Національна академія СБ України

закономірності дослідження і моделювання систем

Модуль 1. Загальна теорія систем


Київ -

2013

систем: Учеб. Пособие / В.Н.Волкова, А.А. Денисов. — М.: Высш.

шк., 2006. с. 58 – 77.


(лежащий) в основе других истин, законов, положений или движущих сил;
руководящее

положение, основное правило, установка для какой-либо деятельности;
основная особенность устройства, действия механизма, прибора, системы и т.п.
Закон:
доказанное утверждение (в рамках теории, концепции, гипотезы), объясняющее объективные факты;
устойчивая повторяющаяся связь между явлениями, процессами и состояниями тел.
Закономерность — необходимая, существенная, постоянно повторяющаяся взаимосвязь явлений реального мира, определяющая этапы и формы процесса становления, развития явлений природы, общества и культуры.

сложными, что при современном развитии науки не представляется возможным найти

универсальную теорию для их пояснения, изучения, проектирования и управления ими. Приблизиться к этому можно путем многочисленных экспериментов, наблюдений, моделирования, чтобы выявить и изучить влияние определяющих факторов на поведение рассматриваемой (или проектируемой) системы. При этом следует учитывать существенные закономерности систем.
Целью лекции является изучение основных принципов и закономерностей сложных человеко-машинных систем.

принципиальные особенности построения, функционирования и развития сложных систем.
Такие закономерности Л.

фон Берталанфи называл системными параметрами, а А.Холл – макроскопическими свойствами и закономерностями.
Закономерности систем условно разделяются на группы:
Закономерности взаимодействия части и целого;
Закономерности иерархической упорядоченности;
Закономерности осуществимости систем;
Закономерности развития систем.

правило, утрачивают часть своих свойств, присущих им вне системы, т.е.

система как бы подавляет ряд свойств элементов, но, с другой стороны, элементы, попав в систему, могут приобрести новые свойства.
Пример: из датчиков, видеокамер различного типа, мониторов, компьютеров и других компонентов состоит система охранного видеонаблюдения. При этом система, построенная из компонентов-элементов, проявляет новые свойства по сравнению со свойствами каждого из отдельно взятых элементов, а элементы утрачивают при объединении в систему часть своих свойств. Например, монитор может использоваться в различных режимах работы в разных устройствах, а став элементом системы охранного видеонаблюдения, он утратил эти возможности и сохранил только свойство работать в необходимом для этой системы режиме.

взаимоотношений системы как целого со средой (по сравнению с взаимодействием

с ней отдельно взятых элементов) и утрату элементами некоторых свойств, когда они становятся элементами системы. Эти изменения бывают настолько разительны, что может показаться, будто свойства системы вообще не зависят от свойств элементов. Поэтому необходимо обращать внимание на вторую сторону закономерности целостности.
В самом деле, если монитор вышел из строя или если поставлен датчик с другой чувствительностью, то либо система охранного видеонаблюдения вообще перестанет работать и выполнять свои функции, либо, по крайней мере, изменятся ее характеристики.

выполнения которой создается система. При этом, если цель не задана

в явном виде, а у отображаемого объекта наблюдаются целостные свойства, можно попытаться определить цель или выражение, связывающее цель со средствами ее достижения (целевую функцию, системообразующий критерий), путем изучения причин появления закономерности целостности.
В рассмотренном примере целостность определяется конструкцией системы охранного видеонаблюдения.

можно получать полезные для практики результаты путем сравнительной оценки степени

целостности систем (и их структур) при неизвестных причинах ее возникновения. В связи с этим обратимся к закономерности, двойственной по отношению к закономерности целостности. Ее называют физической аддитивностью, независимостью, суммативностью, обособленностью.
Свойство физической аддитивности проявляется у системы, как бы распавшейся на независимые элементы:

между состоянием абсолютной целостности и абсолютной аддитивности, и выделяемое состояние

системы (ее «срез») можно охарактеризовать степенью проявления одного из этих свойств или тенденций к его нарастанию или уменьшению.
Для оценки этих тенденций А.Холл ввел две сопряженные закономерности:
закономерность прогрессирующей факторизации – стремление системы к состоянию со все более независимыми элементами;
закономерность прогрессирующей систематизации – стремление системы к уменьшению самостоятельности элементов, т.е. к большей целостности.

сравнительных количественных оценок степени целостности  и коэффициента использования свойств

элементов  в целом.

как синоним целостности. Однако некоторые исследователи выделяют эту закономерность как

самостоятельную, стремясь подчеркнуть интерес не к внешним факторам проявления целостности, а к более глубоким причинам, обусловливающим возникновение этого свойства, к факторам, обеспечивающим сохранение целостности.
Интегративными называют системообразующие, системосохраняющие факторы, в числе которых важную роль играют неоднородность и противоречивость элементов, с одной стороны, и стремление их вступать в коалиции.

ее окружением – средой (значимой или существенной для системы), надсистемой,

подчиненными системами.
Закономерность коммуникативности – это сложное единство рассматриваемой системы со средой. Система не изолирована от других систем, она связана множеством коммуникаций со средой, представляющей собой, в свою очередь, сложное и неоднородное образование, содержащее надсистему (систему более высокого порядка, задающую требования и ограничения исследуемой системе), подсистемы (нижележащие, подведомственные системы) и системы одного уровня с рассматриваемой.

любой системы в виде иерархической структуры, т.е. соподчиненности элементов в

структуре.
При этом учитывается не только внешняя структурная сторона иерархии, но и функциональные взаимоотношения между уровнями: более высокий уровень оказывает направляющее воздействие на подчиненный ему нижележащий уровень и это воздействие проявляется в том, что подчиненные члены иерархии приобретают новые свойства, отсутствовавшие у них в изолированном состоянии, а в результате появления этих свойств формируется новый «облик целого», приобретается способность осуществлять новые функции, в чем и состоит цель образования иерархий.

полезности их использования в качестве моделей системного анализа:
Каждый уровень иерархической

упорядоченности имеет сложные взаимоотношения с вышестоящим и нижележащим уровнями, т.е. обладает свойством «двуликого Януса»: «лик», направленный в сторону нижележащего уровня, имеет характер автономного целого (системы), а «лик», направленный к узлу (вершине) вышестоящего уровня, проявляет свойства зависимой части (элемента вышестоящей системы).

более высокого уровня по сравнению с объединяемыми компонентами нижележащего) проявляется

в иерархической упорядоченности на каждом уровне иерархии. При этом объединение элементов в каждом узле иерархической структуры приводит не только к появлению новых свойств у узла и утрате объединяемыми компонентами свободы проявления некоторых своих свойств, но и к тому, что каждый подчиненный член иерархии приобретает новые свойства, отсутствовавшие у него в изолированном состоянии.
Благодаря этой особенности с помощью иерархических представлений можно исследовать системы и проблемные ситуации с неопределенностью.

можно исследовать системы и проблемные ситуации с неопределенностью.
При использовании иерархических

представлений как средства исследования систем с неопределенностью происходит как бы расчленение «большой» неопределенности на более «мелкие», лучше поддающиеся исследованию. При этом даже если эти “мелкие неопределенности” не удается полностью раскрыть и объяснить, то все же иерархическое упорядочение частично снимает общую неопределенность, обеспечивает, по крайней мере, управляемый контроль за принятием решения, для которого используется иерархическое представление.

же система может быть представлена разными иерархическими структурами.
Это зависит:
а)

от цели (разные иерархические структуры могут соответствовать разным формулировкам цели);
б) от предыстории развития лиц, формирующих структуру (опыта).
Таким образом, на этапе структуризации системы (или ее цели) можно (и нужно) ставить задачу выбора варианта структуры для дальнейшего исследования или проектирования системы, для организации управления технологическим процессом, предприятием, проектом и т.д. Для того чтобы помочь в решении подобных задач, разрабатывают методики структуризации, методы оценки и сравнительного анализа структур.

Эквифинальность – «способность в отличие от состояния равновесия в закрытых

системах, полностью детерминированных начальными условиями, ...достигать не зависящего от времени состояния, которое не зависит от ее начальных условий и определяется исключительно параметрами системы» (Л. фон Берталанфи)
Потребность во введении понятия эквифинальности возникает начиная с некоторого уровня сложности систем. Закономерность заставляет задуматься о предельных возможностях создаваемых предприятий, организационных систем управления отраслями, регионами, государством.

с проблемой D, решение которой для него неочевидно, то имеет

место некоторое разнообразие возможных решений VD. Этому разнообразию противостоит разнообразие мыслей ЛПР VN.
Задача ЛПР заключается в том, чтобы свести разнообразие VD – VN к минимуму, в идеале (VD – VN)  0.
Эшби доказал теорему, на основе которой сформулировал следующий вывод:
«Если VD дано постоянное значение, то VD – VN может быть уменьшено лишь за счет соответствующего роста VN. ... Говоря более образно, только разнообразие в N может уменьшить разнообразие, создаваемое в D; только разнообразие может уничтожить разнообразие»..

обладающей определенным, известным разнообразием (сложностью), нужно обеспечить, чтобы система имела

еще большее разнообразие (знания методов решения), чем разнообразие решаемой проблемы, или была способна создать в себе это разнообразие (владела бы методологией, могла разработать методику, предложить новые методы решения проблемы).
Применительно к системам управления:
разнообразие управляющей системы Vsu должно быть больше разнообразия управляемого объекта Vоu:
Vsu  Vоu.

(за счет роста численности аппарата управления, повышения его квалификации, механизации

и автоматизации управленческих работ) и уменьшение Vоu (за счет установления более четких и определенных правил поведения компонентов системы: унификации, стандартизации, типизации, введения поточного производства, сокращения номенклатуры деталей, узлов, технологической оснастки и т.п.).
Снижение уровня требований к управлению, т.е. сокращение числа постоянно контролируемых и регулируемых параметров управляемой системы.
Самоорганизация объектов управления. Создание саморегулирующихся подразделений: цехов, участков с замкнутым циклом производства, с относительной самостоятельностью и ограничением вмешательства централизованных органов управления предприятием и т.п.

количественных показателей надежности, помехоустойчивости, управляемости и др. качеств системы можно

получить количественные оценки порогов осуществимости систем с точки зрения того или иного качества, а объединяя качества – предельные оценки жизнеспособности и потенциальной эффективности сложных систем. Например, Б.С.Флейшман связывает сложность структуры системы со сложностью поведения и предлагает математические выражения для количественной оценки предельных свойств (качеств) системы.

их изменения во времени.
Закономерность историчности. Любая система не может быть

неизменной: она не только возникает, функционирует, развивается, но и погибает. Время является непременной и важнейшей характеристикой системы, поэтому каждую систему следует рассматривать с временных позиций. Каждая система подчиняется объективной закономерности историчности, в основе которой лежат внутренние проти­воречия между компонентами системы.
Закономерность историчности можно учитывать не только пассивно фиксируя старение, но и использовать для предупреждения «смерти» системы, разрабатывая «механизмы» реконструкции, реорганизации системы для сохранения ее в новом качестве.

1-й, 2-й очереди и т.д.). Рекомендуется примерно в середине «жизненного цикла»

разработки предшествующей очереди развития КСЗИ начинать концептуальное проектирование и формирование технического задания на проектирование последующей очереди КСЗИ.
При создании сложных технических комплексов предлагают корректировать технический проект с учетом старения идеи, положенной в его основу, уже в процессе проектирования и создания системы; рекомендуют в процессе проектирования рассматривать не только вопросы создания и обеспечения развития системы, но и вопрос о том, когда и как ее нужно уничтожить.

или какой-либо иной процесс, ведущий к образованию новых, зара­нее неизвестных

свойств и качеств системы.
Все живые и не­живые системы обретают свою форму, структуру, системные свойства и функции с помощью самоорганизации. Особенно наглядно проявляется самоорганизация гуманитарных систем: семья, трудовой коллектив, предприятие, поселок, город, государство, человече­ская цивилизация - это самоорганизующиеся системы.
Самоорганизующиеся системы обладают способностью противостоять энтропийным (возрастанию хаоса) тенденциям, адаптироваться к изменяющимся условиям, преобразуя при необходимости свою структуру, функции и т.п.

на сочетании в любой реальной развивающейся системе двух противоречивых тенденций

(«дуализм»):
с одной стороны, для всех развивающихся, открытых систем справедлив второй закон термодинамики - стремление к возрастанию энтропии (меры неопределенности состояний системы, меры хаоса);
с другой стороны, наблюдаются негэнтропийные тенденции (устранение неопределенности – убывание энтропии), лежащие в основе эволюции.
В становление этой закономерности большой вклад внес А.Г.Ивахненко, разработавший теорию самоорганизации применительно к техническим системам.
Важные результаты в понимании закономерности самоорганизации получены в исследованиях, которые относят к развивающейся науке, называемой синергетикой.

явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических,

экологических, социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации
(«комплекс наук о возникающих системах» И.Рогожин)
С позиций синергетики сложные системы характеризуются:
огромным количеством неоднородных компонентов;
активностью (целенаправленностью) компонентов;
огромным количеством различных взаимосвязей между компонентами, которые слабо формализуемы;
кооперативным поведением компонентов;
открытостью;
распределенностью;
динамизмом;
способность к обучению и самообучению, наличием эволюционного потенциала;
неопределенность параметров внешней среды и т.д.

упорядоченных структур различной природы в процессах взаимодействия, когда исходные системы

находятся в неустойчивых состояниях.
Синергетика не отрицает возможности спонтанного возникновения порядка из хаоса - важнейший момент процесса самоорганизации в сложной системе.
Основные принципы синергетического подхода в науке о сложных системах:
Принцип дополнительности Н.Бора. В сложных системах возникает необходимость сочетания разных, ранее казавшимися несовместимыми, а в настоящее время взаимодополняющих друг друга моделей и методов описания.

особые критические состояния, когда даже незначительные флюктуации могут внезапно привести

к появлению новых структур, полностью отличающихся от первоначальных (в частности, это может привести к катастрофическим последствиям - эффекту «снежного кома» или эпидемии).
Принцип несовместимости Л.Заде. При росте сложности системы уменьшается возможность ее точного описания вплоть до некоторого порога, за которым точность и релевантность (степень смыслового соответствия) информации становятся несовместимыми характеристиками.

от борьбы с неопределенностью к управлению этой неопределенностью. Разные виды

неопределенности должны преднамеренно вводиться в модель исследуемой системы, поскольку они служат фактором, благоприятным инновациям (системным мутациям).
Принцип незнания. Знания о сложных системах принципиально являются неполными, неточными и противоречивыми: они обычно формируются не на основе логически строгих понятий и суждений, а исходя из индивидуальных мыслей и коллективных идей. Поэтому в подобных системах важную роль играет моделирование частичного знания и незнания.

характеру информации, известной о ней (уровню знаний или неопределенности). Точные

логико-математические, синтаксические модели не являются универсальным языком. Также важны нестрогие, приближенные, семиотические модели и неформальные (эвристические) методы. Один и тот же объект может описываться семейством языков разной строгости.
Принцип разнообразия путей развития. Развитие сложной системы многовариантно и альтернативно, существует множество путей ее эволюции. Переломный критический момент неопределенности будущего развития сложной системы связан с наличием зон бифуркации (разветвления) возможных путей эволюции системы.

сложной системы проходит через неустойчивость, хаос не только разрушителен, но

и конструктивен. Организационное развитие сложных систем предусматривает своего рода конъюнкцию порядка и хаоса.
Принцип колебательной (пульсирующей) эволюции. Процесс эволюции сложной системы носит не поступательный, а циклический или волновой характер: он сочетает в себе дивергентные (рост разнообразия) и конвергентные (свертывание разнообразия) тенденции, фазы зарождения порядка и поддержки порядка. Открытые сложные системы пульсируют: дифференциация изменяется интеграцией, разбегание – сближением, ослабление связей – их усилением и т.п.

сознательного или бессознательного стремления субъекта;
конечный результат, на который преднамеренно

направлен процесс;
«доведение возможности до её полного завершения».
Цель отвечает на вопрос «Чего нужно достигнуть?»
Целеобразование — процесс порождения новых целей в деятельности человека, одно из проявлений мышления.

цели от стадии познания объекта (процесса) и от времени. Формулируя

цель, нужно стремиться отразить в формулировке или в способе представления цели основное противоречие: ее активную роль в познании, в управлении, и в то же время необходимо сделать ее реалистичной, направить с ее помощью деятельность на получение определенного полезного результата. При этом формулировка цели и представление о цели зависят от стадии познания объекта, и по мере развития представления о нем цель может переформулироваться.

факторов. При анализе причин возникновения и формулирования целей нужно учитывать,

что на цель влияют как внешние по отношению к системе факторы (внешние требования, потребности, мотивы), так и внутренние (потребности, мотивы, программы самой системы и ее элементов, цели исполнителей).
Цели могут возникать на основе взаимодействия противоречий или коалиций как между внешними и внутренними факторами, так и между внутренними факторами, существующими ранее и вновь возникающими в находящейся в постоянном самодвижении целостности.

обобщающей (общей, глобальной) цели к задаче ее структуризации. Глобальная цель

в сложных системах первоначально возникает в сознании руководителя или иного ЛПР не как единичное понятие, а как некоторая, достаточно «размытая» область целей. Поэтому для ее понимания требуется провести структуризацию или декомпозицию цели.
Структурированные цели часто представляют графически в виде "дерева" целей, отображающего связи между ними и средства их достижения.
Структура цели, коллективно формируемая, помогает достичь одинакового понимания общей цели всеми ЛПР и исполнителями.

объекта. Цели могут представляться в форме различных структур:

удобнее применять декомпозицию в пространстве, и предпочтительнее древовидные иерархические структуры.

Представление развернутой последовательности подцелей в виде сетевой модели требует хорошего знания объекта, законов его функционирования, технологии производства и т.п. Такое представление может быть использовано и как средство управления, когда руководитель хорошо представляет себе конечную цель и ее декомпозицию во времени.
Перспективным представляется развертывание во времени иерархических структур целей, т.е. сочетание декомпозиции цели в пространстве и во времени.

иерархической структуре закономерность целостности (эмерджентности) проявляется на любом уровне иерархии.

Применительно к структуре целей это означает, что, с одной стороны, достижение цели вышестоящего уровня не может быть полностью обеспечено достижением подчиненных ей подцелей, хотя и зависит от них, а, с другой стороны, потребности, программы (как внешние, так и внутренние) нужно исследовать на каждом уровне структуризации, и получаемые разными ЛПР расчленения подцелей в силу различного раскрытия неопределенности могут оказаться разными, т.е. разные ЛПР могут предложить разные иерархические структуры целей и функций, даже при использовании одних и тех же принципов структуризации и методик.

способом представления целей в системах организационного управления являются древовидные иерархические

структуры («деревья целей»).
Основные рекомендации по их формированию:
приемы, применяющиеся при формировании древовидных иерархий целей, сводятся к двум подходам:
а) формирование структур «сверху» - методы структуризации, декомпозиции, целевой или целенаправленный подход;
б) формирование структур целей «снизу» - морфологический, лингвистический, тезаурусный, терминальный подход;

средства для достижения целей вышестоящего уровня, при этом они же

являются целями для уровня нижележащего по отношению к ним;
в иерархической структуре по мере перехода с верхнего уровня на нижний происходит как бы смещение «шкалы» от цели-направления (цели-идеала, цели-мечты) к конкретным целям и функциям, которые на нижних уровнях структуры могут выражаться в виде ожидаемых результатов конкретной работы с указанием критериев оценки ее выполнения, в то время как на верхних уровнях иерархии указание критериев может быть выражено в общих требованиях (типа, «повысить эффективность», «улучшить работу» и т.п.);

для анализа и организации управления, к ней рекомендуется предъявлять некоторые

требования:
расчленение на каждом уровне должно быть соразмерным, а выделенные части логически независимыми;
признаки декомпозиции (структуризации) в пределах одного уровня должны быть едиными;
число уровней иерархии и число компонентов в каждом узле должно быть (в силу гипотезы Миллера или числа Колмогорова) К = 7 ± 2;

в принципе, может быть бесконечным, однако на практике ситуация иная:
во-первых,

в силу гипотезы Миллера число уровней иерархии следует ограничить до 5-7;
во-вторых, на каком-то уровне возникает потребность изменить «язык» описания подцелей, и для того, чтобы не создавать сложностей при восприятии структуры, целесообразно считать одним «деревом цели» ту часть структуры, которая может быть сформирована в терминах одного «языка» (политического, экономического, инженерного, технологического и т.п.).

вариант сложной системы, который обладает наименьшей сложностью. Закон реализуется природой

в ряде конструктивных принципов:
иерархического модульного построения сложных систем;
симметрии,
равномощности и однородности,
взаимодействия через носители,
экстремальной неопределенности (функции распределения характеристик и параметров, которые имеют неопределенные значения, имеют экстремальную неопределенность).

между системами, их частями и элементами имеют конечную скорость распространения.

Ограничивается также скорость изменения состояний элементов системы. Автором закона является А.Эйнштейн.
Теорема Гёделя о неполноте. В достаточно развитых теориях (включая арифметику) всегда существуют недоказанные истинные высказывания. Поскольку сложные системы включают у себя (реализуют) элементарную арифметику, то при выполнении вычислений в ней могут возникнуть тупиковые ситуации (зависания).

сложности системы количество вариантов ее построения, близких к оптимальному, возрастает.
Закон

Онсагера максимизации убывания энтропии. Если число всевозможных форм реализации процесса, согласно законам физики, не единственно, то реализуется та форма, при которой энтропия системы растет наиболее медленно, т.е. реализуется та форма, в которой максимизируется уменьшение энтропии или ростет количество информации, содержащейся в системе.

об изучаемой или проектируемой системе, позволяет разрабатывать рекомендации по совершенствованию

организационных систем, методик системного анализа.
Исследование глубинных причин самоорганизации, самодвижения целостности показывает, что основой рассматриваемой закономерности является диалектика части и целого в системе. Оценка степени целостности помогает найти точку начала снижения эффективности функционирования системы, в которой целесообразен переход на новый уровень эквифинальности.
В качестве закономерностей целеобразования выступают закономерности возникновения и формулирования целей и закономерности формирования структур целей в сложных человеко-машинных системах.

эмерджентности?
Чем характеризуется интегративность системы?
Что характеризует коммуникативность системы?
Что означает иерархическая упорядоченность

системы и в чем проявляются ее основные особенности?
Что характеризует эквифинальность системы?
В чем заключается суть закона необходимого разнообразия?
Как проявляется закономерность историчности системы?
Как проявляется закономерность самоорганизации системы?
Сформулировать основные принципы синергического подхода в современной науке.

внутренних факторов?
В каких формах можно представить структуру целей?
Как проявляется в

структуре целей закономерность целостности?
По каким правилам формируется иерархическая структура целей?