Свойства системы, связанные с целями и функциями.

Синергичность (- однонаправленность) - действия компонентов усиливает эффективность функционирования системы (пример – лазер).

Эмерджентность - функции компонентов системы не всегда совпадают с функциями системы (в большинстве систем).

Мультипликативность - и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения (пример – регистр счетного устройства – для цифры каждого разряда свой датчик).

Целенаправленность.

Свойства системы, связанные со структурой.

Неаддитивность — принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов (в большинстве систем, пример - велосипед).

Целостность - изменение в одном элементе вызывает изменение во всех других элементах и в системе в целом (пример - лазер).

Аддитивность (противоположность целостности) – если система состоит из элементов не связанных между собой, то свойство системы равно сумме свойств элементов и, следовательно, изменение одного элемента влияет на свойство всей системы, но не влияет на другие элементы (пример: пропускной пункт на станции метро – чем больше турникетов, тем больше пропускная способность).

Если изменение в системе идет в сторону аддитивности, то говорят, что система подвержена прогрессирующей изоляции, если изменения направлены к целостности, то говорят, что система подвержена прогрессирующей систематизации. Эти процессы могут идти параллельно, а могут чередоваться. Пример. Колонизация Америки – сначала изоляция, затем систематизация.

Свойства системы, связанные с ресурсами и особенностями взаимодействия со средой:

Коммуникативность - существование системы коммуникаций со средой.

Адаптивность — стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако, «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития). Пример – человек.

Надёжность — возможность функционирования системы при выходе из строя её компонент, сохранение проектных значений параметров системы в течение запланированного периода (пример – мозг).

Динамические (-проявляющиеся с изменением времени) свойства системы

Интегративность - наличие системообразующих, системосохраняющих факторов (пример – страна).

Эквифинальность — способность системы достигать состояний независящих от исходных условий и определяющихся только параметрами системы.

Развитие - увеличение сложности системы в течение времени.

Самоорганизация - процесс упорядочения в системе за счет внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия.

Состояние системы.

Состояние – понятие, с помощью которого обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы, либо через макропараметры, макросвойства системы (внутренние параметры системы). Так, говорят о состоянии покоя (стабильные входные-выходные параметры), о состоянии равномерного прямолинейного движения (стабильная скорость) и т.п.

Поведение системы.

Если система обладает различными состояниями и может переходить из одного состояния в другое, говорят, что система обладает поведением.

Поведение обладает своими свойствами характером и алгоритмом.

При исследовании систем пытаются выяснить закономерности (правила) перехода систем из одного состояния в другое.

Если состояния системы меняются непрерывно, то поведение системы описывается функцией времени. Если объект функционирует во времени, то это процесс и соответствующая система является динамической (иначе это статическая система).

Два типа динамики объекта:

- функционирование – процессы которые происходят в системе (и среде), стабильно реализуют фиксированную цель (например, часы, радиоприемник, городской транспорт),

- развитие – происходит изменение структуры объекта для обеспечения нового типа функционирования.

Системы с обратной связью (важный частный случай системы).

Особым классом динамических систем являются системы с обратной связью. Связь может быть прямая и обратная. Обратная положительная – усиливает выход. Обратная отрицательная – ослабляет выход.

О братная связь - одно из фундаментальных понятий ТС первоначально была исследована в теории автоматического управления [5: с.201].

Рис.15. Структура системы с обратной связью.

• где X(t) - закон или алгоритм (программа) управления, на который воздействует блок обратной связи,

• Хтреб - требуемое значение регулируемого параметра («уставка»),

• Xi - фактическое значение регулируемого параметра,

• DХ- рассогласование между Xтреб и Xi

Положительная обратная связь - тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения. Положительная обратная связь ускоряет реакцию системы на изменение входного сигнала, поэтому её используют в определённых ситуациях, когда требуется быстрая реакция в ответ на изменение внешних параметров. В то же время положительная обратная связь приводит к неустойчивости. Нелинейная положительная обратная связь ведёт к тому, что система начинает развиваться в режиме с обострением.

Режим с обострением — такой динамический закон, при котором одна или несколько моделируемых величин обращаются в бесконечность за конечный промежуток времени. Формируется в результате действия механизма нелинейной положительной обратной связи.

Примеры: обычное горение можно рассматривать как пример положительной обратной связи: повышение температуры способствует распространению пламени, аналогичный процесс — цепная реакция в ядерной физике.

Отрицательная обратная связь - тип обратной связи, при котором входной сигнал системы изменяется таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.

Пример: лабораторная водяная баня с термостатом, установленным на 37°С. Вода в бане отдает тепло окружающей среде и остывает, но, как только температура падает ниже 37°С, включается нагреватель и поднимает температуру вновь до 37°С, после чего нагреватель отключается, и весь цикл повторяется.

Это простой пример отрицательной обратной связи: результат деятельности нагревателя, т. е. повышение температуры воды, сам по себе обеспечивает выключение нагревателя.

Система с обратной связью способна:

• оценить достигнутое,

• сравнить его с тем, что должно быть достигнуто,

• и в случае отрицательной обратной связи скорректировать свой выход должным образом, чтобы свести к минимуму отклонение достигнутого от цели.

Обратная связь является основой саморегулирования и 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.

Закон необходимого разнообразия Эшби

- отражает что происходит с объектом управления в зависимости от возможностей управляющего устройства.

Если объект имеет N возможностей поведения (разнообразие), то управляющее устройство должно иметь возможность выбора не менее чем из N возможностей. Т.е. разнообразие управляющего устройства должна быть не меньше разнообразия объекта управления.

Если меньше, то постепенная деградация объекта.

Жизненный цикл.

Существует закономерность «Историчность»: старение идеи, старение компании и.т.д. Система также стареет (причины см. ниже – рост и развитие). Рекомендуется уже в процесс проектирования закладывать процесс ликвидации системы. При внедрении информационных систем в середине ее жизненного цикла нужно начинать проектирование новой.

Пример ошибки – атомные электростанции – никто не думал, что через 30 лет их надо ликвидировать и строить заново.

Рост и развитие

Объекты и системы растут (количественно – увеличение количества элементов и связей) и развиваются – новые процессы появляются, старые гибнут. Причина – противоречия. Противоречия порождают кризис – заставляет решать противоречия.

Пример: груда мусора – растет, человек – развивается после прекращения роста.

Развитие есть увеличение степени идеальности (см. выше конус развития).

Критерий развития – использование ресурсов – чем выше развитие, тем меньше использование ресурсов т.к. ближе к идеалу. Ресурсы ограничивают рост, а не развитие.

С ростом сложности системы увеличивается неравномерность развития подсистем и, как следствие, деградация системы.

Самостоятельная работа № 3

(работа выполняется вместе с работой 2)

На основание деревьев целей, построенных в самостоятельной работе 2, провести построение систем для каждой цели (задание 1) и классификацию полученных систем (задания 2).

Методические указания

Вы – субъект, проводящий исследование.

Н апоминаем, что объект выполняет функцию, а функция системы – способность выполнять цели, для которых система создается субъектом.

Система это совокупность объектов и процессов, называемых элементами, взаимодействующих между собой, образующих единое целое – систему – обладающую свойством, не присущим ее элементам в отдельности.

Элемент – функциональная часть системы, внутреннее строение которого рассматривать нет необходимости для описания функционирования системы.

Целью этой работы являются ответы на вопросы:

1. Из чего состоит наша система? (элементный анализ)

2. Как связаны между собой элементы системы? (структурный анализ)

3. Какую функцию выполняет каждый элемент системы? (для внутреннего функционирования)

4. В какую надсистему входит рассматриваемая система? (для внешнего функционирования)

Задание 1. Для выбранного объекта и цели описать систему, описать элементы системы.

Описание системы проводится по плану:

1. Объект исследования

2. Надсистема, в которую входит объект. Их обычно несколько. Нужно обосновать выбор надсистемы. Выбор надсистемы определяет цель.

3. Цель (зависит от поставленной задачи и выбранной надсистемы)

4. Элементы системы (определяются деревом целей).

5. Входные и выходные переменные – определяют связь со средой (связи со средой – должны быть измеримы), связи переменных с элементами системы.

6. Подсистемы (какую функцию выполняют, из каких элементов системы состоят). Связи элементов в подсистеме построить проще, чем сразу в системе.

7. Построение связей между элементами в виде матрицы.

8. Построение связей между элементами в виде графа. Проверка связей.

Замечание. Процесс построения системы часто цикличен. Во время построения подсистем и связей между элементами происходит уточнение и дополнение дерева целей, и работа может возвращаться к п.4.

Задание 2. Классификация системы.

Провести классификацию систем построенных в задании 1, занести результаты в таблицы 7 - 9 (проставив название объекта в соответствующие клетки) [3: c. 4].

Пример выполнения задания 1, Описание системы.

1. Объект - велосипед,

2. Возможные надсистемы:

а. спортивные снаряды,

б. средства передвижения,

в. тренажер для сброса лишнего веса.

Вариант (а.) – надсистема не однозначна – требует уточнения, например, через надсистему в. При сравнении надсистем б. и в. – выбран вариант б. как более широкий с позиции использования.

3. Цель исследования - уменьшение веса велосипеда (это нулевой уровень дерева целей). Обратите внимание на то, что при выборе надсистемы в. цель была бы не «уменьшение», а «увеличение» веса велосипеда. Это иллюстрация того, как выбор надсистемы влияет на выбор цели.

4. Элементы первого уровня дерева целей перенумеруем:

Уменьшение веса велосипеда:

1. вес рамы;

2. вес седла;

3. вес руля;

4. вес педалей;

5. вес колес;

6. вес шин;

7. вес цепи;

8. вес шестеренок;

9. вес тормозов.

Элементы второго уровня дерева целей перенумеруем с указанием на номер элемента первого уровня. Например, номер «2.3.» – означает, что элемент является средством (уточнением цели) для реализации элемента «2» первого уровня и среди всех элементов, являющихся уточнением элемента «2» имеет номер «3». Ниже приведено дерево целей с элементами второго уровня:

Уменьшение веса велосипеда:

1. вес рамы;

1.1. материал рамы;

1.2. форма рамы;

2. вес седла;

2.1. материал седла;

3. вес руля;

3.1. материал руля;

4. вес педалей;

4.1. материал педалей;

5. вес колес;

5.1. материал колес;

5.2. размеры колес;

6. вес шин;

6.1. материал шин;

6.2. форма шин;

7. вес цепи;

7.1. материал цепи;

8. вес шестеренок;

8.1. материал шестеренок;

9. вес тормозов;

9.1. материал тормозов.

5. Входная переменная: «воздействие на педали», выходная – вес велосипеда.

6. Построение связей оформляется в таблицу (таблица 6). Строки и столбцы таблицы соответствуют элементам системы. Элементами системы являются элементы нижнего уровня дерева целей, входные и выходные переменные. Связи между элементами указываются в клетках таблицы. Таблица позволяет указать не только связи между элементами, но и направление воздействия элементов друг на друга.

Будем считать, что столбцы таблицы соответствуют объектам, на которые направлено воздействие; строки, соответствую объектам, которые воздействуют.

Нахождению связей между элементами помогает выделение подсистем. Подсистемы проще, чем вся система и в подсистемах проще увидеть связи.

Далее в тексте слово материал будет опущено там, где это не вызывает неоднозначности.

6.1. Подсистема «управление» состоит из элементов: «руль», «форма рамы», «рама», «колеса», «шины». Связи этой подсистемы в таблице связей будут обозначены «1».

Элементы «руль» и «форма рамы» взаимосвязаны. Элемент «форма рамы» влияет на элемент «материал рамы». Элемент «материал рамы» влияет на элемент «колеса», элемент «колеса» влияет на элемент «шины». В таблице связей должно быть пять «1».

6.2. Подсистема «передача движения» состоит из элементов: «воздействие на педали», «педали», «шестеренки», «цепь», «рама», «размер колес», «материал колес», «шины». Связи этой подсистемы будут обозначены «2».

Элемент «воздействие на педали» влияет на элемент «педали», элемент «педали» влияет на элемент «шестеренки», элемент «шестеренки» взаимосвязан с элементом «цепь» и влияет на элементы «рама» и «размер колес», элемент «колеса» влияет на элемент «шины». В таблице связей должно быть семь «2».

6.3. Подсистема «торможение» состоит из элементов «тормоза», «руль», «материал рамы», «размер колес», «материал колес», «шины». Связи этой подсистемы будут обозначены «3».

«Тормоза» влияют на «руль», «руль» влияет на элементы «рама» и «размер колес», «размер колес» влияет на «материал колес». Элементы «размер колес» и «материал колес» влияют на элемент «шины». В таблице связей должно быть шесть «3».

6.4. Подсистема «обеспечение удобства велосипедиста» состоит из элементов «седло», «форма рамы», «руль», «размер колес», «педали». Связи этой подсистемы будут обозначены «4».

Элемент «седло» взаимосвязан с элементом «форма рамы», «форма рамы» влияет на элементы «руль», «размер колес» и «педали». В таблице связей должно быть пять «4».

6.5. Обозначим связи, которые в подсистемах не учтены «5».

Построение таблицы и графического представления

Первый шаг. Запишем в таблицу все связи, которые есть в подсистемах.

Второй шаг. Запишем связи, которые не вошли в подсистемы.

Таблица 6. Связи элементов системы

№№	Название объекта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	Рама форма	Х	1	4	1,4	4		4							5
2	Рама матер.		Х				1			1					5
3	Седло матер.	4		Х											5
4	Руль матер.	1	3		Х			3							5
5	Педали матер.					Х						2			5
6	Колеса матер.						Х		3	2					5
7	Колеса размеры						3	Х	3						5
8	Шины матер								Х						5
9	Шины форма									Х					5
10	Цепь матер.										Х	2			5
11	Шестер. матер.		2					2			2	Х			5
12	Тормоза матер.				3								Х		5
13	Воздействие на педали					2								Х
14	Вес велосипеда	5	5				5		5						Х

Третий шаг, соответствует п.8. общего плана построения системы. Нарисуем граф, соответствующий таблице 5. Каждая заполненная клетка таблицы 5 определяет одну дугу графа.

Рис. 16. Граф, соответствующий таблице 5.

Граф позволяет проверить правильность построения. На графе видно, что в вершину 12 (материал тормоза) ни одна дуга не входит. Это означает что, либо эта вершина должна быть входной переменной, либо какая то связь не учтена.

В данном случае несколько неточностей. Конечно, на материал тормоза влияет материал колеса, следовательно:

1. Меняется описание системы торможения – добавляется эта связь.

2. Материал тормоза зависит от общего веса велосипеда.

Следовательно, надо дополнить таблицу 5. В таблице 6 данные дополнены (дополнения выделены и подчеркнуты).

Таблица 6. Дополненные связи элементов.

		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	Рама форма	Х	1	4	1,4	4		4							5
2	Рама матер.		Х				1			1					5
3	Седло матер.	4		Х											5
4	Руль матер.	1	3		Х			3							5
5	Педали матер.					Х						2			5
6	Колеса матер.						Х		3	2			3		5
7	Колеса размеры						3	Х	3						5
8	Шины матер								Х						5
9	Шины форма									Х					5
10	Цепь матер.										Х	2			5
11	Шестер. матер.		2					2			2	Х			5
12	Тормоза матер.				3								Х		5
13	Воздействие на педали					2								Х
14	Вес велосипеда	5	5				5		5				5		Х

Граф на рис. 16 построен по дополненным данным (появилось еще две дуги).

Рис. 16. Граф, соответствующий таблице 6.

Это пример нахождения и исправления типичной ошибки. При представлении выполненного задания приводятся только окончательная таблица и соответствующий ей граф.

Для выполнения задания 2, заполняем следующие таблицы. Таблицы заполнены для рассмотренного выше примера.

Таблица 7. Классификация систем по степени сложности и обусловленности действия.

По степени сложности	Малая	Большая	Сложная
По обусловленности действия (детерминированная – вероятностная)	Детерминированная

Таблица 8. Классификация систем по происхождению и характеру поведения (для динамических систем)

По происхождению	Искусственная	Смешанная	Естественная
По отношению ко времени (Динамическая - статическая)	Статическая

Таблица 9. Классификация систем по типу и форме.

По сущности	Техническая	Биологическая	Социально-экономическая
По внешнему поведению (Открытые - замкнутые)	Замкнутая
Абстрактные - конкретные	Конкретная

Замечание: поскольку абсолютно замкнутых систем не существует, в таблицу заносятся системы, замкнутые по отношению к материальным, информационным или энергетическим параметрам входа и выхода.