Текст книги "Исследование систем управления"

Если гомеостаз должен строго охраняться, то должны существовать и специальные механизмы поддержания гомеостаза. У одноклеточных организмов в силу ограниченных возможностей их строения такие механизмы не могут быть достаточно эффективными. Чтобы обеспечить постоянство внутренней среды и тем самым сделать организм в определенной степени независимым от внешней среды, должны были возникнуть какие-то приспособления и механизмы, должна была возникнуть специализация органов тела. Но как ни специализированы функции у высших организмов, они обладают свойствами, присущими всем живым существам – от бактерий до человека.

Какие свойства отличают живую систему от неживой? Способность живых систем к размножению, к приспособлению – адаптации, регулированию потока энергии. Чтобы эти свойства проявлялись в организме, нужна определенная структурная организация. В каждом сложном организме существует энергетический, адаптационный и репродуктивный гомеостат, то есть специализированные системы, регулирующие эти основные свойства организма. Главный регулятор этих трех функций у высших организмов – гипоталамус. Он гибрид нервной и эндокринной системы. Гипоталамус – типичная нервная ткань, состоящая из нейронов, которые посредством многочисленных волокон связаны со всеми отделами нервной системы. Поэтому все, что знает нервная система о внешнем и о внутреннем мире организма она передает в гипоталамус. В гипоталамусе и прилегающих к нему отделах мозга находятся центр сна и центр, контролирующий эмоции, центры аппетита, теплопродукции и теплорегуляции. С другой стороны, гипоталамус – типичная эндокринная железа, выделяющая гормоны, которые определяют деятельность гипофиза, железы – регуляторы многих отделов эндокринной системы. В частности гипоталамус через гипофиз регулирует рост тела, деятельность щитовидной железы, надпочечников, функцию молочной железы. Кроме того, гипоталамус направляет свои гормоны и в отдаленные области тела, где эти гормоны самостоятельно выполняют регуляторную роль. Итак, гипоталамус осуществляет взаимосвязь между внешним и внутренним миром организма. Гипоталамус работает как любое устройство по поддержанию стабильности в такого рода системах, как, например, термостат. В таких системах регуляция строится по правилам кибернетики. Стабильность в любой саморегулирующейся системе поддерживается благодаря механизму отрицательной обратной связи. Например, когда в крови снижается концентрация рабочего гормона, то снижается и тормозящее влияние, которое оказывает этот гормон на свой регулятор – гипоталамус. Поэтому гипоталамус начинает посылать к соответствующей эндокринной железе свой гормон – стимулятор, который усиливает ее деятельность. Но вот концентрация рабочего гормона возрастает до нормы, и он теперь снижает, тормозит активность гипоталамуса. В результате меньше вырабатывается гипоталамического гормона – стимулятора, это значит, что активность рабочей эндокринной железы падает. Торможение гипоталамуса прекратится лишь тогда, когда снова уменьшится в крови уровень рабочего гормона. Так поддерживается равновесие: и недостаток рабочего гормона, так же как и избыток его, устраняется.

В последние годы проблему гомеостаза стали рассматривать с позиций кибернетики. Начало этому положил ее основоположник Н.Винер. Стремлением решить проблему гомеостаза с тех же позиций является попытка английского исследователя У.Р.Эшби. Эшби обобщил понятие гомеостазиса в кибернетическом аспекте и смоделировал искусственное саморегулирующее устройство, названное им «гомеостатом». Ниже на рисунке 3 изображены связи и взаимодействия между элементами гомеостата Эшби. Здесь, при внешнем возмущении одного элемента, система реагирует всеми элементами, стремясь восстановить равновесие. Это соответствует действию приспособляющейся системы. Вообще говоря, гомеостазис повышает устойчивость системы. Однако он связан с высокой степенью ее целостности.

Рисунок 3– Связи и взаимодействия между элементами гомеостата Эшби

Поэтому, когда возмущение одного элемента переходит допустимые границы и не преодолеваются совместным действием, оно распространяется и на другие элементы. Нетрудно заметить некоторую аналогию с гомеостатическим регулированием и в развитой экономической системе, в которой вырабатывается иерархия критериев и с их помощью устанавливаются рамки саморегулирования взаимодействующих экономических единиц. В экономике вся совокупность информационных связей – по вертикали уровней системы и по горизонтали между элементами данного уровня участвует в формировании иерархии критериев и взаимодействует в самом процессе регулирования. Здесь проявляется типичная для гомеостазиса многосторонняя связь между саморегулирующими подсистемами, обеспечивающая взаимное сопряжение их деятельности и выживание системы в целом. Разумеется, количество и роль таких связей увеличиваются с ростом целостности системы. Итак, гомеостазис является процессом, удерживающим или возвращающим систему в состояние устойчивости. Его механизм основан на взаимодействии элементов системы друг с другом и со средой и предполагает известное саморегулирование этих элементов. Поскольку внешние условия не остаются постоянными, процесс гомеостазиса возобновляется. Характерным примером гомеостатического регулирования в экономике может служить рыночный механизм. И не только. Гомеостазис предполагает лишь согласованность между взаимодействием экономических единиц и их саморегулированием в процессе приспособления экономической системы к изменяющимся условиям. Конкретные формы этого взаимодействия и саморегулирования, их сочетание и соответствующие информационные механизмы определяются типом экономической системы. Такое регулирование позволяет видоизменить постановку проблемы оптимальности поведения системы. Поскольку гомеостазис обеспечивает выживание системы, удерживая ее переменные в допустимых границах, этот процесс не требует в явном виде задавать экстремизируемую целевую функцию системы. Гомеостатическое взаимодействие элементов по определению должно привести систему в состояние равновесия. Надо отметить, что аналогия между экономическим и биологическим гомеостазисом весьма ограничена. Во-первых, поведение экономической системы является статистическим, оно не может быть однозначно определено, и конкретные линии этого поведения в той или иной степени носят характер тенденций. Во-вторых, в экономическом гомеостазисе взаимодействуют люди, и их сознание и волю нельзя свести к нулю. Более того, экономические цели и интересы людей в той или иной степени являются гетерогенными. Поэтому важную роль в изучении механизма экономического гомеостазиса играет анализ взаимодействия этих интересов.

Суммарная устойчивость комплекса по отношению к данной его среде есть, очевидно, сложный результат частичных устойчивостей разных частей этого комплекса. Анализ такой простой системы, как цепь, состоящая из звеньев неодинаковой прочности, приводит к выводу, что структурная устойчивость целого определяется наименьшей его частичной устойчивостью. Эта схема относится не только к механическим системам, но решительно ко всяким, в том числе и социальным. Поскольку система обыкновенно подвергается неравным и неравномерным воздействиям в разных своих частях, вводится понятие об относительном сопротивлении. Если изменяется величина внешних воздействий или структурное состояние самой системы, то достаточно, чтобы в какой бы то ни было ее части, на какой бы то ни было краткий промежуток времени, установилось относительное сопротивление ниже единицы, и разрушительный процесс произойдет. Так, заснувший на минуту богатырь может быть убит ничтожным карликом. Поэтому в обобщенной тектологической формулировке Богданова закон минимума гласит: устойчивость целого зависит от наименьших относительных сопротивлений всех его частей во всякий момент. Богданов называет его «законом наименьших».

Несколько слов о его жизни. С 1912 г. и до конца своей жизни А.Богданов разрабатывал основы науки, изложенные им в книге «Всеобщая организационная наука». Чуждая в своей универсальности преобладающему в то время типу научного мышления, идея общей теории организации мало кем была воспринята достаточно полно. Почему идея А.Богданова была чужда преобладающему в то время типу научного мышления? Насколько верно понимание Тектологии А.Богданова как субъективно-идеалистического философского махистского толка, получившее свое развитие в советский период? Эрнест Мах – австрийский физик. Его научные интересы – проблемы механики, физиологической акустики и оптики, газовой динамики. Именно в его честь названо числом Маха отношение скорости тела к скорости звука. Его идеалистические философские взгляды В.Ленин подверг уничтожающей критике в труде «Материализм и эмпириокритицизм». Суть взглядов Э. Маха заключалась в отрицании физических понятий, которые не доказаны непосредственно опытом. Так, Э.Мах предлагал физикам отказаться от таких представлений, как атом, электроны, молекулы и заменить их нейтральными элементами опыта – показателями приборов. Развитие науки жестоко наказало Маха. Французский физик Ж.Перрен доказывает реальное существование молекул. Но Э.Мах нашел в себе силы (будучи уже на склоне лет) признать свою неправоту и отказаться от своих взглядов. Это – драма ученого. Ученый не может ошибаться? Тектология А.Богданова не есть философия, о чем он многократно повторял. Разве можно создать философскую концепцию того времени, не решая ее основных проблем: первичность бытия или мышления, о природе познания, о критериях истины и т.д.? В Тектологии А.Богданов этого не затрагивает.

В Тектологии Богданова А. мы имеем смелую попытку систематической разработки общей теории структур и общего учения об организационных типах и закономерностях систем. Богданов А. использует для построения Тектологии материал самых различных наук, в первую очередь наук естественных. Богданов А.А. (18731928 гг.) – директор первого в мире института переливания крови. Богданов считал возможным проводить наиболее рискованные опыты по обменному переливанию крови только на самом себе. Последний двенадцатый эксперимент – донором был молодой студент, у обоих, и у донора, и у реципиента, развился тяжелый гемолиз (разрушение красных кровяных телец), причины которого так и остались неясными. А.А.Богданов распорядился немедленно спасать донора, а оказывать помощь себе запретил, чтобы подробнее изучить неожиданное и непонятное осложнение. Он велел строго вести дневник своего заболевания. Студента спасли, а сам А.А.Богданов погиб 7 апреля 1928 г.

Для исследования систем управления важно знать исчерпывающую характеристику системы. Различают пять типов системных представлений: микроскопическое, функциональное, макроскопическое, иерархическое и процессуальное. Микроскопическое представление системы основано на интуитивном понимании ее как множества наблюдаемых и неделимых величин (элементов). Часто система интерпретируется как множество наблюдаемых и измеряемых величин. Такая интерпретация основана на том, что система как предмет исследования выделяется из объекта. Затем из объекта выделяются интересующие исследователя величины, которые и представляют систему. Центральным для микроскопического представления системы является понятие элемента, которое используется в науке как символ неделимости. Конечно, в общем виде элемент лишь относительно неделим, однако для данной системы он является абсолютно неделимым. В принципе абсолютно неделимых элементов нет, однако в каждом конкретном случае проектирования системы элемент принимается не делимым. Структура системы фиксирует выбранных элементов и их связи. Под функциональным представлением системы понимается совокупность действий (функций), которые необходимо выполнять для реализации целей функционирования системы. Это представление также основано на понятии элемента. Элементы имеют свойства, которые могут быть разделены на свойства первого порядка и свойства второго порядка. Свойства первого порядка – это те свойства, ради которых данный элемент включается в систему для выполнения общей цели, стоящей перед всеми ее элементами. Свойства второго порядка – это те нежелательные свойства, которые привносит с собой элемент в систему (например, свойством второго порядка для усилителя являются нелинейные искажения усиливаемого сигнала, для транзистора – низкая надежность, для электронных ламп – чувствительность к перегрузкам и т.д.). Макроскопическое представление системы – это понимание системы как целого. Здесь центральным является понятие системного окружения. У.Р.Эшби и И. Клир берут содержание этого понятия из биологических представлений отношения: «организм – среда». Так, у У.Р.Эшби окружающая среда системы – это те переменные, которые изменяются в результате поведения организма. Понятие «системное окружение» имеет принципиальное значение для определения системы, так как реальная система не может существовать вне системного окружения (среды), а окружающаяся среда представляет собой ту систему, в рамках которой выбраны интересующие нас объекты. Следовательно, система может быть представлена множеством внешних связей со средой. Иерархическое представление системы: в этом плане система понимается как иерархическая упорядоченность. Иерархическое представление системы основано на понятии подсистемы, или единицы, которое следует отличать от понятия «элемент». Следовательно, система может быть представлена в виде совокупности единиц, составляющих системную иерархию. Система, если она не предельная единица, не может быть разложена на элементы. Единица обладает функциональной спецификой целого (системы). Процессуальное представление системы предполагает ее понимание как последовательности состояний во времени. Основным понятием здесь является понятие периода жизни – временной интервал, в течение которого данная система существует. Период жизни Т разбивается на ряд состояний S_to, S_t1 …S_tn. Например, изменение теоретических представлений о происхождении Земли можно представить как определенный процесс. В этом процессе могут быть выделены три состояния: геоцентрическое представление (Птоломей), представление Тихо де Браге и гелиоцентрическая система мира Коперника. Анализируя состояние системы в данный момент, а также ее прошлые события, можно выделить инварианты в структуре и организации системы, на основе которых можно предсказать ее будущее состояние. Любая система характеризуется некоторой, хотя бы даже очень слабо выраженной структурой. Систему можно рассматривать как множество подсистем. Любая система, которая может быть расчленена на субсистемы, имеет тем самым структуру. Структура системы остается инвариантной до тех пор, пока остаются неизменными отношения между подсистемами. Так, структура научного института может не измениться с изменением числа сотрудников. Однако она изменится, если изменится число лабораторий. Она может измениться даже при постоянном числе лабораторий, если изменится характер взаимоотношений между ними (слабо развитая лаборатория может занять ведущее место и изменить его научный профиль). Или другой пример: даже небольшая рана меняет структуру организма на клеточном уровне, но не изменяет его структуру на органном уровне.

Под классификацией (лат. classis разряд + facere делать – распределять предметы, явления, понятия по классам) понимается такой способ расчленения изучаемой совокупности систем (объектов, явления) на части, классы по некоторым, наиболее существенным признакам, при котором выделяются различные типы и формы явлений, и который рассматривается как общепринятый или установленный методологический стандарт. Иными словами это распределение предметов, явлений и понятий по классам, отделам, разрядам в зависимости от общих признаков. Существуют общие логические требования, которым должна отвечать любая классификация:

1) на каждом этапе классификации должно сохраняться одно определенное основание деления – классификационного признака;

2) классификация должна быть исчерпывающей, т.е. объединение подмножеств (логическая сумма) должно составить делимое множество;

3) классификация должна быть исключающей, т.е. обеспечивать непересечение подмножества.

Выделяют следующие классификации систем.88
  Майминас Е.З. Процессы планирования в экономике. М., изд. «Экономика», 1971. С. 30-31.


[Закрыть]

1) По идентификации элементов системы классификация делит системы на замкнутые и незамкнутые (открытые). Замкнутая система – это предельное понятие, так как в реальном мире встречаются лишь различные приближения к ней. Вполне может быть замкнутой абстрактная модель, что дает возможность исследовать свойства таких систем. Типичной открытой системой является система, подобная реке, огню, организму, экосистеме или человеческому обществу. Открытая система не только находится в постоянном взаимодействии со средой, но само существование ее не может продолжаться без всякого взаимодействия.

2) Классификация по величине системы позволяет делить систему на небольшие и большие.

3) Классификация по неоднородности связей делит системы на простые и сложные (характерным признаком системы является наличие разветвленной структуры и большего числа внешних и внутренних связей).

4) Классификация по уровням иерархии систем делит системы на суперсистемы и подсистемы. Каждая данная система может быть разделена на подсистемы, а каждая подсистема на подсистемы более «низкого» уровня. Элементом данной системы будет такая подсистема, в которой не рассматриваются подсистемы «низшего» уровня, это – относительный предел разбиения системы в каждом отдельном случае выделения и анализа. На подсистемы может быть разбита как простая, так и сложная система. Для простой системы такое разбиение произвольно и вызвано удобством наблюдения, нежеланием или невозможностью непосредственно описать все элементы и связи. Здесь можно распространить полученный результат на остальные подсистемы, вводя в необходимых случаях коэффициент подобия.

5) Классификация по полноте описания систем делит системы на полностью описываемые и не полностью описываемые. Достаточно сложная система не может быть описана исчерпывающим образом.

6) Классификация по характеру протекающих процессов: детерминированные (все элементы системы взаимодействуют заранее предвиденным образом) и вероятностные (для них нельзя сделать точного детального предсказания поведения системы).

7) Классификация по содержанию процессов: вещественные, информационные.

Статистические системы характеризуются неизменностью (их параметры не зависят от времени). В реальной жизни такие системы практически не существуют. Динамические системы связаны с функцией времени.

Классификация систем, разумеется, может быть осуществлена по нескольким признакам. Всегда имеется некоторая относительность подхода к изучаемым системам. Вряд ли это следует рассматривать как органическую слабость подхода к изучаемым системам. На наш взгляд, эта относительность подхода органически связана с тем, что изучение больших систем преследует определенную цель и порою это бывает связано с комплексом ограничений, который вытекает из преследуемой цели. Именно эта цель определяет, какое членение системы на подсистемы имеет значение. Более того, само рассмотрение сложной системы определяет возможные границы упрощения ее расчленения. Можно построить классификацию в исследовании систем управления на предпочтении состояния системы в пространстве и времени. Рассмотрим систему с точки зрения возможных их зарождений. Различают естественные и искусственные системы. Естественные системы – это природные. Сюда относятся: галактика, солнечная система, планеты, материки, биологические системы (в том числе человек). Искусственные системы (антропогенные) обязаны своим происхождением труду человека. Искусственные системы могут быть представлены двумя подклассами – физические, социально-экономические. Физические системы – в качестве элементов здесь выступают неживые составляющие – машины, оборудование, транспортные средства. Социально-экономические системы – выступают объединением в организации людей и машин при выполнении определенных функций для достижения поставленных целей. Эти системы называют еще биофизическими или социотехническими. Социально-экономические системы – это государство, народное хозяйство любой страны, территориальные и городские образования, организации по производству продукции и оказанию услуг и мн.др. Системы обладают определенными закономерностями, обладающие свойствами взаимозаменяемости. Это целостность, неаддитивность, эмерджентность, синергизм, обособленность, совместимость, адаптивность, отражающие поведение систем во времени и пространстве. Целостность характеризуется рядом свойств и особенностей. Это общая цель, дифференциация (расчленение целого на части), интеграция (объединение совокупности подчиненных элементов в единое образование), симметрия и асимметрия (отражают степень соразмерности в пространственных и временных связях). Неаддитивность – во-первых, это несводимость свойств системы к сумме составляющих ее элементов и невыводимость свойств целостной системы из свойств ее элементов. Во-вторых, функционирование системы нельзя свести к функционированию отдельных ее элементов. Совокупное функционирование элементов порождает новые функциональные свойства целого, не сводящиеся к сумме свойств его элементов. При объединении частей в целое возникает нечто качественно новое, такое, чего не было и не могло быть без этого объединения.99
  Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М., изд. «Высшая школа», 1989. С.291.


[Закрыть] Система обладает новыми свойствами, которых нет у ее элементов. Внезапное порождение этих свойств называется эмерджентностью. Emergence английский термин означает возникновение из ничего, неожиданную случайность. Однако ничего мистического при объединении элементов в систему нет: новые свойства порождаются благодаря конкретным связям между конкретными элементами.1010
  Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М., изд. «Высшая школа», 1989. С.292.


[Закрыть] Синергизм – это однонаправленность действий, происходящих в определенной системе, что ведет к повышению конечного эффекта. Слово синергизм [гр. synergeia] – содружественное (совместное) действие двух или нескольких органов (мышц) в одном и том же направлении. Это слово применимо к любой системе. Так, однонаправленность деятельности людей, объединенных единой целью и решением одних и тех же задач, способствует повышению эффективности конечного результата. Обособленность – закономерность систем или подсистем, выражающаяся в некоторой изолированности их от взаимодействия с другими системами, что проявляется за счет принятия решений, касающихся только определенной системы, не предусматривающей интересы более высоких систем. Совместимость – выступает как взаимосвязанность элементов (и подсистем) одной системы с элементами других систем. Кроме того, система должна быть совместима с системами более высокого порядка. Адаптивность – это закономерность, обусловленная с приспособлением системы к изменяющимся внешним и внутренним параметрам ее существования. Знание закономерностей классификации систем позволяет исследователю заранее предсказать форму их поведения при изменениях в окружающей среде и соответственно принимать эффективные решения для процесса регулирования будущих событий.

Исследователь выделил систему. Далее он переходит к ее изучению. Важнейшими аспектами исследования системы является определение ее структурных и функциональных характеристик. Если взять производственный объект здесь структурой обычно называют способ распределения и взаимосвязи ресурсов (людей, средств и методов) для достижения цели или осуществления функции системы. Для больших систем характерны разветвленность структуры и многообразие, неоднородность элементов и связей, их называют сложными системами. Не только увеличивается число связей, каждая связь становится не только более интенсивной, но и специализированной. Большая система характеризуется числом ее элементов и особенно связей, к примеру, Великая Китайская стена. Или развитие народного хозяйства вызывает переход от однородных натуральных хозяйств к специализированному производству. Сложную систему правомерно трактовать как совокупность относительно обособленных взаимосвязанных подсистем, для каждой из которых можно определить цель функционирования, подчиненная общей цели системы. Системы могут быть более связанными и менее связанными и, следовательно, менее расчлененными и более расчлененными. Системы могут быть гомогенные (гр. homogenes однородный) и гетерогенные (гетеро…+ гр. genos род, происхождение, неоднородный, состоящий из различных по своему составу частей, например физическая система, состоящая из нескольких разнородных веществ или веществ в разных состояниях, например, пар, жидкость). Гетерогенные системы – солнечная система, атом, любые механизмы, организмы, клетки, экосистема и пр. В любой гомогенной системе мы найдем элементы гетерогенности и наоборот. Одна и та же система может рассматриваться в одних отношениях как гомогенная, а в других – как гетерогенная. Все зависит от задач исследователя. Условием существования любой системы является определенная степень ее устойчивости к тем возмущающим воздействиям, которым она постепенно подвергается. Несмотря на то, что система может переходить из одного состояния в другое, она сохраняет некоторые характерные свойства, делающие ее данной системой. Более того, если система и претерпевает последовательные изменения, некоторые ее свойства сохраняются неизменными. Во всех случаях, когда есть хоть какие-нибудь реальные различия в устойчивости разных элементов системы по отношению к внешним воздействиям, общая устойчивость системы определяется наименьшей ее частичной устойчивостью в каждый данный момент.