3. Тематическое содержание дисциплины
1. Понятие и типы систем. Виды и формы представления структур
Цель: Выработать понятийный аппарат дисциплины. Дать представление о системе управления и принципе обратной связи. Познакомить с различными видами и формами представления структур, позволяющих производить декомпозицию системы как в пространстве, так и во времени.
Основные положения темы: Введение в системный анализ. Понятия, характеризующие структуру систем (система, элемент, подсистема, внешняя среда, связь, взаимодействие, структура, модель). Понятия, характеризующие функционирование систем (состояние, поведение, движение, вход, выход, ограничение, равновесие, устойчивость, цель, развитие, управление, процессы, переходный процесс). Принципы и закономерности функционирования систем: принципы физичности, моделируемости, целенаправленности; закономерности взаимодействия части и целого, иерархической упорядоченности, осуществимости систем, развития систем. Управляемость, достижимость, устойчивость. Понятие о системе управления. Принцип «обратной связи».
Сетевые структуры. Иерархические структуры, «сильные» и «слабые» связи. Многоуровневые иерархические структуры: страты, слои, эшелоны. Матричные структуры. Структуры смешанные и с произвольными связями.
Краткий теоретический материал по теме. Основные понятия и определения.
Существует множество определений понятия системы. Основоположник теории систем Людвиг фон Берталанфи определял систему как комплекс взаимодействующих элементов или как совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой. Наиболее полным, учитывающим такие важные составляющие любого материального объекта, как элемент, связь, взаимодействие и целеполагание, является определение, предложенное А.С.Малиным и В.И.Мухиным. «Система – множество составляющих единство элементов, их связей и взаимодействий между собой и между ними и внешней средой, образующих присущую данной системе целостность, качественную определенность и целенаправленность».
Элемент – неделимая часть системы, обладающая самостоятельностью по отношению к данной системе.
Подсистема – более крупный компонент, чем элементы, и в то же время более детальный, чем система в целом. Подсистема включает в себя совокупность взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы.
Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы. Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом).
Структура системы – совокупность элементов системы и связей между ними.
Внешняя среда – это набор существующих в пространстве и во времени объектов (систем), которые, как предполагается, действуют на систему.
Модель – описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.
Функционирование системы определяется следующими понятиями.
Состояние системы – совокупность состояний ее n элементов и связей между ними. Под понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы.
Поведение системы – множество последовательных во времени состояний системы.
Движение системы – процесс последовательного изменения ее состояния.
Входы системы хi – различные точки приложения влияния (воздействия) внешней среды на систему.
Выходы системы yi – различные точки приложения влияния (воздействия) системы на внешнюю среду.
Ограничения системы – то, что определяет условия ее функционирования (реализацию процесса). Ограничения бывают внутренними и внешними. Одним из внешних ограничений является цель функционирования системы. Примером внутренних ограничений могут быть ресурсы, обеспечивающие реализацию того или иного процесса.
Равновесие – способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго.
Устойчивость – способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий.
Цель – субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния системы. Другими словами, положение дел, к которому необходимо стремиться.
Развитие – есть реализация сущности системы, заложенного в ней потенциала. Критериями развития являются увеличение порядка системы, рост организованности, увеличение информации, снижение энтропии. Если рассматривать жизненный цикл системы, то развитие есть первый его этап. Далее следуют стабилизация («зрелость») и деградация (упадок) системы. Однако не стоит забывать и тот факт, что «организации и люди развиваются с помощью кризисов» (Зеро Воутилайнен).
Управление – воздействие на объект (систему, подсистему, отдельный элемент) с целью достичь желаемых свойств его поведения.
Процессы системы – совокупность последовательных изменений состояния системы для достижения цели.
Процесс целенаправленного воздействия на систему, при котором происходит повышение ее организованности, достигается тот или иной полезный эффект, называется управлением. Системы, в которых протекают процессы управления, называются системами управления (СУ).
Система, формирующая управляющее воздействие, называется управляющей подсистемой (например, водитель). Система, которая испытывает внешнее воздействие, называется управляемой подсистемой или объектом управления (например, автомобиль).
Рис.1.1. Структура системы управления
Связь от управляющей подсистемы к управляемой называется прямой. Она существует во всех СУ. Связь от управляемой подсистемы к управляющей называется обратной. Понятие «обратной связи» является фундаментальном в теории систем. Обратная связь подразумевает наличие канала для передачи информации (воздействия) от управляемого объекта (с его выходов) к управляющему.
Выделяют три основных вида систем управления:
технические – это системы, которые содержат в качестве элементов технические устройства и могут в течение некоторого интервала времени функционировать без участия человека (например, автоматические линии на производствах);
эргатические – это системы, которые включают в качестве элементов как технические системы, так и людей, взаимодействующих с этими системами (например, «ЭВМ - пользователь», «самолет - летчик»);
организационные – это система, состоящая из коллектива людей (студенческая группа, коллектив предприятия, население страны и т.д.) как объекта управления и управляющей подсистемы. Примеры организационных систем управления: СУ предприятиями, войсками, отраслями промышленности, государствами. Такой тип систем является наиболее сложным для исследования.
Особенности каждого типа систем управления можно проиллюстрировать на основании трех характеристик: присутствие или отсутствие человека в контуре управления; количество и определенность целей управления; возможность формализации процессов функционирования системы.
Структурные представления могут являться средством исследования систем. Выделяют сетевые, иерархические, матричные, смешанные структуры и структуры с произвольными связями.
Сетевая структура, или сеть, представляет собой декомпозицию системы во времени.
Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве. Все компоненты (вершины, узлы) и связи (дуги, соединения узлов) существуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени).
Структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня подчинен одному узлу (одной вершине) вышестоящего (и это справедливо для всех уровней иерархии), называют древовидными структурами, структурами типа «дерево», структурами, на которых выполняется отношение древесного порядка, иерархическими структурами с «сильными» связями.
Матричная структура – в первоначальном значении математическое понятие. Однако в последующем оно стало использоваться в более широком смысле для отображения многомерного представления сложных систем, как эквивалент табличной формы.
Смешанные иерархические структуры с вертикальными и горизонтальными связями. В реальных системах организационного управления (особенно на уровне региона, государства) могут быть использованы одновременно несколько видов иерархических структур – от древовидных до многоэшелонных. Такие иерархические структуры можно назвать смешанными.
Структуры с произвольными связями. Этот вид структур обычно используется на начальном этапе познания объекта, новой проблемы, когда идет поиск способов установления взаимоотношений между перечисляемыми компонентами, нет ясности в характере связей между элементами, и не могут быть определены не только последовательности их взаимодействия во времени (сетевые модели), но и распределение элементов по уровням иерархии.
Самостоятельная работа.
Самостоятельное изучение разделов темы: принципы и закономерности функционирования систем: принципы физичности, моделируемости, целенаправленности; закономерности взаимодействия части и целого, иерархической упорядоченности, осуществимости систем, развития систем. Управляемость, достижимость, устойчивость.
Подготовка к практическим работам: сетевая структура; иерархическая структура.
Рекомендуемая литература по теме: /1/, гл.1, /2/, п.1.1, 1.2, 1.4, /6/, с.26, 103, 105-112, 137, 193, 215, 397, 413, 419-423, 441-444, 453-454, 465-474, 514-516, 519-547, 556-559, 587, 601, /7/, с.7-40, 180-205, 599, 613-614, 624, 656-660, 671-676, 676, 694-708, 735-738, 742-764, 818-821, /8/, гл.1, /9/, п.1.1, 1.2, /3/, с.9-12, c.26-45, с.81-86, /23/, гл.1-2, /24/, гл.1.
Вопросы для самоконтроля:
В чем состоит междисциплинарное назначение системного анализа?
Дайте определение понятию «система».
Дайте определение понятию «система управления».
В чем сущность принципа «обратной связи»?
Какие понятия характеризуют структуру систем?
Какие понятия характеризуют функционирование систем?
Чем отличается дескриптивное определение от конструктивного определения системы?
Какие структуры отражают декомпозицию системы в пространстве?
Какие структуры отражают декомпозицию системы во времени?
Где могут применяться сетевые структуры?
Где могут применяться иерархические структуры?
Где могут применяться матричные структуры?