Способы описания систем

Различные описания системы отображают определенные группы их свойств и позволяют выявить упорядоченность, структурность и функциональную организованность системы.

Всякая система или объект, прежде всего, интересны своим назначением, местом, которое они занимают среди других систем и объектов в окружающем мире, своей функцией. Поэтому для характеристики системы, прежде всего, должно быть получено функциональное описание, которое позволяет оценить назначение системы, ее отношение к другим системам, ее контакты с окружающим миром, направления возможных изменений функции.

Функциональное описание связывает внешние воздействия на систему с ее реакцией, ответом, поведением, воздействием на элементы системы. Оно может задаваться некоторым оператором в алгебраической, логической, дифференциальной, интегрально-дифференциальной форме, входящим в скалярное, векторное или матричное уравнение. Оператор составляется на основании измерения внешних характеристик или на основании знания строения системы. Представление о строении системы дает ее морфологическое описание, позволяющее выделить основные элементы, связи, определить тип структуры.

Эти два вида описания системы дополняются третьим — информационным описанием, позволяющим судить об уровне ее организации (дезорганизации), предсказать вероятность реакции системы на то или иное воздействие. Также характеристика информационных потоков, циркулирующих в системе в афферентных (осведомительных) и эфферентных (управляющих) цепях, и данные об алгоритмах взаимодействия элементов.

Четвертый вид описания системы связан с характеристикой процессов зарождения системы и эволюцией ее развития в историческом плане — это генетико-прогностическое описание.

Рассмотрим эти описания системы Функциональное описание исходит из целевых функций (одной или нескольких) систем. Среди этих функций можно выделить следующие наиболее простые:

• ? пассивное существование в качестве материала для других систем;
• ? обслуживание систем более высокого порядка;
• ? противостояние другим системам и среде (выживание);
• ? поглощение или подавление других систем среды,
• ? преобразование других систем и среды и т. д.

Для систем более высокого порядка формулировка единой целевой функции представляет сложную неоднозначную задачу.

Функция системы выполняется, если ее характеристические параметры изменяются в определенных пределах, вне которых система разрушается или существенно меняет свои свойства и функцию. Последовательность действий при выполнении системой некоторой функции отражает содержание закона поведения, которое зависит от процессов, протекающих внутри системы. Так как выполнение функции системы зависит от качества выполнения функций ее элементами, то функциональное описание следует представлять в виде иерархической структуры.

Функциональное описание всей системы вбирает в себя описание внешних функций, процессов и характеристических параметров, которые определяют законы внешнего функционирования и эффективность выполнения функций. Законы внутреннего функционирования системы являются законами внешнего функционирования для подсистем первого уровня и зависят от функций подсистем первого уровня, процессов, протекающих внутри системы и параметров подсистем. Показатели качества выполнения функций первого уровня оказывают влияние на эффективность всей системы. Законы функционирования подсистем второго уровня являются законами внутреннего функционирования для подсистем первого уровня и т. д. Таким образом, по мере продвижения в глубь системы функциональное описание включает все новые, уровни организации и новые морфологические структуры. Воздействия внешней среды могут проявляться на любом уровне функционального описания и косвенно вызывать изменения эффективности всей системы.

Морфологическое описание позволяет судить о составе элементов, связях и структуре, системы. Расчленение системы на элементы является одним из первых шагов при построении морфологического описания. При этом имеют значение только те свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами системы. Для представления об основных свойствах структуры морфологическое описание может быть дано на нескольких уровнях, т. е. морфологическое описание также иерархично. При этом на разных уровнях могут использоваться принципиально другие способы описания. Например, для организма такие уровни, как орган — группа клеток — клетки — внутриклеточные структуры — требуют совершенно различных способов описания и исследования. Так, на уровне органов используются физиологические методы, на уровне клеток — данные микроскопических исследований, для описания процессов во внутриклеточных структурах — методы биохимического анализа и т. д.

Морфологическое описание начинается с характеристики элементного состава, который может быть гомогенным (содержать однотипные элементы), гетерогенным (содержать разнотипные элементы) и смешанным. Затем исследуются свойства элементов, которые могут классифицироваться:

• ? по содержанию;
• ? по степени свободы,
• ? по степени специализации
• ? по времени активного участия в выполнении функции.

По содержанию выделяют информационные, энергетические, вещественные и смешанные элементы.

По степени специализации элементы могут быть предназначены для однотипных, близких (смежных) и разнотипных функций.

По степени свободы в выполнении функций элементы разделяют на программные, адаптивные и инициативные, а по времени действия — на регулярные, непрерывные, нерегулярные и смешанные.

Также морфологического описания является характеристика связей между элементами внутри системы и между всей системой и средой.

Связи оценивают по содержанию как информационные, энергетические, вещественные и смешанные и по их направленности как прямые, обратные и нейтральные.

Качество связи между элементами можно оценить пропускной способностью и надежностью каналов связи. Пропускная способность канала связи определяется как максимальный объем вещества, энергии или информации, который может пропустить канал связи в единицу времени. Надежность связи зависит от величины и вероятности ошибок преобразования и передачи вещества, энергии или информации. Отметим прямые и обратные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью выполнения функций элементами, приводящей к достижению целевой функции системы.

Обратные связи, в основном, имеют контролирующую функцию для обеспечения качества управления процессами. Наиболее распространены информационные обратные связи, которые позволяют передавать информацию в направлении, противоположном функциональной последовательности.

Под структурой понимается множество всех возможных отношений между элементами внутри данной системы. Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью этих отношений. По характеру отношений можно выделить многосвязные, иерархические (многоуровневые) и смешанные структуры. Для иерархических структур характерно наличие управляющих (командных) элементов. В неиерархических (многосвязных) структурах управляющие функции распределены между всеми элементами или группами элементов.

Различают следующие типы подсистем (элементов):

• ? эффекторные, способные преобразовывать управляющие воздействия и воздействовать веществом, энергией или информацией на другие подсистемы, соседние системы и среду;
• ? рецепторные, способные преобразовывать внешние воздействия в информационные сигналы;
• ? рефлексивные, способные воспроизводить внутри себя процессы воздействия на информационном уровне;
• ? неопределенные, которые не могут быть точно отнесены к одному из перечисленных выше типов.

При определении степени влияния одних подсистем на другие, большое значение приобретает понятие лидерства. Лидирующей подсистемой является та, которая, не имея детерминированного влияния со стороны какой-либо подсистемы, управляет большей частью других подсистем.

Понятие «структура» включает также конфигурацию системы — пространственное расположение элементов, геометрические свойства.

Различают точечную, линейную, плоскую, объемную и смешанную конфигурации.

Информационное описание позволяет оценить организованность (или неорганизованность) системы, характеризует циркулирующие в системе информационные потоки, определяет упорядоченность системы и, следовательно, выражает способность системы предсказывать свое будущее поведение, дает перспективу. Информационное описание тесно связано с понятием энтропии (неопределенности исхода опыта). величина которой (H) зависит от вероятности (р) пребывания системы в любом из n возможных состояний:

Чем беспорядочнее система (т. е. чем больше п), тем в большей степени ее будущее зависит от случайности. При равных вероятностях система полностью дезорганизована, так как во всякий момент времени она может перейти в любое состояние, т. е. система обладает максимальной энтропией. Повышение упорядоченности означает увеличение зависимости между факторами, определяющими поведение системы, выделение предпочтительных состояний, что приводит к предсказуемости ее поведения. Применительно к внешним случайным факторам необходимым условием появления возможности предсказания поведения системы является наличие модели среды в системе (отображение среды). Чтобы система существовала, взаимодействовала со средой, она должна обмениваться с ней информацией. Этот процесс обмена квантами порциями информации называется информационным метаболизмом, который совместно с вещественным и энергетическим метаболизмом определяет полный метаболизм.

Функциональные процессы в системе тесно связаны с информационными. Источником информации для функционирования системы является внутренний ресурс (возможности структуры и элементов) и среда, а носителем — вещество и энергия (сигналы).

В принципе информационное описание можно получить из морфологического и функционального, однако из-за недостоверности знаний о свойствах элементов и неполноты этих описаний предпочтительней получать информационное описание экспериментально и пользоваться им как самостоятельным. Кроме того, для хаотических, слабоструктурированных, неустойчивых систем информационное описание является единственным.

Генетико-прогностическое описание позволяет проследить путь развития системы в историческом аспекте. Оно выявляет происхождение системы (объекта), отражает главные этапы в его развитии, позволяет оценить перспективы дальнейшего существования. При исследовании сложных систем только прослеживание эволюционного пути позволяет разобраться в особенностях их структуры и функционирования, понять роль и назначение ряда подсистем, оценить роль внешних и внутренних факторов в эволюционном развитии, и на основании такого анализа получить более ясное представление о системах в целом. Особую роль генетико-прогностическое описание может иметь при исследовании биологических систем.

Таким образом, совокупность функционального, морфологического, информационного и генетико-прогностического описаний позволяет отразить главные свойства систем.