Элементы общей теории систем и системной динамики

Так как каждый человек и большинство современных технических устройств, не говоря уже о процессах их взаимодействия, могут считаться некими целостными образованиями, то важно разобраться с закономерностями их строения и функционирования, с тем чтобы учесть это в последующей деятельности. Кроме того, учитывая колоссальную сложность подобных объектов, а значит — и невозможность уяснения всех их особенностей, желательно уметь выделять в них главное. Помочь этому как раз и должен материал данной главы, который будет полезен для успешного моделирования, прогнозирования и снижения рассматриваемых рисков.

Понятие и классификация систем

Прежде всего обратим внимание на следующие три момента. Во-первых, существует довольно широкий круг предметов и явлений, хотя и имеющих свои индивидуальные наименования, но часто называемых также термином «система» благодаря наличию в них совокупности сходных свойств. Во-вторых, несмотря на это, до сих пор отсутствует общепринятое определение как самой категории «система», так и ряда ее существенных характеристик, например структуры. И наконец, в-третьих, несмотря на все это, системный подход нашел довольно широкое применение во всех отраслях человеческой деятельности.

В действительности же система — это абстрактное понятие, применяемое как форма отображения той части познаваемой реальности, которая представляет собой сложные объекты, выделенные исходя из их целевого предназначения и обладающие какими-то общими и сходными свойствами. Если точнее, то под системой обычно подразумевают такую совокупность предметов-частей, объединенных общими ресурсами, связями, функциональной средой и целью существования, которая обладает свойствами, отсутствующими у образующих ее частей. Кроме элементов (условно неделимых и самостоятельно функционирующих частей) системы, в ее составе также имеются компоненты (подсистемы), состоящие из совокупности относительно однородных элементов с общими функциями и ресурсами.

Включение подобных частей в образование более высокого уровня позволяет в последующем ограничиться учетом лишь их самого существенного вклада в данную (их поглощающую) совокупность. При этом вклад, сделанный каждым конкретным компонентом, должен характеризовать его в целом, т. е. проявляться как бы интегрально. Именно поэтому подобные свойства конкретных частей системы принято называть интегральными или системообразующими, а их обобщенные свойства — интегральными характеристиками, выражаемыми соответствующими качественными или количественными показателями.

Говоря о границах, отделяющих некоторую систему от внешней среды, и способах взаимодействия между ними, отметим следующее. Под первым термином следует понимать такую поверхность пространства, внутри которой ощущается существенно большее действие тех законов или факторов композиции (притяжение, отталкивание, преобразование), которые в совокупности привели к образованию системы из ее отдельных компонентов и элементов. Это означает более явную и сильно выраженную связь между частями системы по сравнению с предметами, оказавшимися по ту сторону ее границы.

А вот взаимодействие системы со своим окружением осуществляется путем обмена потоками энергии, вещества и информации. Причем делается это не по всей границе, а лишь в отдельных областях или точках. Среди них следует выделять входы — участки поверхности системы, которые воспринимают воздействие на нее потоков внешней среды, и выходы, посредством которых уже осуществляется влияние самой системы на ее ближнее окружение.

Если подобное взаимодействие имеет многофакторную природу, то соответствующие входы и выходы следует называть обобщенными и отражать векторными характеристиками. В тех же случаях, когда имеет место заметное влияние отдельных выходов системы на какие-либо ее входы, то говорят уже об обратной связи. Такая связь может быть как положительной — способствующей росту выходных характеристик системы при увеличении входных, так и отрицательной — действующей уже в обратном направлении.

Что касается классификации систем (рис. 4.1), то в качестве оснований для их деления часто применяют происхождение (генезис) таких объектов, их состав, степень взаимодействия с окружающей средой, полноту его учета при моделировании, а также сложность системы и степень ее изменчивости в процессе функционирования.

Если использовать первый признак — происхождение, то все системы следует делить на две группы: а) реальные (естественные или искусственно созданные людьми) и б) абстрактные либо идеальные. При этом в первую группу обычно включают живые (биологические), неживые (костные) и комбинированные (например, человеко-машинные) системы, а во вторую — так называемые концептуальные, т. е. семантические, а также знаковые (семиотические).

В зависимости от состава (совокупности компонентов и элементов) среди систем различают следующие две большие группы: а) гомогенные, характеризуемые сравнительной однородностью и слабой связанностью своих внешне похожих частей (корпускул), и б) гетерогенные, образованные как бы «спаиванием» существенно отличающихся по своей природе элементов.

По степени взаимодействия с окружающей средой (возможности обмена потоками энергии, вещества и информации) все системы делятся на открытые, закрытые и изолированные. В отличие от двух последних, открытые системы обмениваются с окружением всеми этими формами проявления материи; закрытые — лишь информацией, а изолированные — ни одной из них. Более того, подавляющее число открытых систем непрерывно рассеивает часть своей свободной энергии, например в виде тепла, выделяемого в окружающую среду, а потому такие системы называют еще и диссипативными. Что касается полноты учета подобного взаимодействия при моделировании систем, то их делят на разомкнутые и замкнутые. В последнем случае исходят из возможности игнорировать либо влияние внешней среды на систему, либо, наоборот, — системы на эту среду. Подобное допущение иногда вводится для того, чтобы упростить соответствующую модель, ограничив взаимодействие системы с ее ближним окружением только выходами или входами.

Согласно признаку сложности различают три группы систем: 1) простые; 2) большие саморегулирующиеся (адаптивные) и 3) сложные саморазвивающиеся (целенаправленные и целеполагающие). При этом считается, что в системах первого класса число элементов обычно не превышает одной тысячи, все они обладают одинаковыми свойствами, связи между ними подчинены лапласовской причинности, а их совокупность исчерпывающе характеризует всю систему. Системы второй группы могут иметь блок управления с прямыми и (или) обратными связями и содержать до миллиона элементов, свойства которых могут меняться при их нахождении внутри и за пределами конкретной системы, что обусловлено различным влиянием на них внутреннего и внешнего времени. Причинность поведения таких систем уже может характеризоваться как вероятностная (стохастическая) и дополняться вполне определенной целесообразностью.

Рис. 4.1. Классификация систем Наибольшей сложностью характеризуются системы третьего класса, способные содержать до триллиона элементов, обладать иерархической уровневой самоорганизованностью, переходить с одного вида саморегуляции к другому и образовывать относительно самостоятельные подсистемы, в том числе информационно-управляющие. Целевая причинность функционирования подобных систем дополняется идеей направленного развития, а случайные флуктуации их свойств в фазе перестройки могут формировать программы-цели дальнейшего самостоятельного развития.

Общими свойствами систем двух последних классов также считаются уникальность (их аналоги заметно отличаются); слабая структурированность, разнородность и иерархичность отношений между их элементами; а также большая размерность, не позволяющая провести изучение без предварительной декомпозиции и последующего агрегирования (укрупнения) отдельных частей. Что касается самого отличительного признака сложной (в смысле исследования, а не восприятия) системы, то им является многомодельность, т. е. потребность в ансамбле соответствующих моделей и методов, означающая необходимость в междисциплинарном подходе к анализу и синтезу подобных сложных объектов.

Наконец, в зависимости от изменчивости во времени системы делятся на статические и динамические. Если первые фактически не меняют свои интегральные характеристики, то существенными признаками вторых служат: а) идентифицируемость — возможность определения способа организации системы по сигналам на ее входе и выходе; б) наблюдаемость — приспособленность для определения состояния системы по одним лишь выходным сигналам; в) управляемость — способность системы переходить из текущего состояния в желаемое за заданное время и ограниченное число управляющих воздействий.

Наиболее сложными по природе и поведению являются открытые нелинейные динамические саморазвивающиеся системы. Они характеризуются следующими основными признаками:

• а) наличие собственных источников и стоков энергии, вещества и информации;
• б) способность к усилению внутренних флуктуаций и разрастанию малого;
• в) существование порога чувствительности к возмущениям (ниже него их эффект стирается, а выше — многократно усиливается);
• г) проявление дискретности путей эволюции;
• д) наличие аттракторов — относительно устойчивых состояний, притягивающих траектории движения системы;
• е) способность функционировать в режиме с обострением, вызванным нелинейно возрастающей положительной обратной связью.

Закономерности функционирования систем последнего класса являются предметом сравнительно новой науки — нелинейной динамики (синергетики), которая исходит из того, что в исследуемых ею неравновесных процессах возникающие силы могут изменяться в направлении снижения энтропии. Вследствие этого их значимые параметры могут удаляться от термодинамического равновесия, что сопряжено с появлением у системы неустойчивости, а при наличии аттракторов — и бифуркаций, приводящих к возникновению неравновесных фазовых переходов из «хаоса» в «порядок». Наблюдаемое при этом радикальное изменение свойств системы может стать следствием даже каких-то мельчайших флуктуаций, выводящих на один из аттракторов, а потому и обрывающих горизонт прогноза ее интегральных характеристик.