2.2. Строение системы

2.2.1. Связи в системе

Отношения, которые обеспечивают возникновение и сохранение целостности системы называются системными связями или просто связями. Таким образом, связи характеризуют строение системы. Иногда связь определяют и как средство ограничения степени свободы элементов. Действительно, если, например, два элемента имеют между собой некоторую связь, то они не уже не могут действовать вполне независимо друг от друга (у них появились ограничения на свободу).

Для осуществления связей в системе должны находиться определенные объекты, называемые сигналами, осуществляющие непосредственное взаимодействие между элементами (или подсистемами) системы, а также между элементами системы и окружающей ее средой. Чаще всего в качестве сигнала выступает процесс передачи потока (вещества, энергии, информации). Средства, по которым могут распространяться сигналы, называются каналами связи. Отметим, что каналы связи часто также называют просто связями.

Принципиально важным является то, что, передавая поток (вещества, энергии, информации) с выхода одного объекта к входу другого объекта, каналы связи не изменяют этот поток. В этой связи можно сказать, что каналы связи являются «пассивными» компонентами системы. Поэтому с точки зрения функционирования системы находящиеся в ней каналы связи тривиальны, поскольку они практически не изменяют проходящие по ним потоки (в отличие от «активных» компонентов системы, которые эти потоки заметно изменяют).

Однако в зависимости от задачи один и тот же объект может выступать как связь или как компонент системы. Например, провода в бытовых электросетях играют роль каналов связи и обычно не рассматриваются в качестве потребителей энергии. Между тем проводники обладают электрическим сопротивлением и, следовательно, потребляют некоторую мощность. Поэтому, если рассматривают магистральные энергосистемы, то суммарные потери в многокилометровых проводах весьма существенны и их влияние уже учитывают, рассматривая их в виде элементов энергосети – потребителей электроэнергии.

Связи можно классифицировать по самым различным признакам. Различают, например, направленные и ненаправленные связи, сильные и слабые, связи подчинения, порождения и управления, внутренние и внешние связи, связи взаимодействия (координации) и принуждающие связи (подробнее об этом см. например, в работе¹ [20]). В целях математического моделирования рассматривают детерминированные (жесткие) связи, которые, как правило, однозначно связывает причину и следствие, что дает возможность сформировать четко обусловленную формулу взаимодействия элементов, которые она связывает и вероятностные (гибкие) связи, обусловливающие многозначную (вероятностную, неявную, косвенную и т.п.) зависимость между элементами системы.

Для нашего рассмотрения является важной классификация связей по направлению взаимодействия: связи могут быть прямыми и обратными. Прямые связи предназначены для заданной функциональной передачи сигналов от одного элемента к другому в направлении основного процесса, они обычно связывают выходы одних элементов с входами других элементов системы. Прямая связь представляет собой в некотором смысле первичное воздействие элемента на элемент. Так, например, в системах управления прямая связь выражается потоком директивной информации (сигналами команд) направляемой от элементов управленческого аппарата к объекту управления.

Обратные связи, служат для передачи сигналов в обратном относительно основного процесса направлении, связывая выходы одних элементов с входами других элементов системы. Они, в основном, выполняют осведомляющие функции, отражая изменение состояния и/или выхода системы в результате тех или иных причин. Например, поток отчетной информации о выполнении принятых решений идет в обратном относительно распорядительной информации направлении.

Принято считать, что если выходной сигнал (вернее сведения о нем) с выхода системы подается на ее вход, то в системе имеет место обратная связь. Однако это лишь необходимое условие. Для фактической реализации обратной связи обязательно должен быть действовать механизм реакции системы на этот обратный сигнал. Так наличие, например, в организационной системе наличия критики еще не говорит о существовании в ней обратной связи. Она будет таковой, если критика непременно вызывает соответствующие изменения в системе. Сравните две ситуации.

1. Руководство фирмы отчитывается перед собранием акционеров о проделанной работе (и все).

2. По результатам отчета руководства принято решение о мерах по устранению выявленных ошибок и корректуре плана дальнейшей деятельности фирмы. Как говорится: «Почувствовали разницу?»

Механизм обратной связи имеет важную особенность: он по своей сути является циклическим. Дело в том, что выходной сигнал есть уже результат функционирования системы. Только после этого обратный сигнал подается на вход системы, которая находится уже в измененном состоянии, по крайней мере, по отношению к тому состоянию, которое обусловило этот выходной сигнал. Иными словами для систем характерно несовпадение времени возникновения причины и следствия, как реакции на эту причину.

Обратная связь может рассматриваться как механизм, обеспечивающий ответную реакцию на некоторое воздействие (изменение), который может оказывать влияние на последующую деятельность системы. Таким образом, обратная связь в системе функционирует в цикле: «Входной сигнал – Деятельность системы – Формирование выходного сигнала – Формирование сигнала обратной связи – Входной сигнал».

Если обратная связь усиливает результаты тенденции функционирования объекта (например, способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от заданного значения), то она называется положительной обратной связью, если ослабляет – отрицательной обратной связью.

Положительная обратная связь ускоряет реакцию системы в том же самом направлении, поэтому ее еще называют усиливающей. Вот примеры систем с такой обратной связью: познание человечеством окружающего мира (чем больше узнаем, тем больше прилагаем усилий для расширения своих знаний), рост населения (увеличение рождаемости приводит, вообще говоря, к увеличению населения, что в свою очередь влечет еще большую численность населения), банковский счет (со временем на счет поступают проценты от вклада, которые складываясь с самим вкладов приносят еще большие проценты).

Усиливающая обратная связь должна (по крайней мере, теоретически) приводить к экспоненциальному росту выходного сигнала стремящегося к бесконечности. Широко известна следующая история. Султан решил отблагодарить своего мудрого советника и спросил, что он хочет. Мудрец ответил: положи на первую клетку шахматной доски одно пшеничное зернышко, на вторую – два, на третью – четыре, на четвертой - восемь и так далее, увеличивая число зерен на каждой соседней клетке в два раза. Ты дашь мне столько зерен, сколько должно быть на последней (шестьдесят четвертой) клетке. Глупый султан согласился, но сдержать своего слова не смог, зерен оказалось значительно больше, чем их выращивают на всем свете.

На практике же такое развитие ситуации происходит далеко не всегда, срабатывают механизмы, включающие отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь как бы гасит наметившиеся возмущения и отклонения, обеспечивая тем самым функциональную устойчивость системы (в этой связи ее еще называют уравновешивающей обратной связью). Уравновешивающая обратная связь поддерживает систему в устойчивом состоянии, вызывая сопротивление системы попыткам вторгнуться в нее с целью изменения ее функционирования.

Этот эффект обеспечивается за счет того, что уравновешивающая обратная связь (в отличие от усиливающей) всегда направлена на уменьшение различия между желаемым и существующим состояниями системы. Как только возникает это различие, уравновешивающая обратная связь начинает подталкивать систему к «нужному» состоянию. И чем ближе система подходит к своей цели, тем меньшее различие улавливает обратная связь и тем ближе сама система к исходному покою или равновесию. Как отмечено в работе¹, системный подход можно рассматривать как отражение циклического мышления, поскольку связи между элементами очень часто образуют циклы обратной связи.

Примеры уравновешивающей обратной связи можно наблюдать повсюду: человек, как система, поддерживающая параметры своего существования (к механизмам с обратной связью относятся все системы обеспечения его жизнедеятельности), системы управления в обществе (в случае наблюдения негативных тенденций принимаются меры к их устранению или компенсации), автопилот самолета (практически все технические системы имеют механизмы отрицательной обратной связи).