Сложная система

 

При выделении системы, как правило, задается не одно, а множество отношений, или связей между элементами. Такая система характеризуется неоднородностью элементов и связей, структурным разнообразием, что свидетельствует о сложности системы.

Понятие сложной системы неоднозначно. Это собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных элементов. Часто сложными называют системы, которые не поддаются корректному математическому описанию либо ввиду высокого уровня разнообразия, либо из-за непознанности природы явлений, протекающих в системе.

Английский кибернетик Ст. Вир подразделяет все кибернетические системы на три группы – простые, сложные и очень сложные. Примеры систем, относящиеся к этим трем группам, приведены в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1. Классификация систем по Ст. Биру

Системы	Простые	Сложные	Очень сложные
Детерминированные	Оконная задвижка	Цифровая электронная вычислительная машина	–
Проект механических мастерских	Автоматизация	–
Вероятностные	Подбрасывание монеты	Хранение запасов	Экономика
Движение медузы	Условные рефлексы	Мозг
Статистический контроль качества продукции	Прибыль промышленного предприятия	Фирма

 

Характеристики "сложности" систем многообразны и сопровождаются одновременно многими специфическими чертами, такими,

как:

- многокомпонентность системы (большое число элементов, связей, большие объемы циркулирующей информации, др.);

- многообразие возможных форм связей элементов (разнородность структур –древовидных, иерархических, др.);

- многокритериальность, т.е. наличие ряда противоречивых критериев;

- многообразие природы элементов, составляющих систему;

- высокий динамизм поведения системы и структурных характеристик и др.

Весьма характерным для сложных систем является то обстоятельство, что, независимо от природы исследуемой системы, при решении задач управления используются одни и те же абстрактные модели, составляющие сущность системного подхода, позволяющие определить пути продуктивного исследования сложных систем любой природы и любого назначения.

Первой и основной чертой сложных систем традиционно считается целостность, или единство системы, холизм, проявляющийся в наличии у всей системы общей цели, назначения. Еще до возникновения системотехники выдающиеся отечественные физиологи И.М. Сеченов и И.П. Павлов обогатили мировую науку идеями саморегуляции функций целостности живого организма. Полное значение и формулировка принципа органической целостности были осознаны лишь с появлением концепций общей теории систем и формированием методологии кибернетики. Поэтому системы, в отдельных частях которых не наблюдается взаимодействия со всей системой в плане подчинения единой цели; не относятся к классу сложных систем, исследуемых в кибернетике.

Целостность характеризуется рядом свойств и особенностей, ее многогранность выражается понятиями: дифференциация, интеграция, симметрия, полярность и др. Дифференциация отражает свойство расчлененности целого, проявление разнокачественности ее частей. Противоположное понятие – интеграция связано с объединением совокупности соподчиненных элементов в единое образование. Симметрия и асимметрия выражают степень соразмерности в пространственных и временных связях системы.

Любая кибернетическая система обладает всеми характерными признаками целостности. Универсальность симметрии, широко распространенной в природе и представляющей собой всеобщий закон природы, была выражена в принципе Пьером Кюри. Из принципа симметрии и полярности следуют важные заключения о свойствах структуры и процессов исследуемых кибернетикой систем и моделей.

Системный подход, основанный на принципе целостности, в исследовании свойств объекта как единого целого, требует непрерывной интеграции представлений о системе на каждом этапе исследования – системного анализа, системного проектирования, системной оптимизации. Рассматриваемый подход проявляется в действии ряда общих принципов исследования:

- принцип максимума эффективности проектируемой и функционирующей системы;

- принцип субоптимизации – согласования локальных критериев между собой и с общим глобальным критерием функционирования системы;

- принцип декомпозиции, осуществляемый с учетом требования максимума эффективности. В результате декомпозиции может быть получена некоторая многоуровневая структура системы или процесса ее исследования.

Системный подход к исследованию объекта на определенном уровне абстракции позволяет решать вполне определенный, ограниченный круг задач, а для расширения (сужения) класса решаемых задач необходимо проводить исследование уже на другом уровне абстракции. Каждый из уровней представления системы располагает определенными возможностями и имеет свои ограничения. Системный подход сам системен. Для достижения максимальной полноты и глубины исследования необходимо исследовать систему на всех целесообразных для конкретного случая уровнях абстракции.

Использование системного подхода для целей исследования объекта носит дедуктивный характер. Выберем в качестве объекта исследования функциональную систему S.

Определение 1.1. Если S является функцией:

, (1.3)

где Х – входной,

Y – выходной объект,

то соответствующая система называется функциональной.

Такая система иначе называется системой "вход-выход". В кибернетической литературе ее называют "черным ящиком". Этот термин предложил английский ученый-кибернетик У.Р. Эшби. В качестве "черного ящика" принимаются объекты исследования кибернетики, внутренняя структура (устройство) которых неизвестно или оно не является предметом изучения. Внешнему наблюдателю таких объектов доступны только воздействия на их входы и реакция на воздействия, проявляющаяся в изменении поведения объектов на выходе. Концепция "черного ящика" дает определенные возможности для объективного изучения систем, устройство которых либо недоступно исследователю, либо их поведение не зависит от структурных характеристик.

Наблюдая достаточно долго за поведением такой системы, можно достичь такого уровня знаний свойств системы, чтобы научиться предсказывать движение ее выходных координат при любом заданном изменении на входе. Очевидно, однако, что возможности исследования "черного ящика" достаточно ограничены. Заметим попутно, что в рамках данного подхода системы, характеризующиеся одинаковыми наборами входных и выходных величин и одинаково реагирующие на внешние возмущения, являются по определению изоморфными. Концепция "черного ящика" плодотворна на стадии исследования эмерджентных свойств, поскольку именно "черный ящик" олицетворяет систему как нечто целое, чье поведение необъяснимо со структурных позиций. Предсказание поведения целого, основанное на иной платформе (так называемый "белый ящик", "серый ящик"), часто не бывает исчерпывающим, так как сверх предсказанных свойств могут эмерджировать или внезапно проявляться новые свойства. Порождаемые свойства в полной мере присущи экономическим системам, что прибавляет трудностей их исследователям.

Аксиома 1.1. Любую систему преобразования входов в выходы можно представить как функциональную, и наоборот, просто опираясь на предположение о целесообразности ее функционирования.

Аксиома 1.2. Целесообразность существования функциональной системы S с точки зрения требований, предъявляемых к пей внешней средой, или суперсистемой более высокого уровня, связана с выходными величинами Y, отражающими результаты функционирования системы S, или функциональное назначение системы.

Назовем представленный уровень исследования системно-ориентированным. В рамках данного подхода рассмотрим еще некоторые определения концептуального характера.

Определение 1.2. Функциональная система называется управляемой тогда и только тогда, когда:

. (1.4)

Определение 1.2 означает, что надлежащим выбором входного воздействия х можно добиться получения любого выходного сигнала .

Определение 1.3. Функциональная система называется системой принятия решений, если имеется такое семейство задач D(x), , решением которых является элемент множества Z, и такое отображение , что

(1.5)

В терминах системно-ориентированного подхода могут быть осуществлены постановки задач управления, оптимизации, гомеостазиса и др.

Исчерпав возможности исследования функциональной системы S на данном уровне абстракции, переходят к рассмотрению системы с позиций структурно-функционального подхода, используя для этого следующее определение.

Определение 1.4. Функциональная система S с позиций структурно-функционального подхода задается пятеркой символов:

, (1.6)

где Ф – макрофункция системы,

G – структура системы,

R – отношение эмерджентности,

X, Y – множества входных и выходных объектов соответственно.

Макрофункция системы Ф является количественным выражением основной пели и зависит от управляющего воздействия . Выбор макрофункции Ф обеспечивает достижение требуемого значения Y. Ф, таким образом, связана с решением глобальной задачи, стоящей перед системой.

. (1.7)

Соотношение между глобальной целью функционирования системы S и ее макрофункцией неоднозначен, обоснование выбора определенного вида производится экспериментатором в соответствии с некоторым эвристическим критерием у.

Пусть – некоторый конечный набор функций, связанных с целью системы S.

, . (1.8)

Множество входных воздействий Х разбивается на два подмножества – управляющих сигналов и возмущающих – .

Тогда определение 1.4 можно пояснить следующим образом:

, (1.9)

где ,

,

, ;

где – множество элементов системы,

, – множество связей между ними, или, если заданы их количественные характеристики: – количественные характеристики элементов, например: интенсивность, мощность, запас, др.;

– количественные характеристики связей, например: пропускная способность, ранг, др.

. (1.10)

Отношение эмерджентности R задает соответствие между макрофункцией системы и реализующей ее структурой и изменяется всякий раз, когда это соответствие нарушается:

. (1.11)

Структурно-функциональный подход выводит на новый, более глубокий уровень исследования. При этом решаются некоторые проблемы методологического характера:

выбор Ф на основе качественного критерия ;

формирование множества управлений ;

выбор способа учета возмущающих воздействий ;

выбор первичного элемента системы ;

составление перечня подсистем и элементов на основе определенного метода структурной декомпозиции;

определение системы существенных связей системы ;

определение механизма реализации производственных целей:

;

определение механизма управления .

Рассмотренное понятие является полезным при проведении анализа, синтеза или другого исследования.

Необходимость учета фактора времени при описании сложной системы, а также рассмотрения поведенческих аспектов в движении и развитии систем приводит к необходимости исследования динамической системы.

Определение 1.5. Динамической системой S называется сложное математическое понятие:

, (1.12)

определяемое следующими аксиомами.

1. Заданы: множество моментов времени Т, макрофункция системы Ф, множество входных воздействий X, множество возмущений , множество состояний U, множество значений выходных величин Y, структура системы G и отношение эмерджентности R.

2. Множество Т есть некоторое упорядоченное подмножество множества вещественных чисел.

3. Макрофункция системы определяется с помощью двух функций:

и ,

где S – функциональная модель объекта,

V – функция качества, или оценочная функция,

С – множество оценок.

Макрофункция системы определяется парой .

4. Множество возмущений или множество неопределенностей представляет собой множество всевозможных воздействий, которые сказываются на поведении системы. Если такое множество не пусто: , функциональная модель объекта принимает вид , а оценочная функция – .

5. Существует переходная функция состояния

,

значениями которой служат состояния

,

в которых оказывается система в момент времени , если в начальный момент она находилась в состоянии и в течение отрезка на нее действовали входные воздействия .

6. Задано выходное отображение

,

определяющее выходные величины .

Пару , где , называют событием системы S, а множество – пространством состояний системы.

Конечный набор состояний системы, задаваемый переходной функцией и определенный на некотором временном отрезке , , называется траекторией поведения системы на интервале .

Говоря о движении системы, мы будем иметь в виду траекторию

поведения системы.

7. Структура системы G определяется в терминах теории графов:, ; , где – вершины, – дуги графа.

8. Отношение эмерджентности

.

Данное понятие динамической системы позволяет выработать общую терминологию, уточнить концептуализацию и обеспечить единый подход в рассмотрении приложений, однако является недостаточно конкретным.

В рамках абстрактной теории систем последнее определение дополняется необходимыми доопределениями: конечномерности, линейности, стационарности и др. Однако теоретическое изложение этих вопросов в рамках данного учебника не производится: впредь по мере необходимости мы априорно будем задавать тип связей между исследуемыми величинами, или классами систем: линейная непрерывная система, конечный автомат и т.д. Задачи, рассматриваемые для динамической системы, традиционны: это вопросы устойчивости, идентификации, инвариантности, наблюдаемости, управляемости и оптимальности, реализуемости и др. Углубленное изучение теории вопроса позволяет грамотно и корректно ставить и решать задачи, связанные с управлением экономическими системами.