План викладення матеріалу

ОСНОВИ ТЕОРІЇ СИСТЕМ

ВСТУП ДО ПРОБЛЕМАТИКИ СИСТЕМНОСТІ.

1.1 Виникнення і розвиток системних уявлень. Вчені-основоположники

1.2 Передумови та необхідність виникнення теорії систем

1.3 Визначення, основні характеристики, ядро теорії систем

1.4 Визначення системи, основні характеристики та властивості системи

1.5 Класифікація систем

1.1. ВИНИКНЕННЯ І розвитОк системних уявлень. ВЧЕНІ-ОСНОВОПОЛОЖНИКИ

Сучасний стан суспільства характеризується застосуванням досягнень научно-технічного прогресу у всі сфери діяльності. Стан розвитку сучасного суспільства тісно пов'язаний із інформатизацією. Інформатизація – це процес створення, розвитку та використання інформаційних засобів і технологій, що забезпечують суттєве покращення якості праці і умов життя в суспільстві. Інформатизація тісно зв’язана з використанням інформаційно-обчислюваних систем, з підвищенням рівня автоматизації технологічної, огранізаційно-економічної, научно-досліджуваної, адміністративної та інших видів діяльності.

Питання про науковий підхід до керування складними системами чи не вперше в конкретному вигляді було поставлене М.-А. Ампером в його роботі «Дослідження філософії наук, або аналітичний виклад класифікації всіх людських знань» (част. І – 1834 p., II – 1843 p.), в якій була виділена наука про керування державою, названа кібернетикою.

В той же час, коли Ампер лише прийшов до висновку про необхідність такої науки, польський вчений Броніслав Трентовський, професор Фрайбургського університету, видав в 1843 р. в Познані польською мовою книгу «Ставлення філософії до кібернетики як до мистецтва керування народом». Сенс грецького слова „гіберно” був добре зрозумілий ще в ХІХ-му – на початку ХХ-гo сторіччя – адміністративна одиниця, населена людьми (в ширшому сенсі – об'єкт керування, до складу якого входять люди) , а „гібернет” — особа, що керує ресурсами та людьми, які населяють територію. І дотепер у багатьох мовах залишились аналоги цього терміна (Gouvernement, gouverneur – уряд, керуючий — французькою; губерния, губернатор — російською та ін.). Метою Броніслава Трентовського була побудова наукових основ практичної діяльності керівника («гібернета»), який повинен вміти, виходячи з загального блага, примиряти деякі суперечності, інші – загострювати, скеровуючи розвиток до потрібної мети. За Трентовським дійсно ефективне керування повинно враховувати всі внутрішні та зовнішні фактори, що впливають на об'єкт керування, а головна складність його реалізації пов'язана зі складністю поведінки людей. Броніслав Трентовський далеко просунувся в розумінні та усвідомленні системності людських колективів, груп, розумінні складності керування людьми.

Наступний етап у вивченні системності як самодостатнього предмета пов'язаний з прізвищем А. А. Богданова (справжнє прізвище — Малиновський), який протягом 1911 — 1925 pp. видав 3 томи книги «Всеобщая организационная наука (тектология)».

За Богдановим-Малиновським загальність тектології пов'язана з тим, що всі існуючі об'єкти та процеси мають певний рівень організованості, і тому на відміну від конкретних природничих наук тектологія повинна вивчати загальні закономірності організації для всіх рівнів організованості. Кількість архітектурних форм матерії незмірно бідніша, аніж різноманітність оточуючого нас середовища, що дає змогу створити теорію структурних схем організації матеріального світу. В суспільстві (і в біологічних системах) існують два начала – лабільне (пластичне) – це функціональний бік організму, його прагнення швидко адаптуватися, і консервативний – це архітектурна схема організації.

Відчутний вплив на усвідомлення деяких аспектів системності мають роботи Н. Вінера, особливо «Кібернетика», що вийшла з друку в 1948 р. Спочатку Вінер визначав кібернетику як «науку про управління та зв'язок в тваринах та машинах», а пізніше почав аналізувати процеси в людському суспільстві з точки зору кібернетики. З розвитком кібернетики стало зрозумілим, що це є самостійна наука зі своїм предметом вивчення та специфічними методами дослідження, хоча й нині є вчені, які вважають, що предмет досліджень в кібернетиці відсутній (до речі ще на Першому міжнародному конгресі з кібернетики – 1956 p., Париж – пропонувалося розглядати кібернетику як «мистецтво ефективної дії», а не як науку). З кібернетикою пов'язаний розвиток таких системних уявлень, як типізація моделей систем, виявлення особливого значення зворотних зв'язків у системі, підкреслення принципу оптимальності в управлінні та синтезі систем, усвідомлення значення інформації та можливостей її кількісного описання, розвиток методології моделювання, особливо проведення обчислювальних експериментів із застосуванням комп'ютера (що привело до розвитку важливого напрямку моделювання).

Однак звичайне порівняння ідей Н. Вінера з ідеями Б. Трентовського та А. Богданова дозволяє зробити висновок про те, що кібернетика не змогла дійти до розгляду дійсно складних систем, їй властивий певний техніцизм, механіцизм. Інформаційні процеси в кібернетиці розглядаються лише з кількісного боку, принцип оптимальності реалізується лише в повністю формалізованих системах, при моделюванні інтелекту враховується лише логічна компонента мислення. Отже, кібернетика мала в певних аспектах відчутний вплив на формування системних уявлень, але в межах кібернетичних уявлень виявилися нездоланні труднощі та недоліки кібернетичної теорії з точки зору системності.

Виникнення загальної теорії систем (ЗТС) пов'язують з іменем австрійського фізіолога Людвіга фон Берталанфі, який в 20–30-і роки займався питаннями системного підходу при вивченні живих організмів, розвиваючи загальну точку зору на необхідність цілісного підходу в біології та фізіології. У 1956 р. він організував наукове товариство з досліджень у області ЗТС, що видавало щорічні збірни­ки наукових праць, в яких системний підхід розглядався як універ­сальна концепція, що об'єднує інтереси різноманітних наук. У 1962–1968 pp. Л. фон Берталанфі включав в ЗТС багато наук – кібернетику, теорію інформації, теорію рішень, топологію, факторний аналіз, теорію множин, теорію мереж, теорію автоматів, теорію масового обслуговування, теорію графів.

1.2. Передумови та необхідність виникнення ТЕОРІЇ СИСТЕМ

Створення складних технічних систем, проектування та управління складними комплексами, планування розвитком і багато інших напрямів діяльності потребують організації досліджень, які мають нетрадиційні підходи. Таким чином, в різних сферах діяльності приходиться сталкуваться із поняттями великих і складних систем.

В різних сферах практичної діяльності розвивались відповідні методи аналізу та синтезу складних систем, які в подальшому переросли в ряд таких дисциплін: системотехніка, методи проектування, методи інженерної творчості, теорія оптимального управління, теорія прийняття рішень, системний підхід, методи дослідження операцій, теорія оптимального управління, теорія організації та експлуатації систем, імітаційне моделювання, теорія експерименту.

В 80-х роках ХХ ст. ці всі теоретичні та прикладні дисципліни охоплюють загальний напрям, який в подальшому отримає назву системний напрям, або системологія як напрям. В системології можна виділити два основних підходи. При першому підході системологія розглядається як доповнення і узагальнення теорії управління. Із цим підходом пов’язані роботи М.Месаровича і його школи, А.М. Летова, К.Боулдинг та інших відомих вчених. При другому підході, можна назвати кібернетичним, особливу увагу приділяється структурним характеристикам системи, а не характеристикам, які описують його функції, такі як, наприклад, лінійність, стаціонарність, гладкість. З цим напрямом пов’язані роботи У.Росс Ешбі, Н.Віннера, П.фон Берталанфи та ін.

Так як, складні системи стали предметом дослідження, проектування та управління, виникла необхідність узагальнення методів дослідження систем. Системність стала не тільки теоретичною категорією, але й свідомим аспектом практичної діяльності. Все це дало поштовх до виникнення єдиної прикладної науки, яка отримала назву - «теорія систем».

Теорія систем сформувалася в результаті виникнення необхідності досліджувати і проектувати складні системи, управляти ними в умовах неповноти інформації, обмеженості ресурсів та дефіциту часу. В теперішній час методи системного аналізу отримали широке застосування при плануванні науково-дослідних робіт, проектуванні різних об’єктів, управлінні виробничими і технологічними процесами, прогнозуванні розвитку окремих галузей промисловості та сільського господарства. Особливо часто до системних методів звертаються при вирішенні задач розподілу трудових ресурсів і виробничих запасів, призначення строків профілактичного ремонту обладнання, вибору засобів транспортування вантажів, складання маршрутів та розкладів перевезень, розміщення нових виробничих комплексів, збору інформації в автоматизованих системах управління і цілого ряду інших [].

1.3 Визначення, основні характеристики, ядро теорії систем

Потреби практики і науки стимулювали появу і розвиток наукового напряму системних досліджень, що охоплюють самі різні об'єкти, яке отримало назву теорія систем.

Теорія систем розглядається як загальнонаукова теорія, яка виступає сполучною ланкою між філософією і іншими науками.

Теорія систем має свій об'єкт, предмет і завдання.

Об'єкт дослідження теорії систем - складні системи.

Предмет - методи створення і розвитку систем.

Завдання теорії систем:

- розвиток системних концепцій загального характеру. Побудова узагальнених концептуальних моделей систем різних класів;

- розробка загальних принципів організації і логіко-математичного апарату для системних досліджень;

- створення різних приватних теорій систем.

Теорія систем є ще молодою гілкою в науці і її становлення відбувається в даний час. Ця теорія зародилася в 30-х роках XX ст і в 50-і роки сформувалася як самостійний науковий напрям. Основоположником цієї теорії по праву вважається австрійський біолог Людвіг фон Берталанфі. У створенні теорії брали участь М. Месаровіч, Я. Такахара, Р. Саймон, А. Хол, Ч. Дарвін, Д. Менделєєв, Р. Поспелов, Н. Бусленко і ін.

Теорія ще не сформувалася, проте і на цій стадії вона приносить користь, пропонуючи єдиний понятійний апарат і методологію дослідження складних об'єктів. При цьому робиться спроба створення формального апарату, який служитиме теоретичним фундаментом для цілого ряду наук.

Теорія систем, як галузь науки, може бути розділена на дві, досить умовні частини:

- теоретичну: що використовує такі приватні теорії як теорія ймовірності, теорія інформації, теорія масового обслуговування та ін.;

- прикладну, основану на прикладній математичній статистиці, методах досліджень операцій і тому подібне.

Теорія ймовірності це математична наука, що вивчає закономірності у випадкових явищах. Абсолютно вочевидь, що в природі немає жодного фізичного явища, в якому не були б присутні в тій чи іншій мірі елементи випадковості. Елемент невизначеності, складнощі, багатопричинності, властивою випадковим явищам, вимагає створення спеціальних методів для вивчення цих явищ. Такі методи і розробляються в теорії вірогідності. Її предметом є специфічні закономірності, спостережувані у випадкових явищах.

Вивчення таких закономірностей дозволяє не лише здійснювати науковий прогноз в області випадкових явищ, але у ряді випадків допомагає цілеспрямовано впливати на хід випадкових явищ, контролювати їх, обмежувати сферу дії випадковості, звужувати її вплив на практику.

Теорія інформації - є наука, що вивчає способи обробки інформації, тобто здобуття, передачі, накопичення, перетворення, зберігання і видачі інформації. Виникнувши в 40-х роках двадцятого століття на практичних завданнях теорії зв'язку, теорія інформації в даний час стає необхідним математичним апаратом при вивченні всіляких процесів управління. Риси випадковості, властиві процесам обробки інформації, заставляють звертатися при вивченні цих процесів до імовірнісних методів. При цьому не удається обмежитися класичними методами теорії вірогідності і виникає необхідність в створенні нових імовірнісних категорій. Процес обробки інформації неодмінна умова роботи будь-якої системи, що управляє. У цьому процесі завжди відбувається обмін інформацією між різними елементами системи. Теорія масового обслуговування. В даний час існує необхідність у вирішенні своєрідних імовірнісних завдань, зв'язаних з так званих систем масового обслуговування. Кожна така система складається з якогось числа обслуговуючих одиниць, які називають «каналами» обслуговування.

Як канали можуть фігурувати: лінії зв'язку, особи, що виконують ті або інші операції, різні прилади і так далі

Робота будь-якої системи масового обслуговування полягає у виконанні потоку вимог або заявок, що поступає на неї. Предмет теорії масового обслуговування - встановлення залежності між характером потоку заявок, продуктивністю окремого каналу, числом каналів і, ефективністю обслуговування.

Прикладна математична статистика – розділ прикладної математики, в якому вивчається математичний апарат і програмне забезпечення для дослідження статистичних моделей в цілях інтерпретації результатів і здобуття практичних виводів.

До статистичних математичних моделей відносяться моделі законів розподілу вірогідності, а також моделі, що описують структуру і моделі регресії, дисперсійного аналізу, аналізу тимчасових рядів і так далі Статистичні моделі дозволяють враховувати все різноманіття зв'язків і чинників, що роблять вплив на досліджувані об'єкти. Їх здобуття не вимагає значних засобів: об'єкт розглядається як «чорний ящик», а реальні взаємозв'язки апроксимуються деякими залежностями. Дослідження операцій - це наука, яка займається виробленням кількісних рекомендацій, необхідних для організації операцій. Нагадаємо, що під операцією тут розуміється будь-яка цілеспрямована дія людини, групи людей і систем людина-машина (тобто елементів системи).

Предметом вивчення цієї науки є операції, виконувані елементами системи. При цьому кількість елементів і їх властивості можуть варіюватися в широкому діапазоні. Основними методами теорії дослідження операцій є математичні методи.

Теорія систем широко використовує досягнення багатьох галузей науки і цей захват безперервно розширюється. В той же час, в теорії систем є своє "ядро", свої особливі методи - системний підхід і системний аналіз. Єство методу системного підходу досить просте: всі елементи системи і всі операції в ній повинні розглядатися лише як одне ціле, лише в сукупності, лише у взаємозв'язку один з одним.

Плачевний досвід спроб вирішення системних питань з ігноруванням цього принципу, спроб використання "містечкового" підходу вистачає добре вивчений. Локальні рішення, облік недостатнього числа чинників, локальна оптимізація — на рівні окремих елементів, майже завжди наводили до неефективного в цілому, а інколи і небезпечному по наслідках, результаті.

1.4 визначення системи, Основні характристики та властивості системи

Предметом любої наукової дисципліни являється визначений клас систем. Термін система , за останній період, є найбільш вживанішим терміном, який використовується для опису робіт в самих різних наукових дисциплінах. Цей термін став мати різний зміст при різних обставинах і для різних людей.

Система (1) – частина середовища, яка виділена за визначеним законом для досягнення конкретної мети.

Система (2) – цілісна множина об’єктів (елементів), що пов’язані взаємними відношеннями. Цілісність означає, що система відносно навколишнього середовища виступає і, відповідно, сприймається як дещо єдине.

Система (3) – порядок; поняття, гіпотези, теорії, наукові знання.

Система може мати різний ступінь цілісності, котрому відповідає різний ступінь взаємозв’язку між її елементами. Цей взаємозв’язок описується відношеннями між елементами системи. Оскільки відношення є математичною категорією, з‘являється можливість надати визначенню системи більш строгої форми. Тільки система, в якій можуть бути виділені елементи, має структуру, тобто система – мережа пов’язаних елементів, а структура – сукупність зв’язків.

Основные признаки системы:

- цілісність, зв'язність або відносна незалежність від середовища і систем (це найбільш істотна кількісна характеристика системи), із зникненням зв'язності зникає і сама система, хоча елементи системи і навіть деякі зв'язки, стосунки між ними можуть бути збережені;

- наявність підсистем і зв'язків між ними або наявність структури системи (це найбільш істотна якісна характеристика системи), із зникненням підсистем або зв'язків між ними може зникнути і сама система;

- можливість відособлення або абстрагування від довкілля, тобто відносна відособленість від тих чинників середовища, які в достатній мірі не впливають на досягнення мети;

- зв'язки з довкіллям по обміну ресурсами;

- підлеглість всій організації системи деякої мети (як це, втім, виходить з визначення системи);

- эмерджентность або несводимость властивостей системи до властивостей елементів.

Як вже говорилось вище, наука о системах, як і інші науки, має визначену область дослідження, володіє сукупністю знань та методологією. Але це не наука в загальному значенні – традиційна наука орієнтується на дослідження різних категорій уявлень, а наука о системах вивчає різні класи відношень. А тому, її потрібно розглядати як новий вимір науки, а не нову науку, яка співпадає з іншими.

Пізнавальні можливості теорії систем реалізуються шляхом віддзеркалення об'єктів (реальних і абстрактних) в її основних поняттях, які мають вельми узагальнений сенс, що дозволяє використовувати їх в різних науках.

Центральне поняття - система. В даний час немає єдності у визначенні цього поняття. При цьому поняття не противоречат один одному, але відрізняються повнотою. Якщо теорія систем претендує на роль загальнонаукової методології, то поняття "система" має бути універсальним, відображати загальність системних властивостей і закономірностей.

Тому навряд чи можна погодитися з тією точкою зору, що більш менш повне визначення системи може бути дане виключно по відношенню до якого-небудь з її типів, що вивчається тією або іншою галуззю знання. При використанні загальнонаукової методології, у тому числі теорії систем, вони повинні концентруватися на дослідженні віддзеркалення загального в особливому, а не розглядати особливе само по собі, у відриві від цілого. Тобто дослідження в конкретної області повинні спиратися на загальне поняття системи, що не виключає необхідності визначення того особливого типа систем, який цією галуззю знання вивчається.

Все різноманіття підходів до визначення поняття "системи" (а їх відомо більше сорока) можна розділити на наступні групи. Першу групу складають визначення системи як вибираною дослідником будь-якої сукупності змінних, властивостей або єств (такий підхід характерний для У.Р. Ешбі, а також М. Тоди і Э. Шуфорда). Якщо слідувати подібній логіці, то системою можуть виявитися два будь-яких довільно вибраних об'єкту, таких, що мають насправді настільки слабкі взаємозв'язки, що вони або не можуть бути уловлені спостерігачем, або ними можна нехтувати.

Другу групу складають визначення системи, що пов'язують її з цілеспрямованою активністю. Наприклад, І.М. Верещагиним система визначена як "організований комплекс засобів досягнення загальної мети". Н.Г. Белопольський вважає, що матеріальна система - це створена з певною метою природою або людиною частина об'єктивного матеріального світу, яка складається з відносно стійких взаємодіючих і взаємозв'язаних елементів, розвиток і вдосконалення якої залежить від взаємодії з довкіллям. Якщо маються на увазі лише штучні системи, залишається незрозумілим, чому з поля зору випали природні. Якщо ж, як в другому визначенні, розглядаються обоє типа систем, то для природних об'єктів потрібно визнати існування суб'єкта, задаючого мету (фактично - бога-творця), що виходить за рамки наукового дослідження, принаймні в сучасних умовах. Далі, окрім розвитку і вдосконалення (див. визначення Н.Г. Белопольського), в системах можуть відбуватися процеси деградації і руйнування, які залежать не лише від взаємодії систем з довкіллям, але і від внутрішніх властивостей самої системи. Отже, ні перша, ні друга групи визначень не дають адекватного розуміння системи.

Третя група базується на розумінні системи як безліч елементів, зв'язаних між собою. В цьому випадку встає питання, чи можна визначити що-небудь через поняття безлічі, що не має визначення і що вводиться для кожного конкретного випадку? Е.Р. Раннап і Ю.А. Шрейдер також виступають проти визначення системи через безліч, відмітивши, що будь-яка система допускає можливість різних її розчленовувань, кожна з яких є безліччю, тобто систему можна розглядати як безліч, але сама по собі безліччю вона не є, з чим важко не погодитися.

Четверту групу складають найбільш загальні визначення системи як комплексу елементів, що знаходяться у взаємодії. В цьому випадку може виникнути помилка, що будь-які, навіть дуже слабо взаємодіючі об'єкти можуть бути віднесені до категорії "система" і розглянуті з системних позицій. A.M. Коріков і Е.Н. Сафьянова виділяють два аспекти у визначенні системи. Дескриптивне (описове) визначення, на їх думку, повинне відповідати на питання про те, як відрізнити системний об'єкт від несистемного; а конструктивне повинне допомогти дослідникові відповідає на питання про те, як будувати систему шляхом виділення її з середовища.

Дескриптивне визначення системи проводить чіткіший кордон між системними і несистемними об'єктами і дає, таким чином, поняття системи "взагалі", а конструктивне - базується на загальних принципах виділення системи з середовища і надає можливість визначення поняття конкретної системи.

Найбільш виправданим підходом, вимогам, що відповідають, дескриптивним визначенням, що пред'являється, до поняття "системи", є введення його через поняття сукупності, взаємозв'язки і цілого. Відповідно до цього дамо наступне дескриптивне визначення поняття "системи".

Системою є сукупність об'єктів, взаємозв'язаних між собою, які утворюють єдине ціле, таке, що володіє властивостями, не властивими складовим його об'єктів, узятим окремо. Конструктивний підхід, як вже наголошувалося, допомагає дослідникові побудувати систему шляхом виділення її з середовища і заснований на розгляді структури системи, визначуваною її функцією. З цієї точки зору будь-яку відкриту систему прийнято схематично представляти у вигляді "чорного ящика" (рис. 1.1). Входи, або ресурси системи є об'єктами, передаваними системі з середовища. За допомогою входів здійснюється вплив середовища на систему. Виходи, або кінцевий продукт системи, - це об'єкти, передавані системою довкіллю. За допомогою виходів система може робити вплив на середовище.

Опис системи через входи і виходи інколи називають зовнішнім оскільки воно дає розуміння зв'язків системи з довкіллям, залишаючи без уваги те, що відбувається усередині системи. Цей пропуск заповнює внутрішній, локальний опис системи, що розглядає механізм перетворення входів у виходи, тобто процесор.

Рисунок 1.1 – Конструктивний опис системи

Процесор включає правила перетворення входів у виходи; засоби цього перетворення; його виконавців (якщо в систему входить людина); об'єкт перетворення, каталізатор, сприяючий прискоренню перетворення, і час. Дуже часто, те, що підлягає перетворенню (у економічних системах це предмет праці), не розглядається як частина процесора, що швидше за все пов'язане з тим, що воно вважається частиною входів системи. Але ж в принципі будь-який об'єкт системи, або "матеріал", для його побудови має спочатку бути поданим на входи і лише потім привласнюється системою як невід'ємна складова частина. Ще один аргумент на користь включення об'єкту перетворення в саму систему, в її процесор, додає те, що і засоби перетворення, і його виконавці, що розглядаються як частини процесора, теж проходять через входи системи. Та і правила перетворення (наприклад, технологія) часто задаються системі ззовні. І нарешті, об'єкт перетворення сповна задовольняє запропонованому В.Н. Садовським критерію, згідно якому безліч елементів утворює систему, якщо для кожного елементу справедливе хоч би одне з двох: а) елемент має відношення хоч би з одним іншим елементом; би) принаймні один елемент має з ним відношення (причому для вхідних елементів справедливо лише а), а для вихідних - би). Все це дозволяє включити об'єкт перетворення до складу процесора системи.

Об'єкти, що не задовольняють названому вище критерію системності, є середовищем системи. З врахуванням розглянутого конструктивного визначення системи, можна конкретизувати дане вище дескриптивне визначення системи таким чином. Під системою слід розуміти деяку цілісну сукупність, що складається з окремих елементів, які зв'язані між собою матеріальними, енергетичними або інформаційними зв'язками, внаслідок чого ця сукупність має деякі специфічні властивості, не властиві повною мірою кожному з вхідних в нього елементів.

З цього визначення видно, що весь оточує нас реальний світ складається з систем і сам є деякою системою. Звідси, якщо при розгляді якоїсь конкретної системи виділити будь-який її елемент, то він також виявиться системою, що складається з ряду інших елементів, які теж є системами і так далі

Таким чином, кожна система є елементом інший, крупнішої системи, і кожен елемент у свою чергу є системою, але лише меншою, ніж та, в яку він входить.Матеріальні, енергетичні або інформаційні зв'язки є не що інше, як операції (цілеспрямована дія) по обробці матеріальних, енергетичних або інформаційних потоків. Кожна з цих операцій може виконуватися декількома елементами системи одночасно. Взаємне виконання операцій об'єднує або зв'язує елементи між собою. Оскільки елементи системи виконують операції шляхом реалізації своїх властивостей, те виконання кожної операції узагальнює і інтегрує властивості елементів, перетворюючи їх на деяку специфічну властивість групи елементів, що відрізняється від властивостей кожного елементу. Тут слід зазначити, що залежно від того, які елементи виконують операцію, вона може бути неділимою (елементарною) або складеною (системною). Так, якщо операція виконується за допомогою елементів деякої системи, яка входить до складу іншої системи у вигляді елементу, то на рівні останньої ця операція буде неділимою, а на рівні першої - складений.

Всі операції, які виконують елементи системи, складаються в деяку послідовність(сукупність), звану функціонуванням системи. Через здатність досягати мета за допомогою функціонування виявляються можливості або властивості всієї системи в цілому. Звідси, функціонування, визначаючи взаємозв'язок елементів в системі через спільне виконання ними операцій, відображає собою структуру системи.

Структура системи і її елементи можуть бути рухливими, тобто що змінюються, об'єктами навіть тоді, коли система не міняє свого призначення, тобто мета і інші функції системи залишаються постійними. Це, як правило, відбувається в разі рішення задачі вдосконалення системи, наприклад, підвищення її ефективності.

Вочевидь, що структура і склад системи обумовлюють один одного, проте ні склад елементів, ні структура не визначають один одного однозначно. Так, структура системи може бути одна і та ж, а склад елементів, що виконують операції, - різний. Це пояснюється тим, що необхідні для виконання операцій властивості можуть мати абсолютно різні елементи, а значить, одні і ті ж операції можуть виконуватися різними елементами.

В той же час, структура системи - склад операцій і їх послідовність - може змінюватися, а склад елементів залишатися постійним. Це, звичайно, можливо, коли незмінний склад елементів має властивості, достатні для забезпечення зміни структури.

Якщо система створена або модернізована і якийсь період часу не міняє свої склад і структуру, то кордон такої системи на даний період визначається в основному її структурою. Річ у тому, що деякі елементи можуть належати відразу декільком системам, але в різний час, тобто одні і ті ж елементи можуть мігрувати з системи в систему, беручи участь у функціонуванні кожній з них, використовуючи відповідні свої властивості. Зазвичай такі елементи мають розширений набір властивостей, що дозволяє в системі реалізувати одну функцію, а в іншій системі - іншу, тобто систем декілька, а елемент один і той же, але багатофункціональний і рухливий. Звідси витікає, що декілька систем можуть бути функціонально зв'язані не лише операціями, що виконуються спільно їх елементами, але і через елементи, що належать відразу декільком системам.

Основними ознаками системи, що відповідають дескриптивному визначенню «система», можуть бути: сукупність, зв'язок, об'єкт, підсистема, елемент, структура, організація, управління, мета, функція, функціонування, поведінка, ефективність, оптимальність. Дамо їх коротке визначення.

Під сукупністю можна розуміти поєднання, з'єднання, об'єднання об'єктів.

Зв'язок - обов'язкова властивість елементів системи. Вона розглядається як спосіб дії, взаємодії або відношення елементів між собою, що обумовлює структуру системи і її розміщення в просторі і вo часі. Зазвичай розглядаються наступні типи зв'язків: матеріальні енергетичні, інформаційні. Це поняття характеризує одночасно і будову (статику), і функціонування (динаміку) системи. Зв'язок характеризується напрямом (направлені і ненапрямлені), силоміць (сильні і слабкі), характером (зв'язки підпорядкування, рівноправні зв'язки), а також местомом додатка (внутрішні і зовнішні) і спрямованістю процесів в системі і її частинах (прямі і зворотні).

Постуліруєтся, що зв'язки існують між всіма системними елементами, між системами і підсистемами і між двома і більш підсистемами. Зв'язками першого порядку називаються зв'язки, функціонально необхідні один одному. Зв'язки другого порядку - це такі зв'язки, які є додатковими. Як правило, такі зв'язки не є функціонально необхідними, але вони в значній мірі покращують дію системи. Прикладом можуть служити синергетичні зв'язки, які при кооперативних діях незалежних організацій забезпечують збільшення їх загального ефекту до величини більшою, ніж сума ефектів цих же організацій, що незалежно діють. В тому випадку, якщо зв'язки є зайвими або суперечливими, то вони визначаються як зв'язки третього порядку. Надмірність описує такий стан системи, коли вона містить непотрібні елементи.

Протиріччя існує тоді, коли система містить два об'єкти, таких що, якщо один достеменний те інший помилковий за визначенням. Під об'єктом розуміється те, що існує поза нами, і не залежить від нашої свідомості, виступає предметом пізнання і дії.

Підсистема - частина системи, що є сукупністю деяких її елементів, і що відрізняється підлеглістю, з точки зору виконуваних функцій. Підсистеми виділяються по функціональних і (або) технологічних ознаках. Назвою "підсистемою" підкреслюється, що така частина повинна володіти властивостями системи (зокрема, властивістю цілісності).

Елемент - частина системи, що володіє деякою самостійністю і що має зв'язки з іншими частинами. Елемент системи при даному розгляді об'єкту не підлягає подальшому розчленовуванню, тобто - це межа розчленовування системи з точки зору рішення конкретної задачі і поставленої мети. При дослідженні елементу нас повинні цікавити лише ті властивості, які визначають його взаємодію з іншими елементами. Зазвичай розглядають елементи однорідного, різнорідного і змішаного характеру.

Структура - сукупність елементів системи і зв'язку між ними. Це поняття походить від латинського слова structure, що означає будову, розташування, порядок. Виявлення структури дозволяє зафіксувати об'єкт як щось ціле. Структура під впливом функції багато в чому визначає властивості системи, у тому числі і загальносистемні властивості цілісності, ієрархічності і интегративности. Вона також грає важливу роль у функціонуванні системи, забезпечуючи відносну її стійкість і сприяючи збереженню якісної визначеності системи. Із структурою системи тісно пов'язана її організація, незрідка ці поняття ототожнюються. Існують також спроби визначити організацію як складність системи (такий погляд був характерний для Н. Вінера і JI. фон Неймана), хоча поняття організації давно визначене як взаємодія частин цілого, обумовленого його будовою.

Це визначення ясно показує відмінність і взаємозв'язок організації і структури. Якщо структура системи відображає її стійкі компоненты і зв'язки, то організація – як стійкі, так і нестійкі об'єкти і зв'язки, т.е.организация виражає і структурні, і складені аспекти системи. На практиці часто використовують два поняття структури системи: організаційна структура і функціональна структура.

Організаційна структура розуміється як взаємозв'язок об'єктів системи, що знаходяться на різних рівнях управління. При цьому зв'язок між об'єктами є спільним виконанням ними операцій по обробці потокової інформації, що йдуть з верхніх рівні управління вниз і на зворот.

Функціональна структура розуміється як взаємозв'язок об'єктів системи що знаходяться, як правило, на одному рівні управління що здійснюється шляхом спільної обробки потоків інформації, матеріальних або енергетичних потоків на користь функціональної взаємодії для виконання своїх завдань.

Управління - сукупність інформаційних дій, для досягнення поставлених цілей. Мета - область станів середовища і системи, яку необхідно досягти при функціонуванні системи. По іншому, мета - це "бажаний" стан її виходів, тобто деяке значення або підмножина значень функцій системи. Мета може бути заданою як із зовні і поставлена системою самою собі; у останньому випадку мета виражатиме внутрішні потреби системи. Тому, всупереч тому, що склався в економічній літературі, так і в дослідженнях по теорії систем думці, меті підсистеми, якщо вона, у свою чергу, є цілеспрямованою самоуправляемой системою, не можуть (і не повинні) бути підпорядковані цілям системи, в яку вона входить, через початкову відмінність потреб. Їх цілі мають бути несуперечливими, такими, що взаємно не виключають один одного, для чого в теорії систем розроблено немало ефективних процедур, детально описаних у відповідній літературі. Всупереч досить поширеному, зокрема серед тих, хто розробляє і здійснює соціальні реформи, волюнтаристському погляду, система може досягти мети не з будь-якого стану, не за будь-якої початкової умови і тим більше не в будь-який проміжок часу. Аби досягти мети, система повинна знаходитися в області досяжності".

Основною системообразующим ознакою є функція системи. Єдиної думки з приводу того, що є функція, не склалося. Аналіз наукової літератури дозволяє виділити чотири основні групи поглядів на природу і походження функції системи.

Дослідники першої групи вважають, що функція системи полягає в переробці входів у виходи. Недоладність подібного підходу очевидна: якщо, наприклад, розглянути таку систему, як фірма, що випускає комп'ютери, то її функцією потрібно назвати переробку пластмаси, інтегральних схем, ідей, енергії і ін. в комп'ютери. А навіщо? Для чого це, у свою чергу, потрібно? Практика СРСР показала, що подібне розуміння функції виснажує ресурси і наводить систему до руйнування.

Друга точка зору близька першою і бачить функцію в збереженні системи, підтримці її структури, тобто виходить, що система повинна існувати для того, щоб існувати.

Третя група дослідників ототожнює функцію і функціонування системи, визначаючи другу як спосіб або засоби досягнення мети, як дії, що робляться для цього, проте можливе існування нецільових систем, що здійснюють функціонування, а значить, і що мають функцію.

І, нарешті, четвертою групою функція розглядається як сенс існування, призначення, необхідність системи. Саме цю точку зору і слід визнати найбільш близькій до істини, бо, за визначенням, функція відображає призначення системи, що виключає і спори з питання, яке її походження.

Функція задається системі ззовні і показує, яку роль дана система виконує по відношенню до загальнішої системи, в яку вона включена складовою частиною разом з іншими системами, промовцями для неї середовищем. Це положення має дуже важливі следствия: імпульс до зміни, у тому числі і розвитку системи, може як генеруватися усередині системи, так і викликатися зовнішніми чинниками. Якщо перше досить обґрунтований ще в рамках матеріалістичної діалектики, то друге потребує логічного обґрунтування. По-перше, будь-яка зміна функції, вироблювана середовищем, викликає зміну механізму функціонування системи (за визначенням понять "функції" і "функціонування"), а це наводить до зміни структури системи, яке може відбуватися як у напрямі прогресу, так і у напрямі регресу. По-друге, з ускладненням функції в межах старої будови відбувається диференціація, яка в майбутньому може викликати відособлення нової частини, тобто розвиток системи. Саме те, що функція визначає структуру, функціонування і розвиток системи, дає підставу говорити про неї як про головний чинник.

Важливе значення має питання про співвідношення функції і мети системи, особливо для цілеспрямованих соціальних систем, тим більше що незрідка мета і функція або ототожнюються, або функцію рахують підлеглій меті. За визначенням, функція відображає призначення системи, її роль в середовищі і є об'єктивно обумовленим середовищем; мета, навпаки, виражає внутрішні потреби системи, що має внутрішній блок управління, отже, про ототожнення мети і функції або підпорядкування одного іншому мова йти не може.

Може затверджуватися лише, що кожна з них в змозі перешкоджати здійсненню інший, або не перешкоджати. При цьому головна роль належить функції, оскільки саме від неї залежить можливість самого існування системи: якщо функція не виконується, вплив середовища може бути для системи руйнівним, тоді як зворотне вірно не завжди - якщо система виконує свою функцію, то не досягнення (або досягнення) мети, як правило, не несе безпосередньої загрози руйнування. Наприклад, якщо яка-небудь фірма не задовольняє потреб споживачів своїй, продукцією (функція), то рано чи пізно вона розориться. Якщо ж, сповна задовольняючи потреби, фірма не отримує прибуток (одна з можливих цілей), вона сповна може існувати значний час. Звичайно, мета робить величезний вплив як на структуру, так і на поведінку системи і разом з функцією має бути визнана системообразующим чинником, але при вирішальній ролі функції.

Функціонування - здійснення різних процесів в системі при взаємодії з середовищем. Функціонування системи в часі називають її поведінкою. Все ще зустрічається в літературі по теорії трактування поведінки як суми або послідовного набору станів слід визнати невірній, оскільки жодна "сума" (якщо взагалі можна застосовувати це поняття до якісних категорій) дискретних статичних зрізів системи не в змозі показати її динамічні характеристики, однією з яких є поведінка (хоча вивчення поведінки системи людиною через особливості його мислення відбувається так, як помічено вищим, але є віддзеркаленням законів суб'єкта, що пізнає, а не пізнаваного об'єкту).

В процесі функціонування система досягає певного результату - ефекту. Питання про ефективність системи, а тим більше формалізованому її вираженні можна вважати до цих пір не дозволеним, хоча певні вислови із цього приводу є.

Оскільки який би то не було ефект (результат), включаючи, можливо, і досягнення якої-небудь мети, є продуктом функціонування системи, то ефективність або результативність слід розуміти як міра досягнення результату, заданого її функцією, як міра відповідності дійсного результату тому, який повинен мати місце при всій облиште виконання системою своєї функції.

Інколи оптимум системи ототожнюється з ефективністю. У літературі визначення оптимуму – як екстремуму цільової функції системи, - страждає невизначеністю, оскільки неясно, який екстремум функції - максимум або мінімум - мається на увазі. Поняття оптимуму системи можна загалом визначити таким чином. Оптимум системи є максимально (мінімально) досяжним при наявних ресурсах значенням цільової функції системи.

Таким чином, система може бути ефективною, але не оптимальною; оптимальною, але неефективною і як ефективною, так і оптимальною. Як ефективність, так і оптимальність системи сильно залежать від того, наскільки ефективні і оптимальні її підсистеми, і навпаки, проте залежність тут не пряма: ефективність функціонування об'єктів сприяє ефективності системи в цілому, але не завжди наводить до неї через системну властивість інтегративності. Що стосується оптимуму, то тут ще складніша і суперечливіша залежність, яка може бути навіть зворотною: досягнення системою глобального оптимуму порушило б нормальне функціонування підсистем; а підсистеми не можуть одночасно досягти оптимуму, бо це може вивести за допустимі межі змінні інших підсистем.

Дескриптивний підхід до визначення системи вимагає також опис основних її властивостей. Як загальносистемні властивості можуть виступати: цілісність, ієрархічність, інтегративність, перехідний процес, стійкість, керованість, досяжність, зворотний зв'язок, адаптивність, відвертість (закритість).

Дамо короткий опис основним властивостям системи. Цілісність - це загальносистемна властивість, що полягає в тому, що зміна будь-якого об'єкту системи надає дію на всіх інших її об'єкти і наводить до зміни системи в цілому; і навпаки, будь-яка зміна системи відгукується на всіх об'єктах системи; вона означає також перетворення компонентів, що входять в систему, відповідно її природі.

Ієрархічність системи полягає в тому, що вона може бути розглянута як елемент системи вищого порядку, а кожен її елемент, у свою чергу, є системою.

І, нарешті, інтегративність є володінням системою властивостями, відсутніми в її елементів (вірно і зворотне - елементи володіють властивостями, не властивими системі). Реакція системи на який-небудь вхідний сигнал називається перехідним процесом. Перехідні процеси систем змальовані на рис. 1.2. Ці процеси характеризуються часом перехідного процесу Т, величиной перерегулювання ϭ (максимальне відхилення Y₁ від Y₀ за час перехідного процесу).

Рисунок 1.2 – Перехідні процеси системи

Перехідний процес - це показник функціонування системи в часі, вказуючий як швидко і в який новий стан перейде система в результаті появи вхідного сигналу. Система знаходиться в рівновазі, якщо її стан може залишатися незмінним необмежений час. У системі може бути декілька станів рівноваги.

Під стійкістю системи розуміється її здатність під дією вхідного сигналу переходити з одного стану рівноваги в інше. На рис. 1.2. перехідних процесів I і II відповідають стійкій системі, а III - нестійкою.

Поняття стійкості пов'язане з величиной дії, що викликав зміни стану системи. Треба враховувати граничне значення вхідного сигналу. Принцип керованості виражає необхідність залежності показника ефективності, цільовій функції від параметрів управління системою (вхідних сигналів). Досяжність означає що параметри, як самої системи, так і її середовища повинні досягти певних значень. Зворотний зв'язок означає здобуття інформації про результат управління. Зворотний зв'язок може бути негативним і позитивним. Негативний зворотний зв'язок характеризується тим, що вихідний сигнал, що впливає на вхід системи, має протилежний знак по відношенню до вхідного, такого, що викликає зміну стану системи. Системи з негативним зворотним зв'язком зазвичай призначені для підтримки її в стійкому стані.

Позитивний зворотний зв'язок характеризується тим, що вихідний сигнал, що подається на вхід як зворотний зв'язок, має однаковий знак з вхідним сигналом. Системи з позитивним зворотним зв'язком нестійкі.

Властивістю адаптивності володіє система, що має управління із зворотним зв'язком, який відрізняється наявністю спеціального адаптивного механізму що нагромаджує і аналізує інформацію про минулі управлінські ситуації, виробляє нову поведінку.

Адаптивне управління властиво складним системам, яким в процесі управління доводиться змінювати програми і стратегії поведінки шляхом навчання.

Теорія адаптивного управління доки не отримала великого розвитку, в наслідок надзвичайної складності формування процесів навчання.

Відвертість - означає, що система має зв'язок з середовищем.

Закритість – система не має зв'язку з середовищем.

1.5 КЛАСИФІКАЦІЯ СИСТЕМ

Системи можуть бути розділені на класи по різних ознаках. На рисунку 1.3 представлена класифікація систем за найбільш загальними ознаками:

- за природою елементів;

- за походженням;

- по мірі складності;

- по характеру поведінка;

- по мірі автоматизації управління;

- по пристосованості до середовища;

- по відношенню до середовища;

- по тривалості існування;

- по зміні властивостей;

- по характеру реакції на дію середовища.

Рисунок 1.3. Класифікація систем

Фізичні системи складаються з виробів, устаткування і машин і, взагалі, з природних або штучних об'єктів. Цим системам можуть протиставити абстрактні системи, які не мають прямого аналога. У абстрактних системах властивості об'єктів, які можуть існувати лише в думці дослідника, представляють символи. Це можуть бути: мови (природні і штучні), системи числень і тому подібне Ідеї, плани гіпотези і поняття, що знаходяться в процесі дослідження, можуть також бути представлені як абстрактні системи.

Природні системи - це системи, які існують реально, наприклад: механічні, біологічні, эргодические (людино-машинні). У свою чергу, штучні системи є продуктом людської праці і розуму.

Розділення систем на простих і складних є умовним. Ми відноситимемо до розряду складних систем ті, для яких характерні наступні ознаки:

- наявність великої кількості елементів, що взаємодіють між собою;

- можливість розбиття системи на підсистеми;

- складність функціонування системи;

- наявність управління (обробки потоків інформації);

- наявність взаємодії із зовнішнім середовищем і функціонування в умовах дії випадкових чинників.

Будь-яку складну систему відповідно до кібернетичного підходу до дослідження систем можна розглядати як систему управління, що складається з двох або більш за системи. При цьому одна з них є системою, що управляє, а інша керованою системою. Адаптивна система - це система, яка здатна пристосовуватися до зовнішньої дії, або, іншими словами, в якій відбувається безперервний процес навчання або самоорганізації.

Системи існують в певному довкіллі і обумовлюються нею. Відкриті системи обмінюються з довкіллям речовиною або енергією регулярним і зрозумілим чином. Ділова діяльність в основному відбувається в обстановці відкритої системи.

Протилежністю відкритим системам є закриті системи, в яких відсутня взаємодія із зовнішнім середовищем, або які діють з відносно невеликим обміном енергією або речовиною з довкіллям. Кращий приклад частково закритої системи на діловому світі - монополія, процеси і продукти якої захищені патентами або іншими засобами. Відсутність конкуренції може дозволити монополії діяти менш відкритим способом. Зроблені людиною системи є закритими, якщо вони характеризуються як повністю структуровані. Конструювання ділових систем має на меті перехід до відкритих систем. Ця мета досягається за допомогою зворотного зв'язку. Системи, зроблені людиною, можуть бути також адаптивними.

Постійна система - це природна система, але на практиці досить часто деякі штучні системи відносять до постійних систем. Стабільна система - це система, властивості якої не міняються в часі. В тому випадку, якщо зміни все-таки мають місце, то вони носять циклічний характер. Пасивні системи не надають у відповідь дії на середовище. В разі, якщо у відповідь реакція має місце, то така система є активною.

Як видно з рис. 1.4, кожна керована система у свою чергу може бути представлена системою управління що складається з систем, що управляють і керованої. Таким чином, будь-яку складну систему можна розглядати як комплекс вкладених один в одного систем управління. Образно кажучи, складна система - це «матрьошка», число, вкладень в яку залежить від цілей дослідження системи. Вони конкретно визначають, яку по рахунку керовану систему не слід далі представляти системою управління з двома складовими — що управляє і керованою.

Рисунок 1.4. Склад системи управління

Функціонування складної системи як системи управління, склад якої показаний на рис.1.4, можна представити у вигляді процесу управління, що складається з послідовності наступних чотирьох системних операцій:

- операції прогнозу;

- операції ухвалення рішення;

- операції планерування;

- операції регулювання або оперативного управління, що складається у свою чергу з операцій контролю (облік і аналіз виконання заходів плану) і дії винтересах виконання плану, що управляє.

У загальному випадку процес управління є циклічним процесом (рис. 1.5). Це означає, що кожна з чотирьох операцій може виконуватися в циклі залежно від можливостей складу системи – кількості елементів і їх властивостей, і дії довкілля.

Перший цикл - повторення операції контролю до тих пір, поки не виявлено відхилення заходів від плану. Другий цикл - в разі виявлення відхилень від плану повторюється операція дії, що управляє, потім знову виконується операція контролю. Третій цикл - повторення операції планерування - коректування старого плану так, щоб операція оперативного управління в цілому залишалася ефективною. При цьому спочатку виконується операція ухвалення рішення. Четвертий цикл - повторюється операція ухвалення рішення на розробку нового плану, якщо коректування старого плану не принесло успіху. При цьому, як правило, виконується і операція прогнозування.

Рисунок 1.5. Циклічний процес управління

Таке циклічне повторення характерне для всіх складних систем, нас що оточують. Відмінності можуть полягати лише в тій або іншій конкретній деталізації складу циклів. Тепер декілька слів про прості системи. Головною відмінною рисою простої системи є, як правило, невелика кількість елементів у складі системи і відсутність управління. При великій кількості елементів прості системи називаються великими системами.

Стан простої системи не може мінятися (структура, елементи) оскільки відсутнє управління, тобто, немає частини, що управляє. Стан простої системи змінюється лише під впливом зовнішньої системи, що управляє, коли проста система перетворюється на керовану, але не в систему управління.

На відміну від системи, що управляє, оброблювальної інформаційні потоки, проста система, перетворена в керовану, обробляє матеріальні або енергетичні потоки. На практиці такими системами є різне устаткування, кероване людьми або автоматами. Подібні системи можуть входити як елементи до складу систем управління, прикладом яких є такі складні системи як підприємства текстильної або легкої промисловості. Ці підприємства повністю відповідають визначенню складної системи, а значить, системи управління, структура якої визначається інформаційними, матеріальними і енергетичними зв'язками.

Питання для самоконтролю

1. Що таке теорія систем? Об'єкт, предмет і завдання теорії систем.

2. Який склад теоретичної і прикладної частин теорії систем?

3. Яке єство системного підходу?

4. Дайте визначення системи.

5. Як ви розумієте об'єкт, підсистему, елемент, елементарні і складені операції.

6. Що таке структура і організація системи?

7. Розкрійте поняття управління, мети, функції, функціонування і поведінки.

8. Що таке ефективність і оптимальність системи?

9.Дайте визначення таким властивостям системи як цілісність, ієрархічність і интегративность.

15.Класифікація систем і визначення кожного класу системи.

16.Що таке система управління?