследователя интересует информация об этом свойстве при формировании модели.

Систему можно расчленять на элементы различными способами в зависимости от формулировки задачи, цели и ее уточнения в процессе проведения системного исследования. При необходимости можно изменять принцип расчленения, выделять другие элементы и получать с помощью нового расчленения более адекватное представление об анализируемом объекте или проблемной ситуации.

Связь — понятие, которое входит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение ее целостных свойств. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику), и функционирование (динамику) системы. Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Действительно, элементы, вступая во взаимодействие (связь) между собой, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали в свободном состоянии.

Связи можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом). По первому признаку связи делят на направленные и ненаправленные, по второму — на сильные и слабые (иногда пытаются ввести «шкалу» силы связей для конкретной задачи). По характеру (виду) различают связи подчинения, связи порождения (генетические), равноправные (безразличные), связи управления (прямая связь непосредственное воздействие объектов одного на другой, обратная связь — воздействие результатов функционирования системы на характер этого функционирования).

_А. Э. Гзрев. Основы теории транспортных систем_.

Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы несколькими из названных признаков.

Обратная связь — одно из фундаментальных понятий теории систем. Обратную связь обычно иллюстрируют схемами, подобными приведенной на рис. 1.2, где х (/) — закон или алгоритм (программа) управления; х_трс6 — требуемое значение регулируемого параметра; х. — фактическое значение регулируемого параметра; Ах — рассогласование между дс_трсв и х.

Рис. 1.2. Обратная связь в системе.

Это понятие хорошо объясняется на примерах технических и электронных устройств, но не всегда легко интерпретируется в системах организационного управления. При использовании этого понятия часто ограничиваются только фиксацией рассогласования Ах между требуемым х и фактическим х. значением регулируемого параметра, а необходимо учитывать и реализовывать все элементы, не забывая замкнуть контур обратной связи, выработав в блоке обратной связи соответствующие управляющие воздействия, которые скорректируют закон управления.

Обратная связь может быть;

• • отрицательной — противодействующей тенденциям изменения выходного параметра, т. е. направленной на сохранение, стабилизацию требуемого значения параметра (например, стабилизацию количества выпускаемой продукции и т. п.);
• • положительной — сохраняющей тенденции происходящих в системе изменений того или иного выходного параметра (что используется при моделировании развивающихся систем).
• 10

Обратная связь является основой саморегулирования, развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования. При разработке моделей функционирования сложных саморегулирующихся, самоорганизующихся систем в них, как правило, одновременно присутствуют и отрицательные, и положительные обратные связи. На использовании этих понятий базируется, в частности, имитационное динамическое моделирование.

Отношение — различие или тождество вещей в одном множестве, тождественных в другом множестве. Отношение можно представить в виде совокупности связей.

Структура — упорядоченность отношений, связывающих элементы системы и обеспечивающих ее равновесие. Структура описывает способ организации системы, тип связей в системе.

Любая структура описывается следующими основными характеристиками:

• • общим числом связей, характеризующих сложность системы;
• • общим числом взаимодействий, которые определяют устойчивость системы;
• • частотой связей, т. е. количеством связей, приходящихся на один элемент, определяющих интенсивность взаимодействия элементов;
• • числом внутренних связей, которые определяют внутреннее устройство системы;
• • числом внешних связей, характеризующих взаимодействие системы со средой, ее открытость.

В практике управления структуры выполняют весьма разнообразные роли. Они могут выступать в виде некоторой нормативной системы, которая используется для приведения в соответствие с ними других систем, как некоторый идеал деятельности, а также строиться под поставленные цели и задачи деятельности. Для практической деятельности особенно важны две проблемы: описание и оптимизация структур. Для описания структур применяется теория графов. Граф — графическая модель структуры, которая состоит из множества вершин и ребер (дуг), символизирующих элементы и их связи. Граф определяется множеством вершин и множеством пар вершин, между которыми существует связь. Теория графов — это область дискретной математики, занимающаяся исследованием и решением разнообразных задач, связанных с графами. Для графа свойственно то, что число путей, по которым можно пройти от одной вершины к другой, отличается разнообразием. При этом наблюдаются различия в длительности этих путей. На идее сокращения пути прохождения между крайними вершинами графа строится оптимизация структур.

Граф имеет две формы представления: графическую и матричную (рис. 1.3). При этом матрица графа называется матрицей инциденций. В матрице наличие связи фиксируется единицей, а ее отсутствие — нулем.

Рис. 1.3. Граф и матрица инциденций.

Категории окружения системы позволяют определить границы рассмотрения системы.

Среда представляет собой то, что ограничено от системы, не принадлежит ей; это совокупность объектов, изменение которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы.

Окружающая среда — внешняя среда системы или совокупность объектов, которые располагаются за границами системы, воздействуют на нее, но не принадлежат ей.

Внутренняя среда — совокупность объектов, которые находятся в границах системы, влияют на ее поведение, но нс принадлежат ей.

Среда системы представляет собой некоторое единство неупорядоченных процессов, организованных факторов и систем, а также включений данной системы в надсистемы. Исходя из этого по отношению к среде можно выделить несколько важнейших тезисов:

• • Среда — далеко не всегда неорганизованное образование. Чаще всего она представляет собой некоторую совокупность систем различного уровня, имеющих свои стратегии поведения. Виды среды многообразны: природная, экологическая, хозяйственная, социальная, политическая, культурная, информационная и т. п.
• • Среда отличается различным характером воздействия на систему: может быть нейтральной, пассивной или активной, агрессивной, благоприятной и неблагоприятной (например, социально-психологическая обстановка в коллективе для деятельности человека).
• • Среда связана с системой сложными обменными процессами; прежде всего она является необходимым условием существования открытых систем. Вещество, энергия и информация попадают в систему из среды. Среда, в качестве которой выступает, например, государство, задает правила поведения системам, например социальным организациям или политическим партиям.
• • Среда вездесуща, находится не только за пределами системы, но и внутри нее. Внешняя среда выступает средой обитания системы, а внутренняя обеспечивает сс функционирование. Это означает, что из внешней среды система черпает жизненные ресурсы, а внутренняя выступает организмом системы. Внутренняя среда и внешняя среда системы находятся во взаимной зависимости и взаимной обусловленности. С точки зрения теории множеств внутренняя среда охватывает составляющие, которые содержатся в данном множестве, а внешняя среда — это те элементы, которые не содержатся в данном множестве. Если с внешней средой вес относительно ясно, ибо она не входит в множество элементов системы, то с внутренней средой сложнее: она входит в систему и определяет ее строение. В принципе, в любой системе внутренняя среда включает в себя две составляющие. В качестве первой выступают элементы, отношения, связи, воздействующие на систему и на ее составляющие, второй — внутренняя среда элементов, которая определяет их поведение. Резких граней между внутренней и внешней средами нет. Еще вчера работник был во внешней среде, искал себе работу, но уже сегодня он работает в фирме, включен во внутреннюю среду и сам ощущает ее как внешнюю для себя.

В зависимости от цели рассмотрения системы возможны три варианта взаимодействия системы со средой:

• • если рассматривать систему из среды, система представляется как полностью изолированная от нее — закрытая система (в этом случае среда не будет играть роли при исследовании модели, хотя может влиять на ее формирование);
• • если рассматривать систему изнутри, можно моделировать ее с учетом своего влияния и влияния системы на свои представления о ней (в этом случае закрытая система рассматривается без среды);
• • если рассматривать и систему, и среду, то система представляется как открытая, постоянно взаимодействующая со средой (такие модели необходимы для развивающихся систем).

В последнем случае практически невозможно учесть все объекты, не включенные в систему и отнесенные к среде; их множество необходимо сузить с учетом цели исследования путем анализа взаимодействия системы со средой, включив этот «механизм» анализа в методику моделирования (что и делается в методиках системного анализа).

Частным случаем выделения системы из среды является определение се через входы и выходы, посредством которых система общается со средой. В кибернетике и теории систем такое представление системы называют черным ящиком.

Система отделена от среды границами. Граница системы — это совокупность объектов, которые одновременно принадлежат и не принадлежат данной системе. Если система возникла, то способна к самоограничению и благодаря этому отграничивает себя от окружающей среды. При этом следует обратить внимание на то, что границы системы и среды всегда зыбки и текучи. Каждая функция системы задает свои границы, поэтому система отделена от окружающей среды не четкой линией, а пограничным пространством, которое соткано из границ системы, образуемых при реализации той или иной функции. Например, фирма как организация имеет одни границы, которые не совпадают с границами ее как субъекта рыночных отношений, и совокупность се функций формирует границы системы.

Определение границ системы принципиально важно как для ее познания, так и для управления. При этом границы системы прежде всего устанавливаются в пространстве. В бизнесе — это границы рынка, в государственном управлении — границы государства и т. п. Построение пространственной модели системы с определением границ изучается специальной отраслью знания, называемой топологией систем.

Для характеристики системы могут использоваться и другие категории.

Каждая система характеризуется набором свойств. К важнейшим свойствам^[2] системы необходимо отнести следующие:

• • ограниченность — отделение системы от окружающей среды границами;
• • целостность — невозможность получить представление о любой части системы без информации о других составных частях;
• • синергетический эффект — эффект достижения результата функционирования системы, который превышает сумму результатов функционирования отдельных ее составляющих;
• • эмерджентность — свойство целого, принципиально не сводящееся к сумме свойств составляющих элементов;
• • структурность — поведение системы, обусловленное не столько особенностями отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры;
• • взаимозависимость со средой — формирование и проявление свойств в процессе взаимодействия со средой;
• • иерархичность — соподчиненность элементов в системе;
• • множественность описаний — познание системы по причине сложности, требующее множественности ее описаний.

Любая система в своем функционировании имеет определенную цель. Цель системы — предпочтительное для нее состояние; обычно ее выражают в виде целевой функции. Глобальная цель, как правило, допускает декомпозицию, в результате которой формируются взаимосвязанные частные цели. Для достижения цели в системе реализуется несколько задач, образующих иерархию. Действия по достижении цели функционирования системы обеспечиваются за счет реализации определенных процессов, при этом система переходит от одного состояния к другому. Состояние системы — множество одновременно существующих свойств объекта или системы. Среди категорий, характеризующих состояние системы, можно выделить следующие: переходное состояние — состояние системы, находящейся в процессе, на интервале между двумя состояниями; стабильное состояние — сохранение системой своих характеристик; кризисное состояние — состояние, в котором система перестает соответствовать своему назначению. Процесс — изменение состояния.

К основным категориям процессов можно отнести понятия функции, управления, интеграции, адаптации, деградации, роста.

Функция — предназначение выполнять какие-либо преобразования, для выполнения которых система и ее элементы приходят в движение. Функция обеспечивает взаимодействие системы с окружающей ее средой в процессе достижения целей или сохранения равновесия. Некоторые авторы используют вместо понятия функция понятие операция.

Управление — приведение системы в состояние равновесия или достижения цели.

Интеграция — процесс и механизм объединения и связности элементов системы.

Адаптация — приспособление системы к окружающей среде без потери своей идентичности.

Деградация — ухудшение характеристик системы.

Рост — увеличение количественных характеристик системы.

В теории систем понятие функция занимает очень важное место. Функции выражают поведение системы, причем это поведение при обозначении его функцией становится упорядоченным, закономерным и организованным. Поэтому функции представляют собой направления активности системы, которая взаимодействует со средой. Функция — это, прежде всего, проявление свойств системы. Ключевым положением теории систем, создающим условия для так называемого структурно-функционального анализа, является положение о том, что между структурой системы и ее функциями существует вполне определенная закономерная взаимосвязь. Функции, какова бы ни была их природа, можно реализовать лишь в структуре.

Функция в качестве основных компонентов содержит орган управления, активные средства и объект воздействия. В целом эти три компонента позволяют определить, как действовать, чем действовать и на что воздействовать для успешного достижения поставленной перед функцией цели. По отношению к системе цель функции выступает основным системообразующим фактором как способ интеграции различных действий в единую последовательность (принцип целсобусловленности).

На реализации функций основано не только достижение цели, но и развитие системы. Поскольку развитие представляет собой необратимый, направленный, закономерный переход какой-либо системы из одного состояния в другое, отличающееся от первого увеличениями или уменьшениями некоторых параметров, то устойчивое развитие складывается из устойчивости системы и устойчивости ее процессов. При этом устойчивость системы состоит из ее структурно-организационной и функциональной устойчивости. Устойчивую и неустойчивую системы можно представить весьма упрощенными механическими моделями.

Устойчивость системы — способность ее возвращаться в состояние равновесия, которое является наиболее благоприятным для выполнения системой функций после воздействия на систему какихлибо внешних факторов. Устойчивость процесса — это свойство системы так использовать внешние факторы влияния, что система возвращается в своем отклонении от траектории на свою же траекторию. Таким образом, устойчивость развития можно рассматривать как последовательное, прогнозируемое с высокой степенью вероятности изменение состояний системы, ее способность противодействовать неблагоприятным внешним влияниям.

Классификация систем представляет собой исключительно сложную проблему, которая еще не разрешена в науке. Причин несколько. Наиболее существенная из них заключается в том, что конкретных разновидностей систем столь много, что создается ощущение их полного совпадения со всеми типами имеющихся объектов. Другая причина состоит в абстрактности понимания самой системы. Сказывается также и то обстоятельство, что до сих пор не выработаны общие параметры, характеризующие систему. В связи с этим в зависимости от позиции автора в различных работах можно увидеть самые разнообразные подходы к классификации систем.

Особое место среди всех видов систем занимают сложные системы. К ним относятся системы самой различной природы, начиная от космических и микроскопических объектов, завершая животными, людьми и обществом. Эти системы определяют различные аспекты функционирования экономики и жизнедеятельности людей. Существует множество подходов к определению сложной системы: количественное — в зависимости от числа элементов; процессуальное — в зависимости от количества одновременно протекающих процессов; гносеологическое — исходя из невозможности полностью описать свойства системы — и т. д. Особенностью сложных систем является невозможность их понимания с точки зрения специалиста одного направления, так как в этом случае необходимо рассматривать различные аспекты их функционирования.

Необходимо отличать сложные системы от больших систем. Большие системы — это системы, которые невозможно исследовать, не разбивая их на подсистемы. При этом такие системы решают задачи, сгруппированные в одной предметной области, поэтому для их исследования вполне достаточно специалиста одного профиля.

Функционирование системы представляет собой довольно сложный для описания процесс, основанный на принципах структурной и функциональной целостности, относительной автономности элементов и функций, а также на принципе активности систем. Система в процессе функционирования выступает как целостное образование, в котором между се структурой и функциями существуют взаимосвязь и взаимообусловленность. Функционирование системы обязательно опирается на ее структурные изменения.

Следует обратить внимание на то, что функционирование представляет собой постоянное воспроизводство функционального эффекта, который сводится к способности системы делать то, что принципиально не может сделать каждый ее отдельный элемент. Функциональный эффект базируется на родственности и различии свойств элементов, на многообразии взаимодействий между ними, их интегрированности. В процессе функционирования можно выделить несколько составляющих:

• • взаимодействие системы со средой. Источником необходимости функционирования системы может быть воздействие на нее среды или стремление системы достигнуть предпочтительного состояния, что заставляет ее воздействовать на среду. Взаимодействие системы со средой определяет проблемную ситуацию для системы, когда ей надо приспособиться, подчиниться среде либо усиленно ее преобразовывать;
• • выработку системой алгоритма, модели взаимодействия со средой. Этот алгоритм представляет собой именно тип взаимодействия;
• • передачу внешнего взаимодействия системы в ее внутреннюю структуру. Наличие этого передаточного механизма в конце концов и делает сумму элементов системой;
• • переорганизацию внутренней структуры системы благодаря ее внутренним функциям. Внутренние функции меняют состояние системы, делают способной выполнять внешние нагрузки;
• • согласованное функционирование элементов системы как целого. Происходит перераспределение нагрузки по элементам, согласование их действий;
• • преобразование системой окружающей среды и самой себя. Речь идет о том, что любое внешнее функционирование системы достигается посредством ее внутренней перестройки.

В процессе функционирования возникают разнообразные проблемы. Собственно само функционирование и представляет собой обнаружение системой проблемных ситуаций и их разрешение.

Рассмотрим наиболее сложные проблемы системы:

• • реактивность, которая сводится к тому, насколько система способна фиксировать реакции окружающей среды, реакции своих элементов и вырабатывать на них собственные реакции как целое;
• • сохранение границ, ибо функционирование системы — процесс нарушения и поддержания границ. Для того чтобы воздействовать на среду, системе нужно преодолеть свои собственные границы, но ей необходимо их удержать при воздействиях окружающей среды. Для систем свойственны текучесть, динамика границ, а нередко и расплывчатость границ, что позволяет ей лучше адаптироваться, достигать своих целей;
• • сохранение равновесия, сбалансированности, стабильности системы. Функционирование всегда предполагает использование некоторых ресурсов системы, что может приводить к их расходованию, утрате. Система, выведенная из равновесия действиями окружающей среды, может отдать ей такие большие ресурсы, что утратит баланс с окружением, попадет в состояние разрушения структуры и утраты функций;
• • режимы функционирования системы, которые характеризуют ее «вызовы» окружающей среде и воздействия на нее. Процесс функционирования поэтому многовариантен. Возможны такие режимы движения системы: равновесный (система находится в одном и том же состоянии) и периодический (система через равные промежутки времени проходит одни и те же состояния). Если система находится в равновесном или периодическом режиме, то считается, что это установившийся, или стационарный режим; переходный — движение системы между двумя периодами времени, в каждом из которых система находилась в стационарном режиме; апериодический — система проходит некоторое множество состояний, однако закономерность их прохождения более сложная; эргодический — система проходит все пространство состояний таким образом, что со временем проходит сколь угодно близко к любому заданному состоянию. Смысл этой проблемы исследовательской деятельности заключается в диагностике режима функционирования системы, а в практике управления в итоге сводится к правильному выбору режима функционирования системы управления;
• • сохранение или улучшение динамики системы. Состояние системы представляет собой совокупность значений ее показателей. Все возможные состояния системы образуют множество ее состояний. Если в этом множестве определено понятие близости элементов, то оно называется пространством состояний. Движение (поведение) системы — это процесс перехода системы из одного состояния в другое, из него в третье и т. д. Динамика (динамизм) — состояние движения, развития, изменения системы и ее составляющих под воздействием внешних и внутренних факторов;
• • оптимальность функционирования системы, т. е. способность системы выбрать и реализовать наилучшую траекторию из пространства функций. Оптимизация — процесс поиска наилучшей альтернативы, обеспечивающей максимальное или минимальное значение целевой функции системы;
• • способ представления функционирования системы, ибо оптимизация системы, эффективное управление во многом зависят от того, как мы представляем систему. Конечно, природа системы сама по себе от наших представлений не изменится, а вот модель, которую мы используем на практике, окажется существенной для получения представления о системе. Если воздух, находящийся в комнате, представить в виде системы молекул, причем каждая будет характеризоваться своими координатами и скоростью, то поведение системы будет эргодично, если же определить его как систему, состоящую из одного элемента — воздуха с показателями давления и температуры, то такая система будет находиться в равновесном режиме. Для большинства практических задач второй способ определения системы предпочтительнее, поскольку получается простая детерминированная система, а в первом 20

случае — сложная вероятностная, которую мы не сможем исследовать, а если бы даже смогли, то нигде бы не использовали полученные результаты. Особенно необходимо правильное определение системы при управлении экономическими объектами, поскольку ошибки в их системных представлениях могут привести к значительным потерям.

Таким образом, системное представление дает общую методологию достижения цели в любой деятельности, позволяет обеспечить эффективный механизм функционирования и управления.

• [1] Категория (от греч. kategoria — высказывание, обвинение, признак) — предельно общеефундаментальное понятие, отражающее наиболее существенные, закономерные связи и отношения реальной действительности и познания.
• [2] Свойство вхождение вещи, элемента в некоторый класс вещей, когда не образуетсяновый предмет. Так, быть красным означает входить в класс красных вещей, вхождение приэтом не образует предмета.