Лекции 4 5 Системы Модели систем 1 2

Лекции 4, 5 Системы. Модели систем. 1. 2. 3. 4. Первое определение системы: «Чёрный ящик» Второе определение системы: «Структурная схема» Третье определение системы: «Искусственные и естественные системы» Классификация систем

ПЕРВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫ ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА ПРОБЛЕМА НЕ РЕШАТЬ СУБЪЕКТ РЕШАТЬ ЦЕЛЬ — это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния среды, которое решило бы поставленную проблему Достижение цели и решение проблемы посредством формирования системы СИСТЕМА — средство достижения цели

ЦЕЛЕВАЯ ПРЕДНАЗНАЧЕННОСТЬ СИСТЕМЫ — ЕЁ ИСХОДНОЕ ГЛАВНОЕ СВОЙСТВО — Соответствие между целями и системами не всегда однозначно (одна система может быть связана с несколькими целями, одной цели могут отвечать разные системы) — Не всегда соответствие очевидно (выявить действительные цели существующей системы непросто)

МОДЕЛЬ ПЕРВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ОРУЖАЮЩАЯ СРЕДА Входы системы Выходы системы ЧЁРНЫЙ ЯЩИК «ЦЕЛЬ» Свойства системы: — Целостность — Обособленность от среды — Система не является полностью изолированной от среды Система связана со средой и с помощью этих связей воздействует на среду Выходы системы соответствуют слову «цель» Система является средством, поэтому должны существовать и возможности ёё использования, воздействия на неё. Эта возможность осуществляется через входы системы

СЛОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ЧЁРНОГО ЯЩИКА 1. Опасность неполноты составления перечня входов и выходов Всякая реальная система, как и любой объект, взаимодействует с объектами окружающей среды неограниченным числом способов Отбираем конечное их число Исключаем из рассмотрения остальные связи. Такой приём не лишает их реальности, они все равно действуют независимо от нас Невыполнение дополнительных целей может сделать ненужным или даже вредным и опасным достижение основной цели Признаки полноты: Наличие в модели противоречивых элементов Включение в модель неявных, «запасных» , неконкретизированных элементов 2. Избыточность составления перечня входов и выходов

Второе определение системы Вся деятельность, способствующая решению проблемы, направлена на достижение поставленной цепи посредством действий, направленных на отбор из окружающей среды объектов, свойства которых можно использовать для достижения цели, и на объединение этих объектов надлежащим образом. Модель состава Модель Структурная + = структуры схема

Модель состава системы СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТ ПОДСИСТЕМА ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕМЕНТ Те части системы, которые мы рассматриваем как неделимые, будем называть элементами. Части системы, состоящие более чем из одного элемента, назовем подсистемами.

Множественность моделей состава систем Во-первых, разные модели состава получаются вследствие того, что понятие элементарности можно определить по-разному. То, что с одной точки зрения является элементом, с другой — оказывается подсистемой, подлежащей дальнейшему разделению Во-вторых, как и любые модели, модель состава является целевой, и для различных целей один и тот же объект потребуется разбить на разные части В-третьих, модели состава различаются потому, что всякое разделение целого на части, всякое деление системы на подсистемы является относительным, в определенной степени условным

Модель структуры системы Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы В результате получилась схема, в которой обозначается только наличие элементов и связей между ними, а также (в случае необходимости) разница между элементами и между связями. Такая схема называется графом. Вершина Ребро Петля Изолированная вершина Графы структур Линейная Древовидная Матричная Сетевая

Структурная схема системы Модель состава ограничивается снизу тем, что считается элементом, а сверху — границей системы. Как эта граница, так и границы разбиения на подсистемы определяются целями построения модели и, следовательно, не имеют абсолютного характера. Это не означает, что сама система или ее состав нереальны. Мы имеем дело не с разными системами, а с разными моделями системы Модель структуры: последовательность и продолжительность действия компонентов системы Отображается посредством графов направленных или (и) ненаправленных. Однородность или (и) иерархичность состава Типичные структуры: линейные, древовидные, матричные, сетевые и др. Переменность состава Переменность структуры Неизвестный X ВХОД X Неизвестный Y Y ВЫХОД

Обобщение понятия системы Можно рассматривать структурированные объекты, созданные с известной целью, как системы, а все остальные объекты как «не системы» НО Если неизвестна цель, достижению которой служит система, то это ещё не означает, что данный объект перестаёт быть системой Сделаем первый шаг к обобщению понятия системы, признаем, что могут существовать системы с неизвестными нам целями и/или устройством Подход к изучению таких систем существенно отличается от рассмотренного: нужно прежде всего познать данный объект как систему, выявить её назначение (цель) или способ действия Второй шаг к обобщению ─ признать, что существуют искусственные (созданные человеком) и естественные (возникшие в природе без участия человека) Признав существование естественных систем, не следует противоречить себе в вопросе о целях систем. Теперь мы должны расширить понятие цели так, чтобы оно: 1. Охватывало предыдущее понятие цели искусственной системы. 2. Определяло цель естественной системы. 3. Указывало в чём состоит их общность и различие.

Субъективные и объективные цели Цель искусственной системы определяется как идеальный образ желаемого результата Такой идеальный образ будущего состояния системы и окружающей её среды естественно называть субъективной целью. Планируемое будущее состояние В настоящее время система и окружающая её среда существуют в некотором реализованном состоянии По отношению к прошлому моменту, когда результат ещё только зарождался, это состояние можно было назвать объективной целью системы Реализованное будущее состояние В этом и состоит обобщение: теперь мы можем рассматривать объективные и субъективные цели системы, т. е. такие, которые ставит человек, и такие, которые реализует природа У естественных неодушевлённых систем есть только объективные цели У искусственных систем есть субъективные и объективные цели Любой объект можно рассматривать как систему, но это означает, что этот объект рассматривается под определённым углом зрения, т. е. в определённом отношении, а именно отношении к цели

Пример 1: из истории науки Ещё Аристотель развивал телеологию, согласно которой «природа» вещи определяет её естественное положение и движение объясняется предполагаемым стремлением её достичь этого положения Галилей и его последователи, отвергая такой подход, стремились изучать не конечное состояние, а его причины, т. е. комбинации сил, действующих в данный момент НО Реальное движение и состояние физических тел подчиняются определённым принципам экстремальности: минимума действия, минимума потенциальной энергии и т. п. НО Физика «чисто белого ящика» испытывает затруднения уже при рассмотрении N≥ 3 взаимодействующих тел: такие задачи не получили аналитического решения Прогресс был достигнут физикой «чёрного ящика» ─ статистической физикой НО Примечательно, что и тут был обнаружен экстремальный принцип ─ принцип максимума энтропии Открытие принципов экстремальности природных процессов следует, видимо, рассматривать как проявление объективной системности природы. Наличие субъективных и объективных целей можно рассматривать как одно из проявлений общности и различия между системностью мышления (при формировании искусственных систем) и системностью природы (при формировании естественных систем)

Пример 2: Лес — это объект, но лишь до тех пор, пока его свойства не используются для конкретных целей. Например, при постройке нового города на лесистой территории часть леса в черте города сохранена в целях, поставленных проектировщиками; теперь эта часть леса входит в систему "город". Или: леспромхозу отведен новый участок леса для разработки. С этого момента такой участок становится элементом системы "леспромхоз". У леса нет "целей" украсить город или способствовать сохранению его хорошего микроклимата, предоставить леспромхозу возможность выполнить план или снабдить вас грибами. Лес имеет только свойства, знание и использование которых дает возможность всем этим системам достичь своих целей. У леса есть еще очень много (бесконечно много!) свойств, которые, будучи познанными, потенциально могут быть использованы для создания систем. Подобное рассуждение применимо к любому объекту. Такой подход обладает следующим достоинством: он подчеркивает, что если человек и может добиться любой цели, то не любым образом. Законы природы (обобщенное выражение познанных свойств объектов) нельзя нарушать, их можно только использовать. Мы намечаем конечный пункт (цель), но пути его достижения определяет природа. Реализовать поставленную цель можно только соподчиняя, организуя, используя естественные свойства объектов. Недостижимы лишь цели, противоречащие объективным природным закономерностям. Утверждая это, однако, не следует путать действительно объективные свойства природы и конкретные знания о них на современном этапе.

Различные классификации систем Начиная сравнивать и различать системы, считать одни из них одинаковыми, другие ─ различными, мы тем самым вводим и осуществляем их классификацию Классификация ─ это только модель реальности. Реальность всегда сложнее любой модели Относительность Множественность Полнота классификации является предметом особого внимания при её построении. Иногда есть уверенность в полноте вводимой классификации, иногда нет. Часто оказывается необходимым провести разграничение внутри одного класса, не отказываясь тем не менее от общности в его рамках. Так появляются подклассы, что приводит к многоуровневой, иерархической классификации

Пример классификации по происхождению Системы ? Искусственные Орудия Механизмы ≈ Смешанные Эргономические Биотехнические Машины Организационные Автоматы Автоматизированные Роботы. . . Естественные Живые ? Вирусы Неживые Экологические Социальные. . .

Подход к классификации на основе схемы функционирования системы V X S U Y S V 1 Исходя из различных способов реализации составляющих частей модели выделяют следующие классификации: по описанию входных и выходных процессов; по описанию оператора S системы; по типу управления; по обеспеченности управление ресурсами.

Классификация по описанию переменных СИСТЕМЫ С качественными переменными Содержательное описание Формализованное описание Смешанное описание С количественными переменными Со смешанным описанием переменных Дискретные Непрерывные Детерминированные Смешанные Стохастические Размытые Смешанные

Классификация по типу операторов СИСТЕМЫ Чёрный ящик (S неизвестно) Непараметризованный класс (S известно частично) Параметризованный класс Белый ящик (S известно полностью) до параметров) Инерционные (с памятью) Безынерционные (без памяти) Замкнутые (с обратной связью) Разомкнутые (без обратной связи) Линейные Нелинейные Квазилинейные

Классификация по способу управления СИСТЕМЫ Управляемые извне Самоуправляемые С комбинированным управлением Без обратной связи Программное управление Автоматические Регулирование Автоматическое регулирование Полуавтоматические Параметрическая адаптация Автоматизированные Управляемые по параметрам Управляемые по структуре Самоорганизация (Структурная адаптация) Организационные

Классификация по степени ресурсной обеспеченности управления СИСТЕМЫ Энергетические Обычные Энергокритичные Материальные Малые Большие Простые Сложные Информационные Полная Ресурсы Недостаточная Обеспеченность Системы, моделирование которых затруднительно вследствие их размерности, будем называть большими Сложной системой мы будем называть систему, в модели которой не хватает информации для эффективного управления

Свойство простоты или сложности управляемой системы является свёрнутым отношением между нею и управляющей системой, точнее, между системой и её моделью Это отношение носит объективный характер: например, кодовый замок действительно качественно различен для того, кто знает код и кто его не знает; каждому человеку родной язык кажется проще иностранного; люди умеющие и не умеющие водить автомобиль, имеют объективно разные возможности обращения с ним Существует два способа перевода системы из разряда сложной в разряд простой Первый состоит в выяснении конкретной причины сложности, получении недостающей информации и включение её в модель; это и является основной задачей науки, познания вообще и системного анализа в частности. «Не подлежит сомнению, что наука упрощения обладает своими методами и тонкостями. Я убеждая, что в будущем теоретик систем должен стать экспертом по упрощению» (У. Эшби) Второй способ ─ сменить цель, что в технических системах обычно неэффективно ( подобно забиванию гвоздей магнетроном), но в отношения между людьми это часто единственный выход

Техническое выполнение презентации: студент группы 41 -Р Сажин А. Н. Руководители: д. т. н. , проф. Колоколов Ю. В. , к. т. н. Моновская А. В. Проект «Курс лекций Исследование сложных систем» выполнен на кафедре ПТЭ и ВС, Орел. ГТУ, 2006 г.