Общие сведения о системном анализе

Лекция 1
Общие сведения о системах и системном анализе
Общие сведения о системном анализе. Понятие системы. Классификация систем. Динамические системы и семейство их реакций. Линейные системы. Система типа «черный ящик» и кибернетические системы. Понятие о
нелинейных и нестационарных системах. Основные принципы системных исследований
Общие сведения о системном анализе
Системный анализ, 1) в узком смысле — совокупность методологических
средств, используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам политического, военного, социального, экономического, научного, технического характера. 2) В широком смысле термин «С. а.» иногда (особенно в англоязычной литературе) употребляют как синоним системного подхода.
Привлечение методов С. а. для решения указанных проблем необходимо прежде
всего потому, что в процессе принятия решений приходится осуществлять выбор в
условиях неопределённости, которая обусловлена наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке. Процедуры и методы С. а. направлены
именно на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление
масштабов неопределённости по каждому из вариантов и сопоставление вариантов
по тем или иным критериям эффективности. Специалисты по С. а. только готовят
или рекомендуют варианты решения, принятие же решения остаётся в компетенции соответствующего должностного лица (или органа).
Интенсивное расширение сферы использования С. а. тесно связано с распространением программно-целевого метода управления, при котором специально для решения важной проблемы составляется программа, формируется организация
(учреждение или сеть учреждений) и выделяются необходимые материальные ресурсы. Первой широкой программой такого рода явился план ГОЭЛРО, разработанный в 1920 на основе указаний В. И. Ленина. Накопленный при этом опыт был
применен при осуществлении индустриализации СССР, составлении пятилетних
планов развития народного хозяйства и т. д.
В развитых капиталистических странах, и прежде всего в США, применение С. а.
в сфере частного бизнеса началось с 50-х гг. 20 в. при решении таких задач как
распределение производственных мощностей между различными видами изделий,
определение будущей потребности в новом оборудовании и в рабочей силе той или
иной квалификации, прогнозирование спроса на различные виды продукции и т. д.
Одновременно С. а. всё шире проникает и в сферу управленческой деятельности
государственного аппарата, прежде всего при решении проблем, связанных с развитием и техническим оснащением вооружённых сил и с освоением космоса. Методы С. а. использовались в США при проведении программ создания реактивного
бомбардировщика В-58, стратегических ракет и средств ПВО, при сравнительной
оценке систем вооружения и др.
В 1972 в Лаксенбурге, близ Вены, создан Международный институт прикладного
С. а. (IIASA), в котором участвуют 12 стран (в т. ч. СССР и США); он ведёт работу
по применению методов С. а. преимущественно к решению проблем, требующих
международного сотрудничества (например, охрана окружающей среды, освоение
ресурсов Мирового океана, совместное использование пограничных водных бассейнов).
Основой С. а. считают общую теорию систем и системный подход. С. а., однако,
заимствует у них лишь самые общие исходные представления и предпосылки. Его
методологический статус весьма необычен: с одной стороны, С. а. располагает детализированными методами и процедурами, почерпнутыми из современной науки
и созданными специально для него, что ставит его в ряд с другими прикладными
направлениями современной методологии, с другой — в развитии С. а. отсутствует
тенденция к оформлению его в строгую и законченную теорию. В С. а. тесно переплетены элементы науки и практики. Поэтому далеко не всегда обоснование решений с помощью С. а. связано с использованием строгих формализованных методов
и процедур; допускаются и суждения, основанные на личном опыте и интуиции,
необходимо лишь, чтобы это обстоятельство было ясно осознано. Важнейшие
принципы С. а. сводятся к следующему: процесс принятия решений должен начинаться с выявления и чёткого формулирования конечных целей; необходимо рассматривать всю проблему как целое, как единую систему и выявлять все послед-
ствия и взаимосвязи каждого частного решения; необходимы выявление и анализ
возможных альтернативных путей достижения цели; цели отдельных подразделений не должны вступать в конфликт с целями всей программы.
Центральной процедурой в С. а. является построение обобщённой модели (или
моделей), отображающей все факторы и взаимосвязи реальной ситуации, которые
могут проявиться в процессе осуществления решения. Полученная модель исследуется с целью выяснения близости результата применения того или иного из альтернативных вариантов действий к желаемому, сравнительных затрат ресурсов по
каждому из вариантов, степени чувствительности модели к различным нежелательным внешним воздействиям. С. а. опирается на ряд прикладных математических дисциплин и методов, широко используемых в современной деятельности
управления: операций исследование, метод экспертных оценок, метод критического
пути, очередей теорию и т. п. Техническая основа С. а. — современные вычислительные машины и информационные системы.
Методологические средства, применяемые при решении проблем с помощью С.
а., определяются в зависимости от того, преследуется ли единственная цель или
некоторая совокупность целей, принимает ли решение одно лицо или несколько
и т. д. Когда имеется одна достаточно четко выраженная цель, степень достижения
которой можно оценить на основе одного критерия, используются методы математического программирования. Если степень достижения цели должна оцениваться на основе нескольких критериев, применяют аппарат теории полезности, с
помощью которого проводится упорядочение критериев и определение важности
каждого из них. Когда развитие событий определяется взаимодействием нескольких лиц или систем, из которых каждая преследует свои цели и принимает свои
решения, используются методы игр теории.
Несмотря на то, что диапазон применяемых в С. а. методов моделирования и решения проблем непрерывно расширяется, С. а. по своему характеру не тождествен
научному исследованию: он не связан с задачами получения научного знания в
собственном смысле, но представляет собой лишь применение методов науки к
решению практических проблем управления и преследует цель рационализации
процесса принятия решений, не исключая из этого процесса неизбежных в нём
субъективных моментов.
Лит.: Квейд Э., Анализ сложных систем, пер. с англ., М., 1969; Оптнер С. Л., Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем, пер. с англ., М.,
1969; Новое в теории и практике управления производством в США, пер. с англ.,
М., 1971; США: современные методы управления, М., 1971; Джонсон Р., Каст Ф.,
Розенцвейг Д., Системы и руководство, пер. с англ., М., 1971; Гвишиани Д. М., Организация и управление, 2 изд., М., 1972; Никаноров С. П., Системный анализ н системный подход, в кн.: Системные исследования. Ежегодник. 1971, М., 1972;
Акофф Р. Л., Планирование в больших экономических системах, пер. с англ., М.,
1972; Янг С., Системное управление организацией, пер. с англ., М., 1972; Юдин Б.
Г., Новые элементы в технологии капиталистического управления, «Вопросы философии», 1973, № 1; Клиланд Д., Кинг В., Системный анализ и целевое управление, пер. с англ., М., 1974; Systems thinking, ed. by F. E. Emery, Harmondsworth,
1969; Rivett P., Principles of model building. The construction of models for decision
analysis, [Chichester], 1972; Hoos 1. R., Systems analysis in public policy. A critique,
Berk., 1974. см. также лит. при статьях Система, Системный подход.
Системный анализ в узком смысле – совокупность методологических средств,
используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам в
конкретной области человеческой деятельности, в частности, в технической или
технологической.
Системный анализ в широком смысле иногда употребляют как синоним
системного подхода.
Привлечение методов системного анализа для решения сложных проблем необходимо, прежде всего, потому, что в процессе принятия решений приходится осуществлять выбор в условиях неопределенности, которая обусловлена наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке. Процедуры и методы системного анализа направлены именно на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределенности по каждому из вариантов и
сопоставление вариантов по тем или иным критериям эффективности.
В развитых капиталистических странах, и прежде всего, в США, применение системного анализа в сфере частного бизнеса началось с 50-х годов 20-го века. Одновременно системный анализ все шире проникает и в сферу управленческой деятельности гос. аппарата при решении проблем, связанных с развитием и техническим оснащением вооруженных
сил и с освоением космоса.
Основой системного анализа считают общую теорию систем и системный
подход. Системный анализ, однако, заимствует из них лишь самые общие представления и предпосылки его методологический статус весьма необычен: с одной стороны, системный анализ располагает детализированными методами и процедурами,
почерпнутыми из современной науки и созданными специально для него, что ставит его в ряд с другими прикладными направлениями современной методологии,
с другой – в рамках системного анализа применяются нестрогие, основанные на интуиции качественные суждения, оценки и методы, при этом, однако, необходимость
их использования в каждом случае специально обосновывается. В системном анализе тесно переплетены элементы науки и практики.
Важнейшие принципы системного анализа сводятся к следующему: процесс
принятия решений должен начинаться с выявления и четкого формулирования конечных целей; необходимо рассматривать всю проблему как целое, как единую систему и выявлять все последствия и взаимосвязи каждого частного решения; необходимы выявление и анализ возможных альтернативных путей достижения цели; цели
отдельных подразделений не должны вступать в конфликт с целями всей программы.
Центральной процедурой системного анализа является построение обобщенной модели (или моделей), отображающей все факторы и взаимосвязи реальной ситуации, которые могут проявиться в процессе осуществления решения. Полученная
модель используется с целью выяснения близости результатов применения того
или иного из альтернативных вариантов действий к желаемому, сравнительных затрат ресурсов по каждому из вариантов, степени чувствительности модели к различным нежелательным внешним воздействиям.
Системный анализ опирается на ряд прикладных математических дисциплин и
методов, широко используемых в современной деятельности управления. Техническая основа системного анализа – вычислительные машины и информационные системы.
Системный подход – направление методологии специально-научного познания,
в основе которого лежит исследование объектов как систем.
Содержание понятия «система»
Термин «система» имеет большой диапазон значений. Наиболее общее
определение в науке и технике:
Система – это множество элементов, понятий или норм совместно с отношениями и связями между ними, которые образуют некоторую целостность.
В теории управления под системой понимают совокупность взаимосвязанных устройств управления и управляемого объекта.
В условиях производства различают техническую и технологическую системы. В техническую систему входят лишь средства производства или средства
достижения цели. Технологическая система включает человека.
Под элементом системы понимают часть системы, предназначенную для
выполнения определенных функций и неделимую на данном уровне рассмотрения.
В системном анализе под системой понимают множество элементов, способов связи которых определяет ее поведение.
Свойства систем как объектов исследования
У систем как у объектов исследования различают 3 группы свойств:
1. Взаимодействие системы с внешней средой
С внешней средой система взаимодействует через входы и выходы.
2. Внутреннее строение структур системы
3. Общесистемное (интегральное) свойство
Признаки классификации систем
При использовании признаков классификации систем следует иметь в виду,
что аспект исследований (взгляд) может меняться, следовательно, меняется и
класс, к которому система принадлежала.
Для характеристики особенности взаимодействия с внешней средой учитывают:
1) сам факт наличия взаимодействия:
- разомкнутая;
- замкнутая, когда такое взаимодействие отсутствует;
2) функциональное назначение взаимодействия с контурами с внешней
среды (цель функция объекта, контур поддержания работоспособности, контур
энергообеспечения, контур жизнеобеспечения);
3) изученность взаимодействия объекта с внешней средой (степень неопределенности возможных реакций объекта).
Для характеристики особенностей внутреннего строения используются признаки:
1. устойчивость системы
2. наличие и степень участия оператора в целевом или вспомогательном
контурах
Системы, в которых участвует из контуров человек, называются эргатическими системами.
3. наличие в структуре системы лиц при принятии решения. Учитывается
их подчиненность, централизация (антагонистичность интересов)
Для учета специфики интегральных свойств учитывается:
1. наличие ….. или иных регуляторных свойств: наличие систем стабилизации, контроля, программного управления и т.п.;
2. способность к анализу обстановки: системы с распознаванием, прогнозом надежности и др.;
3. использование механизмов адаптации: система с обучением, с самообучением, гибкими стратегиями, наличие свободы выбора решения;
4. возможность изменения уровня организации: системы с перестраиваемой
структурой, самоорганизующийся и с развивающейся системой.
Система как целое может обладать свойствами, не выводимыми из составляющих ее элементов. Такие свойства называются эмерджентными.
.
.
. . . . .
– не только точка
.
.
Рассмотренные признаки образуют необозримое множество различных
классов систем, т.к. эти признаки достаточно общие.
Число классов систем, изучающихся на практике существенно меньше.
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ
Для выделения планов систем могут использоваться различные классификационные признаки. Основными из них считаются: природа элементов, происхождение, длительность существования, изменчивость свойств, степень сложности,
отношение к среде, реакция на возмущающие воздействия, характер поведения и
степень участия людей в реализации управляющих воздействий.
Классификация систем представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Классификация систем
Классификационный признак
Природа элементов
Происхождение
Длительность существования
Классы
Реальные (физические)
Абстрактные
Естественные
Искусственные
Постоянные
Временные
Изменчивость свойств
Статические
Динамические
Степень сложности
Простые
Сложные
Большие
Отношение к среде
Закрытые
Реакция на возмущающие воздействия Активные
Пассивные
Характер поведения
С управлением
Без управления
Степень связи с внешней средой
Открытые
Изолированные
Закрытые
Открытые равновесные
Открытые диссипативные
Степень участия людей в реализации
Технические
управляющих воздействий
Человеко-машинные
Организационные
По природе элементов системы делятся на реальные и абстрактные. Реальными (физическими) системами являются объекты, состоящие из материальных элементов. Среди них обычно выделяют механические, электрические (электронные), биологические, социальные и другие подклассы систем и их комбинации.
Абстрактные системы составляют элементы, не имеющие прямых аналогов в реальном мире. Они создаются путем мысленного отвлечения от тех или
иных сторон, свойств и (или) связей предметов и образуются в результате творческой деятельности человека. Примером абстрактных систем являются системы
уравнений, идеи, планы, гипотезы, теории и т.п.
В зависимости от происхождения различают естественные и искусственные системы.
Естественные системы, будучи продуктом развития природы, возникли
без вмешательства человека. К ним можно отнести, например, климат, почву, живые организмы, Солнечную Систему и др. появление новой естетсевнной системы
– большая редкость.
Искусственные системы – это результат сознательной деятельности человека, со временем их количество увеличивается.
По длительности существования различают постоянные и временные системы.
К постоянным относятся естественные системы, хотя с точки зрения диалектики все существующие системы – временные.
К постоянным относятся искусственные системы, которые в процессе заданного времени функционирования сохраняют существенные свойства, определяемые предназначением этих систем.
В зависимости от степени изменчивости свойств статические и динамические.
Статическая система – это система с одним состоянием. В отличие от статических, динамические системы имеют множество возможных состояний, которые
могут меняться как непрерывно, так и дискретно.
В зависимости от степени сложности системы бывают простые, сложные
и большие.
Простые системы с достаточной степенью точности могут быть описаны известными математическими соотношениями. Особенность простых систем в практически взаимной независимости от свойств, которая позволяет исследовать каждое свойство в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента
и описать методами традиционных технических дисциплин (электротехника, радиотехника, прикладная механика и др.).
Примерами простых систем могут служить отдельные детали, элементы
электронных систем и т.п.
Сложные системы могут состоять из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, каждый из которых может быть представлен в виде
системы (подсистемы). Сложные системы характеризуются многомерностью
(большим числом составных элементов), многообразием природы элементов, связей, разнородностью структуры.
К сложной можно отнести систему, обладающую, по крайней мере, одним из
ниже перечисленных признаков:
- систему можно разбить на подсистемы и изучить каждую из них отдельно;
- система функционирует в условиях существенной неопределенности и воздействия среды на нее, обуславливает случайный характер изменения ее показателей;
- система осуществляет целенаправленный выбор своего поведения.
Сложные системы обладают свойствами, которыми не обладают ни один из
составляющих элементов. Сложными системами являются живые организмы, в
частности человек, ЭВМ и т.д. Особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств.
Большие системы – это сложные пространственно-распределенные системы,
в которых подсистемы (их составные части) относятся к категориям сложных. Дополнительными особенностями, характеризующими большую систему, являются:
- большие размеры;
- сложная иерархическая структура;
- циркуляция в системе больших информационных, энергетических и материальных потоков;
- высокий уровень неопределенности в описании системы.
Автоматизированные системы управления, системы связи, промышленные
предприятия, отрасли промышленности и т.п. могут служить примером больших
систем.
По степени связи с внешней средой системы бывают изолированные, закрытые и открытые диссипативные.
Изолированные системы не обмениваются со средой энергией и веществом.
Процесса самоорганизации в них невозможны. Энтропия изолированной системы
стремится к своему максимуму.
Закрытые системы не обмениваются с окружающей средой веществом, но
обмениваются энергией. Они способны к фазовым переходам в равновесное упорядоченное состояние. При достаточно низкой температуре в закрытой системе
возникает кристаллический порядок.
Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией и веществом. Изменение энтропии открытой системы ds определяется алгебраической
суммой энтропии, производимой внутри системы dps, и энтропии поступающей
извне или уходящей во внешнюю среду dcs, т.е.
ds = dps + dcs
В состоянии прочного равновесия – стационарном состоянии, ds=0.
Открытые системы в значительной мере характеризуется скоростью производства энтропии в единице объема – функцией диссипации (рассеяния), которая
по определению:
d ps
 dv ,
dt 
где s – функция диссипации;
t – время;
v – объем.
К открытым равновесным относятся также системы, которые при отклонении
от стационарного состояния возвращаются в него экспоненциально без осцилляций. По теории И. Пригожина, для открытых равновесных систем в стационарных
состояниях функция диссипации имеет минимум, т.е. соблюдается принцип экономии энтропии.
Открытые диссипативные системы возникают в результате кооперативных
процессов. Их поведение нелинейно. Механизм образования диссипативной структуры: подсистемы флуктуируют, иногда достигая точки бифуркации, после которой может наступить порядок более высокого уровня. Переходы в состояния динамической упорядоченности, когерентности, автоколебаний и автокаталитических
реакций в результате роста флуктуаций являются своего рода фазовыми переходами. Изолированных и закрытых систем фактически в природе не существует.
Можно проанализировать пример любой из таких систем и убедиться, что нет
экранов сразу от всех форм материи или энергии, что любая система быстрее-
медленнее развивается или стареет. В вечности понятия «быстро» и «медленно»
смысла не имеют, поэтому строго говоря, существуют только открытые диссипативные системы, близкие к равновесию, условно называемые открытыми равновесными системами. Изолированные и закрытые системы – заведомо упрощенные
схемы открытых систем, полезные при приближенном решении частных задач.
В зависимости от реакции на возмущающие воздействия выделяют активные и пассивные системы.
Активные системы способны противостоять среды (противника, конкурента
и т.д.) и сами могут воздействовать на нее. У пассивных систем это свойство отсутствует.
По характеру поведения системы делятся на системы с управлением и без
управления.
Класс систем с управлением образуют системы, в которых реализуется процесс целеполагания и целесуществования.
Примером систем без управления может служить Солнечная система, в которой траектории движения планет определяются законами механики.
В зависимости от степени участия человека в реализации управляющих
воздействий системы подразделяются на технические, человеко-машинные, организационные.
К техническим относятся системы, которые функционируют без участия человека. Как правило, это системы автоматического управления (регулирования),
представляющие собой комплексы устройств для автоматического измерения,
например, координат объекта управления, с целью поддержания желаемого режима
его работы. Такие системы реализуют процесс технологического управления, Они
могут быть как адаптивными, т.е. приспосабливающимися к изменению внешних и
внутренних условий в процессе работы путем изменения своих параметров или
структуры для достижения требуемого качества функционирования, так и адаптивными.
Примерами человеко-машинных (эргодических) систем могут служить автоматизированные системы управления различного назначения. Их особенностью
является то, что человек сопряжен с техническими устройствами, причем окончательное решение принимает человек (ЛПР), а средства автоматизации лишь помогают ему в обосновании правильности этого решения.
К организационным системам относятся социальные системы – группы, коллективы людей, общество в целом.
Другие подходы к классификации
1) В основу других походов к классификации закладывается количество
произвольных функций и параметров, которые определяют поведение систем.
1 класс – системы без управления:
dx / dy = f(x,y,ξ).
ξ (кси) – случайное воздействие на систему.
Для таких систем информативным является поведение систем при некотором
усредненном значении параметра ξ. Модели такого типа имеет широкое распределение в неживой процессе.
2) Модели, которые могут быть использованы для оптимизации некоторых
действий:
dx / dy = f(x,t,u); u = f(x,t).
3) Системы, которые могут использоваться для анализа конкретных ситуаций:
dx / dy = f(x,y,v,w,…).
4) Кибернетический класс систем. С такими системами приходится сталкиваться в условиях неопределенности. В реальных системах подобного типа не существует звена или элемента, где бы концентрировалась вся информация о систем.
Управление системой осуществляется оперативной информацией в момент принятия решений об управлении.
Рассмотрим примеры некоторых классов систем, встречающихся на практике.
1 класс – целенаправленная система.
Большой класс систем, в рамках которых обычно исследуется стратегия
применения применяемого изделия.
Часто эти многоцелевые организационно-технические системы называют
большими системами. В них моделируются, кроме процесса производства изделия,
процесс эксплуатации, контроля и восстановления, управления функционированием и т.д.
Наиболее эффективной разновидностью моделирования является имитационное моделирование;
2 класс – система обслуживания и ремонта изделия.
Целью создания таких систем является поддержание на должном уровне потребительских свойств изделия путем реализации стратегий технического обслуживания и ремонта.
Такие системы часто создаются для обслуживания нескольких видов техники. Для оценки качества работы таких систем часто используют характеристики затрат времени, занимаемого ремонтом и обслуживанием.
При этом учитывается все время: время ожидания очереди на обслуживание, учета действия приоритетов и т.д.
3 класс – система контроля.
Этот широкий класс включает:
- систему производственного контроля (контроль в процессе производства
изделия);
- систему контроля и диагностики, используемой при подготовке изделий
к применению;
- систему оперативного контроля и управления ф-ция конкретным объектом.
Все перечисленные 3 класса системы контроля является сложными автоматизированными системами с участием средств вычислительной техники и операторов.
Система, в состав которой входит человек, называется эргатической.
4 класс – система обеспечения процесса создания изделия.
- система обеспечения надежности и управления качеством продукции;
- автоматизированная система управления производством (АСУП).
Целью таких систем является обеспечение и поддержание на заданном
уровне качества процесса создания продукции.
Динамические системы
Понятие динамической системы возникает тогда, когда появляется необходимость исследовать то, как система развивается во времени.
Семейство функций перехода состояний должно быть согласовано с семейством реакций динамической системы.
Системы типа “черный ящик” и кибернетические системы
См. литературные источники 5*, 9*, 11, 21*, 24*.
ПОНЯТИЕ О КИБЕРНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Кибернетика – наука о управлении, передачи и хранении информации.
Система становится кибернетической, когда она находится под управлением
нескольких субъектов.
dx / dy = f(x,y,u,v,w,…).
Важной особенностью кибернетической системы является то, что она не содержит элемента, в которых бы концентрировалась вся объективная информация о
системе. Например, любое из управлений на определенном интервале времени могут стать доминирующим.
В настоящее время изучается много различных типов систем:
- системы с иерархической структурой, где существует определенное
неравноправие, когда более низкие управления подчиняются высоким..
Система с иерархической структурой весьма распространена в природе и во
многих случаях они обладают высокой устойчивостью.
Понятие о нелинейных и нестационарных системах
В общем случае систему можно отнести к линейной, если изменение входных воздействий вызывает пропорциональные изменения реакций на выходе.
С математической точки зрения, линейная система описывается линейными
дифференциальными уравнениями:
dx / dt = f (x, t, v, u…),
где dx / dt – скорость изменения системного параметра;
t – время;
u, v – управляющие функции, находящиеся в распоряжении тех или иных
субъектов управления.
В качестве системного параметра х может выступать производительность,
уровень брака, экономические параметры (уровень затрат на поддержание производства продукции).
Для нелинейных систем пропорциональности между водными воздействиями и реакциями не существует. Более того, в нелинейных системах возможны различные эффекты, не вытекающие из общей логики функционирования
систем. К таким эффектам можно отнести внезапное, быстрое, скачкообразное изменение систем.
Y
x (t)
Y
y (t)
ТО
Система
∆Y
экспоненциального типа
∆Y
X
∆X ∆X
нелинейных
X
Пример нелинейных систем с насыщением:
Y
В точке k наступает насыщение, т.е.,
несмотря на рост входного воздействия x, реакция на выходе Y не изменяется.
0
Xk
X
Нестационарная система – система, реакции которой кроме входных воздействий зависят ещё и от времени.
Если влияние времени несущественно на протяжении эксплуатации системы, то такие системы относят к стационарным. Однако, в большом числе случаев
влиянием времени пренебрегать нельзя. С нестационарными системами связаны
процессы старения полимеров.
Для выделения планов систем могут использоваться различные классификационные признаки. Основными из них считаются: природа элементов, происхождение, длительность существования, изменчивость свойств, степень сложности,
отношение к среде, реакция на возмущающие воздействия, характер поведения и
степень участия людей в реализации управляющих воздействий.
Классификация систем представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Классификация систем
Классификационный признак
Природа элементов
Классы
Реальные (физические)
Абстрактные
Происхождение
Естественные
Искусственные
Длительность существования
Постоянные
Временные
Изменчивость свойств
Статические
Динамические
Степень сложности
Простые
Сложные
Большие
Отношение к среде
Закрытые
Реакция на возмущающие воздействия Активные
Пассивные
Характер поведения
С управлением
Без управления
Степень связи с внешней средой
Открытые
Изолированные
Закрытые
Открытые равновесные
Открытые диссипативные
Степень участия людей в реализации
Технические
управляющих воздействий
Человеко-машинные
Организационные
По природе элементов системы делятся на реальные и абстрактные. Реальными (физическими) системами являются объекты, состоящие из материальных элементов. Среди них обычно выделяют механические, электрические (элек-
тронные), биологические, социальные и другие подклассы систем и их комбинации.
Абстрактные системы составляют элементы, не имеющие прямых аналогов в реальном мире. Они создаются путем мысленного отвлечения от тех или
иных сторон, свойств и (или) связей предметов и образуются в результате творческой деятельности человека. Примером абстрактных систем являются системы
уравнений, идеи, планы, гипотезы, теории и т.п.
В зависимости от происхождения различают естественные и искусственные системы.
Естественные системы, будучи продуктом развития природы, возникли
без вмешательства человека. К ним можно отнести, например, климат, почву, живые организмы, Солнечную Систему и др. появление новой естетсевнной системы
– большая редкость.
Искусственные системы – это результат сознательной деятельности человека, со временем их количество увеличивается.
По длительности существования различают постоянные и временные системы.
К постоянным относятся естественные системы, хотя с точки зрения диалектики все существующие системы – временные.
К постоянным относятся искусственные системы, которые в процессе заданного времени функционирования сохраняют существенные свойства, определяемые предназначением этих систем.
В зависимости от степени изменчивости свойств статические и динамические.
Статическая система – это система с одним состоянием. В отличие от статических, динамические системы имеют множество возможных состояний, которые
могут меняться как непрерывно, так и дискретно.
В зависимости от степени сложности системы бывают простые, сложные
и большие.
Простые системы с достаточной степенью точности могут быть описаны известными математическими соотношениями. Особенность простых систем в практически взаимной независимости от свойств, которая позволяет исследовать каждое свойство в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента
и описать методами традиционных технических дисциплин (электротехника, радиотехника, прикладная механика и др.).
Примерами простых систем могут служить отдельные детали, элементы
электронных систем и т.п.
Сложные системы могут состоять из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, каждый из которых может быть представлен в виде
системы (подсистемы). Сложные системы характеризуются многомерностью
(большим числом составных элементов), многообразием природы элементов, связей, разнородностью структуры.
К сложной можно отнести систему, обладающую, по крайней мере, одним из
ниже перечисленных признаков:
- систему можно разбить на подсистемы и изучить каждую из них отдельно;
- система функционирует в условиях существенной неопределенности и воздействия среды на нее, обуславливает случайный характер изменения ее показателей;
- система осуществляет целенаправленный выбор своего поведения.
Сложные системы обладают свойствами, которыми не обладают ни один из
составляющих элементов. Сложными системами являются живые организмы, в
частности человек, ЭВМ и т.д. Особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств.
Большие системы – это сложные пространственно-распределенные системы,
в которых подсистемы (их составные части) относятся к категориям сложных. Дополнительными особенностями, характеризующими большую систему, являются:
- большие размеры;
- сложная иерархическая структура;
- циркуляция в системе больших информационных, энергетических и материальных потоков;
- высокий уровень неопределенности в описании системы.
Автоматизированные системы управления, системы связи, промышленные
предприятия, отрасли промышленности и т.п. могут служить примером больших
систем.
По степени связи с внешней средой системы бывают изолированные, закрытые и открытые диссипативные.
Изолированные системы не обмениваются со средой энергией и веществом.
Процесса самоорганизации в них невозможны. Энтропия изолированной системы
стремится к своему максимуму.
Закрытые системы не обмениваются с окружающей средой веществом, но
обмениваются энергией. Они способны к фазовым переходам в равновесное упорядоченное состояние. При достаточно низкой температуре в закрытой системе
возникает кристаллический порядок.
Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией и веществом. Изменение энтропии открытой системы ds определяется алгебраической
суммой энтропии, производимой внутри системы dps, и энтропии поступающей
извне или уходящей во внешнюю среду dcs, т.е.
ds = dps + dcs
В состоянии прочного равновесия – стационарном состоянии, ds=0.
Открытые системы в значительной мере характеризуется скоростью производства энтропии в единице объема – функцией диссипации (рассеяния), которая
по определению:
d ps
где s – функция диссипации;
t – время;
v – объем.
dt
  dv ,
К открытым равновесным относятся также системы, которые при отклонении
от стационарного состояния возвращаются в него экспоненциально без осцилляций. По теории И. Пригожина, для открытых равновесных систем в стационарных
состояниях функция диссипации имеет минимум, т.е. соблюдается принцип экономии энтропии.
Открытые диссипативные системы возникают в результате кооперативных
процессов. Их поведение нелинейно. Механизм образования диссипативной структуры: подсистемы флуктуируют, иногда достигая точки бифуркации, после которой может наступить порядок более высокого уровня. Переходы в состояния динамической упорядоченности, когерентности, автоколебаний и автокаталитических
реакций в результате роста флуктуаций являются своего рода фазовыми переходами. Изолированных и закрытых систем фактически в природе не существует.
Можно проанализировать пример любой из таких систем и убедиться, что нет
экранов сразу от всех форм материи или энергии, что любая система быстреемедленнее развивается или стареет. В вечности понятия «быстро» и «медленно»
смысла не имеют, поэтому строго говоря, существуют только открытые диссипативные системы, близкие к равновесию, условно называемые открытыми равновесными системами. Изолированные и закрытые системы – заведомо упрощенные
схемы открытых систем, полезные при приближенном решении частных задач.
В зависимости от реакции на возмущающие воздействия выделяют активные и пассивные системы.
Активные системы способны противостоять среды (противника, конкурента
и т.д.) и сами могут воздействовать на нее. У пассивных систем это свойство отсутствует.
По характеру поведения системы делятся на системы с управлением и без
управления.
Класс систем с управлением образуют системы, в которых реализуется процесс целеполагания и целесуществования.
Примером систем без управления может служить Солнечная система, в которой траектории движения планет определяются законами механики.
В зависимости от степени участия человека в реализации управляющих
воздействий системы подразделяются на технические, человеко-машинные, организационные.
К техническим относятся системы, которые функционируют без участия человека. Как правило, это системы автоматического управления (регулирования),
представляющие собой комплексы устройств для автоматического измерения,
например, координат объекта управления, с целью поддержания желаемого режима
его работы. Такие системы реализуют процесс технологического управления, Они
могут быть как адаптивными, т.е. приспосабливающимися к изменению внешних и
внутренних условий в процессе работы путем изменения своих параметров или
структуры для достижения требуемого качества функционирования, так и адаптивными.
Примерами человеко-машинных (эргодических) систем могут служить автоматизированные системы управления различного назначения. Их особенностью
является то, что человек сопряжен с техническими устройствами, причем окончательное решение принимает человек (ЛПР), а средства автоматизации лишь помогают ему в обосновании правильности этого решения.
К организационным системам относятся социальные системы – группы, коллективы людей, общество в целом.
1. Понятие системы, примеры.
Решение вопроса о специфических признаках системного подхода, в отличие от
любого другого типа научного анализа, в значительной степени предопределяется тем,
что следует понимать под системой.
Система (греч. - «составленное из частей», «соединение», от «соединяю, составляю») - объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений,
а также знаний о природе и обществе.
Под элементом системы понимают часть системы, предназначенную для выполнения определенных функций и неделимую на составные части при данном уровне рассмотрения.
Как и всякое фундаментальное понятие, этот термин лучше всего конкретизируется
в процессе рассмотрения его основных свойств. Таких свойств можно выделить четыре.
1. Система есть прежде всего совокупность элементов. При определенных условиях элементы могут рассматриваться как системы.
2. Наличие существенных связей между элементами системы и (или) их свойствами, превосходящих по мощности (силе) связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему. Под существенными связями понимаются такие, которые закономерно, с необходимостью определяют интегральные свойства системы. Указанное свой-
ство системы отличает систему от простого конгломерата и выделяет ее из окружающей
среды в виде целостного объекта.
3. Наличие определенной организации, что определяется в снижении термодинамической энтропии (степени неопределенности) системы по сравнению с энтропией системоформирующих факторов, определяющих возможность создания системы. К
этим факторам относится число элементов системы, число существующих связей, которыми может обладать элемент, число квантов пространства и времени.
4. Существование интегративных свойств т. е. присущих системе в целом, но не
свойственных ни одному из ее элементов в отдельности. Их наличие показывает, что
свойства системы хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью. Вывод: система не сводится к простой совокупности элементов, и, расчленяя систему на отдельные части, нельзя познать все свойства системы в целом.
Таким образом, в самом общем случае понятие «система» характеризуется:
- наличием множества элементов;
- наличием связей между ними;
- целостным характером данного устройства или процесса.
Термин «система» имеет широкий диапазон значений. В науке и технике система
- множество элементов, понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность. Так, можно говорить о системе сигналов линии связи, системе допусков. В теории управления под системой понимают совокупность взаимодействующих устройств управления и управляемого объекта. В этом смысле система является некоторой абстрактно выделяемой частью техники, изделия, народного хозяйства,
природы, удобной для изучения, исследования. Примерами систем являются: система телевещания, система обслуживания и ремонта бытовой радиоаппаратуры. И хотя можно
говорить о создании, разработке, изготовлении технической системы, термином "техническая система" подчеркивается, что образец техники (техническое средство) рассматривается как средство удовлетворения потребности (средство производства, средство достижения некоторой цели). Когда говорят, что завод изготовил и поставил систему
управления некоторого изделия, например, прокатного стана, то имеют в виду, что поставлена аппаратура (устройство управления), которая без управляемого объекта системой управления в строгом смысле не является.
Техническая система - множество элементов, находящихся в отношениях и связях
друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. Это определение
не является ни единственным, не общепризнанным.
Наиболее характерные черты технической системы:
- наличие определенной целостности, функционального единства (общей цели,
назначения), что приводит к сложному иерархическому строению системы;
- большие масштабы по типу частей, объему выполняемых функций;
- сложность поведения;
- высокая степень автоматизации;
- нерегулярное, статистически распределяемое во времени поступление внешних
воздействий;
- наличие в целом ряде случаев состязательного момента, т. е. такого функционирования технологической системы, при котором надо учитывать конкуренцию отдельных
частей;
- наличие
связей
(положительных,
отрицательных,
одноплановых,
мно-
гоплановых);
- многоаспектность (техническая, экономическая, социальная, психологическая).
От своих предшественников, орудий труда и технических устройств техническая
система отличается так же, как реактивный самолет от телеги. Причем не только количественно, но и качественно - иным, более высоким уровнем организации, функционирования и управления.
Задолго до появления термина «система» системные объекты существовали в
природе (биологические системы, экосистемы, космические системы). Они развивались
независимо от нас, от системного подхода, спонтанно (в силу внутренних причин). Многих самоорганизующихся систем мы не знаем и сейчас, помалу открывая их. В основе
развития природных систем лежат системообразующие законы структурного и функционального порядка (законы тяготения, механики).
л
В технике мы имеем дело с комплексами. Это навязываемое субъектом понятие.
Это конгломерат (механическое соединение разнородного, беспорядочная смесь), который мы пытаемся как-то организовать извне, от человека, от субъекта, самоорганизуемые
в лучшем случае.
Итак, в природе - самоорганизующиеся системы, в технике - самоорганизуемые
комплексы.
В природе импульсы организации имманентны (внутренне присущи) системам, а
в технике - идут от человека, требует организации и управления. Эти импульсы от человека должны быть соотнесены с природой объекта.
Но как только компоненты мы назвали сложной системой, так сразу же применительно к ним мы должны использовать методы, адекватные их природе, т. е. системные,
выявить законы (или хотя бы связи) их структуры функционирования и развития.
Когда мы говорим о системе, то прежде всего подчеркиваем целостный характер
материального объекта или процесса.
Принципы системного анализа
Принцип — это закон явлений, найденный из наблюдений. Поэтому его истинность связана только с фактом, а не с какими-либо домыслами. Из принципов путем логико-математического рассуждения получают в применении к
конкретным техническим системам (ТС) бесчисленные следствия, охватывающие всю область явления и составляющие безукоризненную теорию..
Сначала системный анализ базировался главным образом на применении
сложных математических приемов. Спустя некоторое время ученые пришли к
выводу, что математика неэффективна при анализе широких проблем со множеством неопределенностей, которые характерны для исследования и разработки
техники как единого целого. Об этом говорят многие ведущие специалистысистемщики. Поэтому стала вырабатываться концепция такого системного анализа, в котором делается упор преимущественно на разработку новых принципов научного мышления, логического анализа сложных объектов с учетом их
взаимосвязей и противоречивых тенденций. При таком подходе на первый план
выдвигаются уже не математические методы, а сама логика системного анализа,
упорядочение процедуры принятия решений. И видимо, не случайно, что в последнее время под системным подходом зачастую понимается некоторая совокупность системных принципов.
Какие же основные принципы системного анализа могут лечь в основу теории оценки ТС?
Анализ научно-технической литературы показывает, что на современном этапе НТР системные принципы, к большому сожалению, далеко не систематизированы и полностью не раскрыты, являются неразработанными и развитыми до
вида, удобного для практического применения.
Принцип оптимальности – один из необходимых принципов системного
анализа . Известно, что характерной чертой развития является выбор наиболее
подходящего варианта ТС. В живой природе подобное совершается в виде
естественного отбора, хотя имеет место и искусственный отбор, например в
деятельности селекционеров. В развитии ТС мы также должны иметь дело с
отбором. В ходе технического освоения научных достижений важно выбирать
такие творческие решения, которые являются лучшими по комплексу показателей для заданных условий.
Развитие системного анализа позволило внести в принцип оптимальности новое содержание. Задача заключается не в том, чтобы найти решение лучше существующего, а в том, чтобы найти самое лучшее решение из всех возможных. Однако, если раньше оптимизация была связана в основном только с анализом, то в настоящее время она невозможна при требовании своей полноты без
использования методов синтеза.
Принцип эмерджентности, являющийся дальнейшим развитием оптимальности. Этот сравнительно новый и малоизвестный принцип системного анализа
выражает следующее важное свойство системы: чем больше система и чем
больше различие в размерах между частью и целым, тем выше вероятность того, что свойства целого могут сильно отличаться от свойств частей. Данный
принцип подчеркивает возможность несовпадения локальных оптимумов целей
отдельных частей с глобальным оптимумом цели системы. Поэтому он указывает
на необходимость в целях достижения глобальных результатов принимать решения и вести разработки по совершенствованию систем не только на основе данных анализа, но и их синтеза.
Принцип системности предполагает подход к новой технике как к комплексному объекту, представленному совокупностью взаимосвязанных частных элементов (функций), реализация которых обеспечивает достижение нужного эффекта, в минимальные сроки и при минимальных трудовых, финансовых и материальных затратах, с минимальным ущербом окружающей среды...
Он предполагает исследование объекта, с одной стороны, как единого целого,
а с другой стороны, как части более крупной системы, в которой анализируемый объект находится с остальными системами в определенных отношениях.
Таким образом, принцип системности охватывает все стороны объекта и предмета в пространстве и во времени.
Принцип иерархии [иерархия от гр. священная власть — порядок подчинения
составных нижестоящих элементов и свойств вышестоящим по строго опреде-
ленным ступеням (иерархическая лестница) и переход от низшего уровня к
высшему] есть тип структурных отношений в сложных многоуровневых системах, характеризуемых упорядоченностью, организованностью взаимодействий
между отдельными уровнями по вертикали. Необходимость иерархического построения сложных систем обусловлена тем, что управление в них связано с переработкой и использованием больших массивов информации, причем на нижележащих уровнях используется более детальная и конкретная информация,
охватывающая лишь отдельные аспекты функционирования системы, а на более
высокие уровни поступает обобщенная информация, характеризующая условия
функционирования всей системы, и принимаются решения относительно системы в целом.
Принцип интеграции (интеграция — от лат. целостность, объединение в целое каких-либо частей или свойств, восстановление) направлен на изучение интегративных свойств и закономерностей. Интегративные свойства появляются в
результате совмещения элементов до целого, совмещения функций во времени и
в пространстве. Синергетический эффект — эффект совмещения действий.
Принцип формализации (формальный — относящийся к форме, в противоположность сущности, т. е. несущественный) нацелен на получение количественных
и комплексных характеристик.
Эти классические принципы системного анализа постоянно развиваются, причем в разных направлениях.
Материалы к курсу лекций
по дисциплине “Системный анализ”
Термин “система” имеет широкий диапазон значений. В науке и технике система - множество элементов, понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую
целостность. Так, можно говорить о системе сигналов линии связи, системе допусков. В теории
управления под системой понимают совокупность взаимодействующих устройств управления и
управляемого объекта. В этом смысле система является некоторой абстрактно выделяемой частью техники, изделия, народного хозяйства, природы, удобной для изучения, исследования.
Примерами систем являются: система телевещания, система обслуживания и ремонта бытовой
радиоаппаратуры. и хотя можно говорить о создании, разработке, изготовлении технической системы, термином “техническая система” подчеркивается, что образец техники (техническое
средство) рассматривается как средство удовлетворения потребности (средство производства,
средство достижения некоторой цели). Когда говорят, что завод изготовил и поставил систему
управления некоторого изделия, например, прокатного стана, то имеют в виду, что поставлена
аппаратура (устройство управления), которая без управляемого объекта системой управления в
строгом смысле не является.
Под элементом системы понимают часть системы, предназначенную для выполнения
определенных функций и неделимую на составные части при данном уровне рассмотрения.
Двойственность рассмотрения одних и тех же образцов техники в качестве составных
частей (сборочных единиц) некоторых изделий и одновременно в качестве элементов некоторых
систем объясняется тем, что в процессе создания техническое средство выступает как предмет
производства, а в процессе применения - как средство удовлетворения (средство производства).
Система как объект моделирования
Опыт создания и применения современной техники показывает, что неопределенность
потребительских свойств нового изделия, их неустойчивость не являются единственной трудностью при обосновании проектных решений, особенно принимаемых на ранних стадиях создания
изделий. Принципиальное значение на этих стадиях имеет нечетное значение будущих потребностей, неизвестное взаимное влияние процессов применения различных изделий, процессов
обеспечения их энергоресурсами, обслуживанием, ремонтом и т. п.
Таким образом, приобретает самостоятельное значение исследование различных механизмов, действующих в сфере потребления (применение будущих изделий), с учетом прогноза
их потребительских, эксплуатационных свойств, условий эксплуатации и других характеристик.
Эти исследования проводят с использованием разнообразных методов математического моделирования. Содержательные задачи математического моделирования связаны, как правило, с описанием процессов обмена информации в контурах управления (регулирования) с учетом обратной связи. При этом из сферы потребления (применения изделий) выделяют объект исследования
как некоторую систему, изучаемую на основе ее математической модели. Результаты моделирования учитывают при прогнозировании потребностей, выборе стратегии применения и обеспечения эксплуатации изделий.
Необходимость учета большого числа различных факторов и явлений, большой степени
неопределенности условий применения, сложности применяемых изделий и структуры их взаимодействия, наличия в некоторых случаях конфликтных ситуаций обусловливают введение понятия “большая система”. Решение такого рода задач потребовало разработки и использования
методологии системного анализа.
В системном анализе под системой понимают множество любых элементов, способ связи которых определяет ее поведение. Таким образом, существенным для исследования становится вопрос зависимости интегральных (системных) свойств от структуры системы и логики ее
функционирования. Основным методом такого исследования становится моделирование, причем
всегда речь идет лишь о той или иной степени приближения модели к реальным изучаемым явлениям. Принципиальное значение при моделировании имеют вопросы, как выбрать соответствующий уровень общности выделяемой системы, учесть все существенные факторы и параметры, построить адекватную постановке задачи модель и на ней определить допустимые множества управляемых переменных, в том числе характеристики стратегий применения техники и
необходимые (целесообразные) уровни потребительских свойств вновь создаваемых изделий.
Свойства объектов исследования
У систем, как объектов исследования, различают три группы свойств, каждую из которых используют в самостоятельном аспекте исследования:
*
взаимодействие с внешней средой (“входы”, “выходы”);
*
внутреннее строение (“структура”);
*
общесистемные, интегральные свойства (“поведение”).
Свойства первой группы характеризуют все виды взаимодействий системы с внешней
средой, так называемые контуры обмена. В первую очередь представляет интерес целевой контур, характеризующий процесс удовлетворения потребности (выходной эффект, получаемый от
системы). Для систем, в рамках которых исследуется процесс (стратегии) применения создаваемых изделий, природа и величина выходного эффекта определяются потребительскими свойствами изделий. Таким образом, исследуется обмен: вход - поставляемые изделия и средства на
их эксплуатацию (применение), выход - удовлетворение потребности в получении (добывании),
передаче или хранении вещества, энергии или информации. Для систем, участвующих в обеспечении процесса создания изделий, полезный эффект заключается в обеспечении необходимого
уровня или характеристик устойчивости потребительских свойств создаваемого (эксплуатированного) изделия (например, для системы экспериментальной отработки), а также в обеспечении
нахождения изделия в заданном классе состояний (например, для системы производственного
контроля, системы обслуживания и ремонта). Входом являются затраты времени, средств, запасных частей и т. д. Для замкнутых по целевому контуру систем регулирования “входом - выходом” является сигнал рассогласования, который минимизируется в том или ином смысле в процессе регулирования.
Кроме целевого контура, при исследовании могут учитываться контуры других обменов системы со средой: входы - природно-климатические воздействия, помехи, противодействие,
нарушения работоспособности элементов; выходы - побочное влияние системы на внешнюю
среду, потери энергии, вещества и т. д. Часто в одном контуре работоспособности удается исследовать влияние на систему внешней Среды и отказов элементов, а также результаты контроля,
обслуживания и ремонтно-восстановительных работ, которые по существу являются выходами
целевого контура другой системы, обеспечивающей эксплуатацию и применение изделий. Для
правильного учета взаимовлияния ее иногда приходится рассматривать как подсистему основной
системы.
Свойства второй группы должны характеризовать внутреннее строение системы, ее
структуру, т. е. то, что определяет логику ее функционирования, позволяет формально описать,
смоделировать функционирование системы и на основе этого изучать, прогнозировать как интегральные свойства (поведение), так и значения конкретных выходов системы в конкретные моменты времени. Каждая система наделена определенной структурой, под которой обычно понимают совокупность элементов и множество устойчивых связей между ними. Как правило, систему можно разделить на относительно обособленные в функциональном отношении части, которые называют подсистемами или составными частями системы. Детализация рассмотрения зависит от цели исследования. В простейшем случае описывается целевой контур управления (регулирования), характеризующий процесс достижения цели (удовлетворения потребности). Формализуется модель основного обмена: расход изделия - полученный выходной эффект. При этом
бывает достаточно знать потребительские свойства применяемых изделий и стратегию их применения без подробного рассмотрения других внутренних свойств самих изделий. В более сложных случаях приходится моделировать и контуры контроля, обслуживания, ремонта, учитывать
иерархию контуров, наличие в структуре систему органов (лиц) для принятия решений и т. п.
Свойства третьей группы характеризуют интегральные качества (поведение) системы,
которые в общем случае (для сложных систем) могут не выражаться через свойства входящих в
систему элементов (эмерджентные свойства). В первую очередь, это свойства, характеризующие
потребительскую ценность системы (А-качество). Их часто называют выходным эффектом, конечным эффектом, способностью системы решать поставленную задачу, или просто способностью системы. А-качество определяется целевым контуром (обменом) и является исходным при
введении понятия эффективности. Эффективность обычно трактуют как выгодность целевого
обмена либо как близость результата обмена к предельно выходному. Расход ресурсов на достижение цели (удовлетворение потребности) возрастает из-за несовершенства изделий (низкого
энергетического или технологического КПД) или несовершенства стратегии их применения
(низкого информационного КПД). Последний и характеризует уровень организации структуры
системы, возможности системы сохранять и использовать потребительские свойства изделий в
условиях индетерминированного окружения и внутренних возмущений. Для этого рассматрива-
ют специальные качества системы, характеризующие ее поведение. Наиболее сложным (высокоразвитым) из них является самоорганизация (В-качество). Этим качеством обладают системы
большой сложности, способные самопроизвольно изменять свой внутренний порядок, организованность, структуру, параметры, ориентацию поведения с целью повышения способности в
сложной изменяющейся обстановке. Самоорганизующая система обнаруживает ряд способностей (и соответствующих уровней развития), принципиально важными из которых являются:
способность к распознаванию ситуаций, адаптации, самообучению, наличие свободы выбора решений и т. п.
Следующим качеством системы является управляемость (С-качество), под которым понимают способность системы подчиняться управляющим воздействиям. Управляемость обеспечивается, прежде всего, наличием обратной связи. Кроме того, управляемость может характеризоваться гибкостью управления, его оперативностью, точностью и рядом других свойств, а для
сложных систем - способностью выработки решений на основе которых формируются управляющие воздействия.
Первичным качеством любой
системы является ее
устойчивость
(Ркачество).устойчивость может объединять различные свойства: прочность, стойкость к воздействию внешних факторов, защищенность, стабильность, надежность, живучесть и т. д. Иногда
выделяют информационную устойчивость (I-качество) или помехоустойчивость как самостоятельную (иногда как более сложную) группу свойств.
Для изделий, как объектов создания и экспериментального исследования, также можно
выделить три группы характеристик:
*
условия эксплуатации;
*
конструкционные или технологические, эксплуатационные параметры;
*
потребительские свойства изделий, их устойчивость.
Первая группа свойств характеризует состав и уровни эксплуатационных воздействий
на создаваемое изделие, их изменчивость и изученность. В некоторых случаях, например, при
выборе защиты аппаратуры, определяющими становятся не абсолютные значения величин воздействий, а их соотношения с несущими способностями аппаратуры или средств защиты. Далее,
для средств пассивной и постоянной защиты определяющими могут быть: среднее значение,
максимально допустимое значение нагрузки, а скорость изменения фактора может не оказывать
влияния на решение задачи. При использовании более гибких активных средств защиты существенное значение приобретает динамическая изменчивость факторов. В процессе создания изделия изученность воздействующих факторов возрастает в результате экспериментальных исследований: проверки взаимного влияния элементов, эффективности средств защиты, уточнения
технологических воздействий на элементы при изготовлении, технологическом контроле. При
опытной эксплуатации уточняют характеристики внешних воздействий.
Вторая группа содержит собственные свойства (параметры) изделия, приобретаемые
благодаря реализации конкретной конструкции, материалов, готовых элементов, технологии изготовления, стратегии эксплуатации, в том числе режимов обслуживания, контроля, ремонта.
Эти свойства характеризуют сложность изделия, степень его преемственности, новизны, технологичности и надежности элементов, изученность характеристик материалов и готовых
элементов, выбранные запасы и избыточность, контроле- и ремонтопригодность. Именно эта
группа свойств формируется в результате проектирования, т. е. в результате принятия основных
решений по выбору конструкции, технологии и режимов эксплуатации. Целью этих решений является придание изделию необходимых потребительских свойств и их устойчивости, т. е. достижение характеристик третьей группы.
Решения, принимаемые при проектировании изделия, в результате их дальнейшей реализации также обеспечивают обмен: затрачиваем - сырье, труд, энергию, получаем - потенциальную способность изделия удовлетворять ту или иную потребность в процессе применения.
Выгодность этого обмена определяется свойствами созданного изделия и свойствами процесса
его создания применения, т.е. характеристиками систем, обеспечивающих его разработку, отработку, изготовление, контроль, функционирование и т. д.
Именно эти группы свойств используют при классификации объектов исследования.
Эффективность и надежность
Понятие эффективности относят обычно к операции, под которой понимают любую согласованную совокупность действий, объединенных общим замыслом и единой целью. Техническая система в операции выступает в качестве активного средства достижения цели, и в этом
случае понятие эффективности операции отождествляют с понятием эффективности технической
системы. Степень соответствия реального результата операции требуемому называют эффективностью операции. Способ использования активных средств в операции, а, следовательно, и
ее эффективность определяются качеством технической системы, условиями и способами ее
применения по целевому назначению.
В практике исследования эффективности обычно выделяют проблему оценки эффективности и проблему выбора рационального способа действий (выбора стратегий). Оценка эффективности предполагает формулировку цели (требуемого результата). операции, выбор и
обоснование показателя эффективности, количественно выражающего (измеряющего) степень
соответствия реального результата операции требуемому, вычисление значения выбранного показателя для заданных условий стратегии.
Проблема выбора стратегии (рационального поведения) предполагает, кроме перечисленных выше этапов, установление ведущего принципа поведения и форматирование на его основе критерия эффективности, т. е. решающего правила, позволяющего сопоставлять стратегии и
осуществлять направленный выбор стратегий из множества допустимых.
Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его применения состоит из сочетания свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Для конкретных изделий и условий их эксплуатации эти свойства имеют различную
относительную значимость. Например, надежность некоторых неремонтируемых элементов сводится в основном к их безотказности и долговечности, а для ремонтируемых элементов особенно
важной может оказаться их ремонтопригодность.
Свойства безотказности и долговечности характерны только для области понятий
надежности, а свойства сохраняемости и ремонтопригодности пересекаются с областью понятий
надежности, имея, кроме того, и самостоятельное значение.
Количественно надежность оценивают соответствующими показателями, номенклатуру
которых выбирают с учетом особенностей изделия, режимов, условий его эксплуатации и последствий отказов.
Определение понятий: безотказность, долговечность, предельное состояние, ремонтопригодность, сохраняемость см. в гл. 4.
Для систем создания, эксплуатации, обслуживания техники основной целью является
достижение необходимых потребительских свойств создаваемых и эксплуатированных изделий,
обеспечение и поддержание их надежности. Следовательно, качество изделий, их надежность
могут быть использованы для измерения выходного эффекта таких систем и для формирования
показателя их эффективности.
Признаки классификации систем
При использовании признаков классификации систем следует иметь в виду, что аспект
исследований, связанных с обоснованием решений на разных стадиях создания техники, может
меняться и, соответственно, меняться класс объекта системного исследования (моделирования).
Для характеристики особенностей взаимодействия системы с внешней средой учитывают:
сам факт наличия взаимодействия (разомкнутые системы) или отсутствия его (замкнутые системы);
*
число функциональное назначение контуров взаимодействия с внешней средой (целевой
контур, контур поддержания работоспособности, контур энергообеспечения, контур жизнеобеспечения и т. п.);
*
изученность (степень неопределенности) взаимодействий (для детерминированных - точность или диапазон возможных значений; для случайных - диапазон, вид распределения, параметры распределения; для преднамеренных - диапазон или правило выбора возможных значений).
Для характеристики особенностей внутреннего строения (структуры) систем будем использовать следующие признаки:
*
устойчивость структуры (системы с постоянной или переменной структурой);
*
наличие и степень участия оператора в целевом или вспомогательном контурах (системы
ручного управления, автоматизированные и автоматические; при наличии оператора хотя бы в
одном контуре - эргатические системы);
*
наличие в структуре системы лиц (коллективных органов) принятия решения, их подчиненность, централизация (системы: организационные, иерархические, многосвязные, децентрализованные, с антагонистическими интересами, с неантагонистическими интересами и т.д. ).
Для учета специфики общесистемных, интегральных свойств (поведение) систем будем
учитывать:
*
наличие тех или иных регуляторных свойств (системы стабилизации, слежения, упреждения, программного управления и т. п.);
*
способность к анализу обстановки (системы с распознаванием ситуаций, с оценкой работоспособности, с прогнозом надежности и т. д.);
*
использование адаптации (системы с обучением, самообучением, гибкими стратегиями,
наличием свободы выбора решений);
*
возможность изменения уровня организации (системы с перестраиваемой структурой, самоорганизующиеся, развивающиеся системы).
Специфические системные качества или эмерджентные свойства системы позволяют
обеспечивать высокий информационный КПД даже в условиях большой степени неопределенности внешней среды, уровня потребностей, наличия конфликтных ситуаций, применения уникальных изделий. Одна из задач системного исследования состоит в том, чтобы оценить начальный и ожидаемый уровни неопределенности условий применения создаваемого изделия и выбрать соответствующий уровень организации процесса создания и процесса применения изделий, т. е. обеспечить достаточную эффективность систем, участвующих в создании и применении изделия.
Рассмотренные выше признаки образуют признаки образуют необозримое множество
различных классов систем. Число различных классов систем, изучаемых рассматриваемых на
практике. существенно меньше. С одной стороны, это определяется тем, что из рассмотрения
изъяты многочисленные замкнутые автоматические системы управления, модели которых используют при описании процессов функционирования создаваемых изделий, в том числе системы управления движением, телемеханики, жизнеобеспечения и т. п. Такие модели иногда используют при исследовании влияния отказов элементов на качество функционирования контура
управления и на выходной эффект применяемого изделия. Относительно многочисленных замкнутых эргатических систем управления в девятом томе рассмотрены вопросы учета надежности оператора при исследовании надежности системы в целом. С другой стороны. развитие методов системного анализа применительно к разомкнутым организационным, иерархическим системам, реализующим достаточно сложное поведение, находится на таком уровне, что аналити-
ческие решения, учитывающие специфику отдельных классов, найдены только в простейших
случаях. Ниже приведены примеры некоторых классов систем, рассматриваемых в справочнике.
Целенаправленные системы
Это большой класс систем, в рамках которых обычно исследуются процесс (стратегия)
применения создаваемого изделия. Часто это многоцелевые организационно-технические системы с иерархической структурой, сложным поведением, называемые большими системами. В общем случае, кроме целевых контуров, описывающих процесс применения изделий, моделируются контуры обеспечения эксплуатации: дежурства, обслуживания, контроля и восстановления,
управления функционированием. На ранних стадиях создания при выборе оптимального ряда и
облика создаваемого изделия используют упрощенные модели, заменяя моделирование вспомогательных контуров их интегральными характеристиками, полученными при работе с аналогичными изделиями. При анализе наиболее полных многоконтурных моделей используют имитационное моделирование; его методология развита применительно к особенностям транспортных,
энергетических систем, систем наблюдения и т. п. Исследованию эффективности больших систем посвящен третий том справочника.
Системы обслуживания и ремонта изделий
Целью создания таких систем является поддержание на должном уровне потребительских свойств изделий путем реализации той или иной стратегии обслуживания и ремонтов. Часто
удается этот аспект эксплуатации изделий исследовать автономно с тем, чтобы использовать полученные интегральные характеристики при дальнейшем комплексном исследовании. Тем более,
что такие системы часто создаются для обслуживания нескольких видов техники. Для оценки
качества работы систем обслуживания часто используют характеристики затрат времени, занимаемого ремонтом и обслуживанием, с учетом ожидания очереди, различных приоритетов и т. п.
Специфика исследования таких систем, в том числе с использованием моделей массового обслуживания, рассмотрена в восьмом томе справочника.
Системы контроля
Широкий класс этих систем включает:
*
системы производственного контроля;
*
системы контроля и диагностики, используемые при подготовке изделий к применению;
*
системы оперативного контроля и управления функционированием и др.
Это могут быть многоконтурные автоматизированные системы, включающие в контуры операторов ЦВМ. Полезный эффект от использования систем может определяться и уменьшением брака готовой продукции (для производственного контроля), и сокращением времени
подготовки изделия к работе, и повышением эффективности целевого контура (для систем оперативного контроля и управления функционированием). Многочисленные примеры исследования подобных систем приведены в пятом, шестом и седьмом томах.
Системы обеспечения процесса создания изделий
К числу таких систем можно отнести систему обеспечения надежности и управления
качеством продукции, автоматизированную систему управления производством и т. п. Целью
таких систем является обеспечение или поддержание на заданном уровне качества процесса создания видов техники в соответствии с нормами, обоснованными и установленными для данного
вида техники. Такие системы, действующие в той или иной отрасли, определяют условия создания и общий уровень создаваемого вида техники. Именно для этих условий реализуется тот или
иной (характерный для отрасли или группы отраслей) вид обмена затраты - надежность для из-
делий определенной сложности. Это позволяет решать задачу обоснования рациональных требований по надежности изделий на ранних стадиях создания одновременно с выбором оптимального ряда изделий с учетом массовости производства и применения.
Терминология. Общие понятия и эффективность
Адаптация - способность системы проявлять целенаправленное приспосабливающееся
поведение в сложных средах (условиях), а также сам процесс такого приспособления.
Выходные (эндогенные) переменные (переменные состояния) - переменные, возникающие в системе или в результате воздействия внутренних причин.
Входные (экзогенные) переменные - переменные, которые порождаются вне системы
или являются результатом внешних причин.
Гомеостаз - свойство системы сохранять в процессе взаимодействия со средой значения существенных переменных в некоторых заданных пределах.
Декомпозиция - расчленение основной задачи на несколько взаимосвязанных подзадач, соответствующих элементам системы, решение их независимо друг от друга и последующая
координация оптимальных решений с использованием итерационного метода.
Декомпозиция систем - расчленение иерархии и организации системы на взаимосвязанные составные части (подсистемы, элементы), исследование их независимо друг от друга и
последующая координация локальных решений.
Дифференциальный выходной эффект - выходной эффект, характеризующий результаты решения системой (объектом, изделием) поставленных задач в определенный момент
времени или на определенном интервале времени, значительно меньшем общего времени функционирования.
Живучесть - способность системы сохранять свойства, необходимые для выполнения
требуемых функций при наличии воздействий, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации.
Задача принятия решений - процедура принятия решений, состоящая из следующих
этапов:
*
предварительный анализ проблемы и определение альтернативы действий;
*
структурный анализ - качественная структуризация проблемы и установление лицом,
принимающим решение, по каким частям проблемы уже можно принять решение и что требует
дополнительного анализа или затрат на получение дополнительной информации;
*
анализ - неопределенности - установление определенных значений вероятности принятия
правильных решений по тем вопросам, которые не находятся под полным контролем лица, принимающего решение;
*
анализ полезности или ценности - установление численных значений полезности последствий, связанных с реализацией того или иного решения;
*
процедура оптимизации - максимизация ожидаемой полезности и выбор стратегий поведения.
Имитационное моделирование - человеко-машинный итерационный метод, используемый при поиске оптимальных решений в условиях неопределенности.
Инвариант - количественная характеристика системы, ее свойство как целостности.
Свойства ее элементов либо отношения между элементами называются инвариантами некоторого преобразования системы или Среды, если они сохраняются неизменными при этом преобразовании.
Интегральный выходной эффект - выходной эффект, характеризующий общий результат решения системой (объектом, изделием) поставленных задач в течение всего времени
функционирования.
Информационная модель - набор специально подобранных переменных с их конкретными значениями, характеризующих управляемый объект и поступающих к оператору, выполняющему функцию управления.
Информация - в кибернетике, общей теории систем - сведения, знания наблюдателя о
системе и среде ее функционирования.
Отличают три аспекта информации:
прагматическиий - с точки зрения достижения своих целей;
семантический - с точки зрения смыслового содержания;
синтаксический - с точки зрения способа, техники передачи информации.
Исследование операций - научное направление, связанное с разработкой методов анализа целенаправленных действий (операций) и объективной (в частности, количественной) сравнительной оценкой решений (организационного управления).
Кибернетика - наука об общих законах управления в природе, обществе, живых организмах и машинах. Кибернетика принимает сложность и общность взаимосвязей процессов и явлений как неотъемлемую черту исследуемых объектов.
Кибернетическая система - система, в отношении которой принято допущение об относительной изолированности в информационном отношении и абсолютной проницаемости в
материально-техническом отношении. Кибернетическим системам присущи: множественность
поведения, управляемость, наличие управляющего устройства, способность взаимодействовать с
окружающей средой как непосредственно, так и через управляющее устройство, наличие каналов
информации как связей в каналах информации; целенаправленное поведение системы, вероятностный характер поведения системы; свойства равновесия и самоорганизации.
Неопределенность - понятие, отражающее отсутствие однозначности. Неопределенность обусловлена внутренними свойствами объектов и неполнотой сведений об объектах.
Различают неопределенность:
*
стохастическую;
*
детерминированную.
Неопределенные факторы - часть неконтролируемых факторов, для которых известна
только область распределения фактора или неопределен закон распределения случайного фактора.
Общая теория систем - научная дисциплина, разрабатывающая методологические
принципы исследования систем.
Возникновение общей теории систем обусловлено возросшей сложностью объектов исследования и познавательными трудностями при их изучении. Общая теория систем обеспечивает единую формально-методологическую основу исследования объектов различной природы,
рассматриваемых в качестве систем. Она не заменяет, а дополняет другие науки, изучающие системы, и объединяет их при исследовании (анализе и синтезе) сложных систем.
Системный подход к исследованию включает себя:
*
замену исследуемой системы моделью или рядом агрегированных моделей;
*
определение и формулировку совокупности правил (алгоритмов), определяющих поведение системы;
*
применение принципа внешнего дополнения.
Объект (технический объект) - предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый на этапах разработки требований к объекту. проектирования, испытаний, производства и эксплуатации. Объектами, в частности. могут быть технические комплексы, образцы.
составные части, сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы, агрегаты, отдельные детали.
К техническим объектам относятся не любые промышленные изделия, а только такие,
каждый экземпляр которых в процессе эксплуатации (применение по назначению) не подверга-
ется постепенному расходованию. У данным изделий с течением времени обычно расходуется
технический ресурс.
К объектам относятся также совокупности (комплексы, системы) изделий при совместном выполнении ими определенных функций или задач, даже если при этом изделия не связаны
между собой конструктивно (например, линии радиосвязи, системы энергетики и др.).
Оптимальное решение - решение, минимизирующее или максимизирующее некоторый показатель при заданной системе ограничений.
Параметр продукции - признак продукции, количественно характеризующий любые
ее свойства или состояния.
Показатель - количественная характеристика какого-либо свойства системы или целенаправленного процесса, являющаяся результатом измерения или расчета.
Система - упорядоченная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое функциональное целое, предназначенное для решения определенных задач (достижение определенных целей).
Система сложная - многоуровневая конструкция из взаимодействующих элементов,
объединяемых в подсистемы различных уровней. Отнесение того или другого объекта материального мира к разряду “сложных” или “простых” весьма условно и определяется не только его
строением, но и теми задачами, которые стоят перед исследованием. Сложной системе присущи
разнообразие управления (подсистем управления), отвечающее разнообразию структуры, и наличие центрального органа управления.
Эффективное управление сложными системами требует применения формализованных
процедур, а также использования принципа внешнего дополнения.
Системный анализ - методология исследования любых объектов посредством представления их в качестве систем и анализа этих систем. Системный анализ применяется для:
*
выявления и четкого формулирования проблемы в условиях большой неопределенности;
*
выбора стратегии исследования и разработок;
*
точного определения систем (границ, входов, выходов, связей), выявления целей развития
и функционирования системы;
*
выявления функций и состава вновь создаваемой системы.
С развитием общей тории систем методы системного анализа быстро развиваются на
основе соответствующего комплекса понятий и научной методологии. Теоретикопознавательный подход в исследовании систем содействует четкому определению классов объектов, к которым целесообразно применять методологию системного анализа, и дает основание
для выработки единых принципов формализации разнообразных объектов и явлений. Анализ
функции и схемы системы способствует четкой спецификации целей, функций, задач систем, а
также средств их реализации. Понятие большой системы и установление правил композиции и
декомпозиции их в общей теории систем обосновывают способы подхода к ненаблюдаемым или
не полностью наблюдаемым системам, способствуют формированию правил их научного исследования и проектирования. Понятие сложной системы раскрывает способы подхода к многоцелевым, многоаспектным, диалектически противоречивым объектам и явлениям. Понятие кибернетической системы и выявление ее закономерности служат для обоснования методологии и
анализа систем управление и переработку информации.
Стратегия - любое правило, предписывающее определение действия в каждой ситуации процесса принятия решений. Формально стратегия - это функция от имеющейся в данный
момент информации, принимающая значения на множестве альтернатив, доступных в данный
момент.
Технологическая система - совокупность функционально взаимосвязанных средств
технологического оснащения, предметов производства и исполнителей, предназначенная для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов
или операций в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
Формализация - описание, содержательной теории формальными средствами (с помощью математики и формальной логики).
Черный ящик - материальная система (объект, процесс, явление), относительно внутренней организации, структуры и поведения элементов которой наблюдатель не имеет никаких
сведений, но имеется способ влиять на систему в целом через ее входы и регистрировать ее реакции через выходы. В процессе исследования наблюдатель и “черный ящик” образуют замкнутую
систему с обратной связью.
Эвристические методы - методы решения задач, построенные на использовании правил, приемов, упрощений, обобщающих прошлый опыт. Эвристические рассуждения и методы
строятся по преимуществу на использовании аналоги и неполной индукции.
Элемент системы - часть системы, предназначенная для выполнения определенных
функций и неделимая на составные части при данном уровне рассмотрения.
Эмерджентность - наличие у системы свойств, не присущих составляющим ее элементам. Эмерджентность является одной из форм проявления диалектического принципа перехода
количественных изменений в качественные. При синтезе системы как органического целого ее
части претерпевают качественные изменения, так что некоторый элемент целостной системы не
тождественен аналогичному объекту, взятому изолированно.