Новосельцев В.И. Системный анализ: современные концепции

Подождите немного. Документ загружается.

организации живой природы: молекулярный, клеточный, тканевый, организ-

менный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный. Кроме

того, иногда сюда включают ноосферный уровень (уровень коллективного ра-

зума). В этой иерархии белковые молекулы являются элементами клеток. В

свою очередь, клетки представляют собой элементы тканей, ткани – организ-

мов, организмы – популяций, популяции – биогеоценозов. Различные биогео-

ценозы образуют биосферу в целом. Для этой иерархии характерным является

то, что каждому последующему уровню свойственны свои особые закономер-

ности, не сводимые к закономерностям предыдущего, низшего уровня. Помимо

этого, между всеми смежными уровнями существуют отношения соподчине-

ния. Так, белковые молекулы не только образуют клетки, но формируют их

функции. В свою очередь, клетки определяют характер межмолекулярных

взаимодействий. Аналогичная по существу картина наблюдается на организ-

менном уровне: клетки и ткани не только образуют организмы, но формируют

их функции, а организмы влияют на работу клеток и тканей. Достаточно нару-

шить какую–либо часть организма, как происходит перестройка в функциони-

ровании каждой отдельной клетки.

Для социальных систем также характерно иерархическое многоуровневое

построение. Каждая социальная система, например государство, может рас-

сматриваться с точки зрения внешней и внутренней политики, экономики, обо-

роны, национальных особенностей, религии, физико-географических и клима-

тических условий, принятых правовых норм и других. По терминологии, ис-

пользуемой в системном анализе, – это страты. Помимо этого, государству при-

суще эшелонированное строение: государство в целом, республики, края, об-

ласти, районы и т.п. Эти уровни существуют не сами по себе, а связаны отно-

шениями соподчинения. Так, политикой в значительной мере определяется

экономика данного государства, но одновременно экономика формирует линию

поведения высшего политического руководства. В свою очередь, экономикой

определяется развитие оборонного комплекса государства, а оборонный ком-

плекс может стимулировать развитие экономики.

Знание иерархии выступает следующим шагом познания изучаемой

системы и позволяет ответить на вопросы: «Из каких уровней (страт,

слоев, эшелонов) состоит данная система? Какие подсистемы и эле-

менты образуют каждый уровень и как они соподчинены?».

Следует особо подчеркнуть, что иерархический принцип построения

систем вовсе не означает жесткого, беспрекословного подчинения низ-

шего высшему. Каждый низший по иерархии компонент системы дол-

жен обладать определенной свободой в выборе своего поведения, сооб-

разуясь не только с системными интересами, но и исходя из своих

внутренних потребностей. Именно такая свобода есть имманентный

фактор развития систем и основное условие, открывающее дорогу их

эволюции. Другими словами, иерархия – это планомерное сотрудниче-

ство более организованных частей системы с ее менее организованны-

ми частями, направленное на их совместное совершенствование.

Морфологией системы (от греч. morphe – форма + logos – понятие)

называется совокупность компонентов системы с указанием отноше-

ний и связей между ними. Иначе, морфология – это характеристика

системы, отражающая ее состав, иерархию и связи, реализующие от-

ношения, между уровнями и компонентами. Морфологическое строе-

ние систем обычно отображается в виде достаточно сложных схем и

формализованных описаний, способы построения которых рассматри-

ваются в специальной литературе (см., например, [Кузнецов, 1994]).

При разработке морфоло-

гических описаний систем

особое внимание уделяется

так называемым обратным

связям. Обратная связь –

это влияние результатов

функционирования систе-

мы на характер самого

функционирования. Прин-

цип действия обратной свя-

зи поясняется схемой, приведенной на рис. 3.3. На этой схеме симво-

лами обозначены: X(t) – входное воздействие, ξ(t) – отклоняющее воз-

действие, Y(t) – выход (реакция) системы, F – оператор преобразования

входного и отклоняющего воздействий в реакцию, X

(t) – выход обрат-

ной связи, Y

(t) – вход обратной связи, F

– оператор обратной связи.

Для простоты будем считать, что Y

(t) = Y(t), то есть вход обратной

связи есть выход системы. Тогда можно записать: Y (t) = F[X(t), ξ(t),

(t)], но X

(t) = Fo[Y(t)], а следовательно, Y(t) = F{X(t), ξ(t), F

[Y(t)]},

что означает: при наличии обратной связи выход системы (ее реакция)

определяется не только входными и отклоняющими воздействиями, но

характером действия обратной связи.

По характеру своего действия обратные связи подразделяются на от-

рицательные и положительные (рис. 3.4). Отрицательные обратные

связи стремятся возвратить систему в устойчивое состояние после от-

клоняющих воздействий и составляют основу так называемых адап-

тивных механизмов функционирования систем любой природы. При-

мером отрицательных обратных связей может служить реакция орга-

низма на изменение температуры окружающего воздуха. Наличие по-

ложительной обратной связи не устраняет возникающих в системе из-

(t)

X(t) Y(t)

(t) Y

(t)

Рис. 3.3. Иллюстрация принципа обратной связи.

менений после отклоняющих воздей-

ствий, а напротив, приводит к еще бо-

лее сильному отклонению системы от

своего устойчивого состояния. При-

мер положительных обратных связей

– падающий со склона горы камень,

который способен вызвать целую ла-

вину. Как положительные, так и отри-

цательные обратные связи бывают де-

терминированными и случайными,

стабильными и нестабильными, со-

средоточенными (кумулятивными) и

рассредоточенными, запаздывающи-

ми и опережающими, усиливающими

и ослабляющими (компенсирующи-

ми), транслирующими и преобразую-

щими. Содержательная сторона пере-

численных типов обратных связей

очевидна из их названий. Комбиниру-

ясь и наполняясь конкретным содер-

жанием, обратные связи образуют

бесконечное множество механизмов,

которые формируют целостные свойства систем, а также определяют

характер их поведения.

Целевое регулирование обратных связей есть управление поведени-

ем системы

. Это значит, что путем организации новых обратных свя-

зей и исключением действующих обратных связей, а так же изменени-

ем их характера действия и точек подключения можно формировать

потребные свойства системы и устанавливать нужную траекторию ее

движения. Так, например, если в какой-либо экономической системе

начинают лавинообразно развиваться инфляционные процессы, то это

свидетельствует о возникновении в ней положительных обратных свя-

зей кумулятивного характера. Прекратить развитие такого процесса

можно за счет организации новых отрицательных обратных связей

компенсаторного типа. На практике эта операция выливается в ком-

Управление (здесь и далее) понимается в широком смысле – как воздействие управляющей

подсистемы на управляемый процесс с целью сохранения существующего состояния или его пе-

ревода из одного состояния в другое, независимо от того, происходит ли это в природе или в

общественной жизни. Философские аспекты понятия управления подробно обсуждаются в

[Крушанов, 1985].

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ

ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ

СЛУЧАЙНЫЕ

СОСРЕДОТОЧЕННЫЕ

РАССРЕДОТОЧЕННЫЕ

УСИЛИВАЮЩИЕ

ОСЛАБЛЯЮЩИЕ

ОПЕРЕЖАЮЩИЕ ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ

ТРАНСЛИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ

СТАБИЛЬНЫЕ НЕСТАБИЛЬНЫЕ

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ

Рис. 3.4. Классификация обратных

св

зей.

плекс серьезных финансово-экономических и социальных мероприя-

тий по сокращению оборотной денежной массы, перераспределению

инвестиционных финансовых потоков, снижению уровня централиза-

ции управления экономикой и т.п.

Присутствие в изучаемом явлении обратных связей нарушает линейную

причинно-следственную логику его анализа. В таком явлении причина стано-

вится следствием и, наоборот, следствие становится причиной. Непонимание

такой взаимосвязанности зачастую приводит к постановке вопросов типа «что

первично – курица или яйцо» или к возникновению парадоксов, подобных па-

радоксу «лжеца». На эту особенность природных и общественных явлений ука-

зывал еще Сократ. Он говорил, что, следуя формальным правилам логики,

можно в любом споре одинаково строго доказать как прямое, так и обратное

утверждение. Ошибка заключена не в самой логике, а во взаимосвязанной сущ-

ности предмета спора. Для того чтобы правильно ставить и решать взаимосвя-

занные проблемы, необходимо направить логику рассуждений не на победу в

споре, а на познание истинного характера связей обратного влияния сущностей,

составляющих предмет спора. Следуя Сократу, системные аналитики считают

некорректными вопросы типа: «Что первично – бытие или сознание?». Для сис-

темного аналитика такие понятия как «бытие», «сознание», «материя», «душа»,

«дух» не являются предметами политической борьбы или идеологической спе-

куляции. Они выступают как различные, но причинно взаимосвязанные уровни

одного и того же явления – жизни. А потому подлежат не противопоставлению,

а совместному изучению модельными, экспериментальными и другими дос-

тупными способами. При этом важно, что ситуация причинно-следственной

инверсии свидетельствует о существовании в изучаемом объекте самооргани-

зующихся процессов, иначе – там, где «не работает» линейная причинно-

следственная логика, следует ожидать самоорганизацию.

Физически прямые и обратные связи реализуются в виде контура

управления. Это понятие приобретает в теории системного анализа

фундаментальное значение, а потому заслуживает детального рассмот-

рения. В простейшем варианте контур

управления состоит из четырех ком-

понентов: управляемого объекта (Р),

решателя (R), исполнителя (D) и ин-

форматора (К), связанных так, как по-

казано на рис. 3.5.

В качестве управляемого объекта в

социальных системах рассматривают-

ся производственные, технологиче-

ские, научные, учебные и другие про-

цессы. В биологических системах –

это процессы добывания пищи, раз-

V I

Рис. 3.5. Элементарный контур

управления.

множения, поиска места обитания и т.п. В физических системах управ-

ляемыми объектами выступают процессы взаимодействия вещества,

энергии и информации, обусловливающие движение систем. В любом

случае управляемый объект – это основной процесс, то есть процесс,

связанный с предназначением системы.

Исполнителями называются компоненты, основная функция кото-

рых состоит в непосредственном воздействии на управляемый процесс.

Решатели – это компоненты, которые на основе поступающей к ним

осведомительной информации (I

) принимают решения и вырабатыва-

ют распорядительную информацию (I

). Эта информация в виде ко-

манд и распоряжений доводится до исполнителей и преобразуется в

воздействия (V), которые изменяют состояние управляемого процесса

согласно принятому решению. Информаторами называются компонен-

ты, основная функция которых состоит в добывании первичной ин-

формации о состоянии управляемого процесса (I

), ее обработке и пре-

образовании в осведомительную информацию, а также в доведении

этой информации до решателя.

При анализе социальных и биологических систем названные компоненты

выделяются сравнительно легко. Иная ситуация складывается при изучении

физических систем. Для большинства из них пока не найдены «решатели»,

«информаторы», «исполнители» и, соответственно, не ясна структура контуров

управления. В теоретической физике изучаемые системы моделируются так,

как будто бы они движутся сами по себе (без управления), подчиняясь лишь

определенным принципам. Так, например, предполагается, что движение меха-

нических систем происходит согласно принципу Гамильтона. Траектория дви-

жения термодинамической системы определяется вторым началом термодина-

мики [Пригожин, 1983]

. При этом считается, что отклонения от заданных тра-

екторий вызваны действием случайных факторов. Утверждение сомнительное.

Как будет показано далее (см. главы 6, 7), характер движения систем обуслов-

лен не столько случайными, сколько конфликтными факторами.

В зависимости от того, каким образом реализуются связи между

компонентами системы, контур управления может быть замкнутым

или разомкнутым. Замкнутый контур реализует управление по состоя-

нию управляемого процесса, то есть система управления реагирует на

изменения, происходящие в управляемом процессе. В случае разомк-

нутого контура система управления может реагировать на все что

угодно, только не на состояние управляемого процесса. В социальных

Принцип Гамильтона утверждает, что механические системы в своем движении следуют тра-

ектории, на которой действие за конечный интервал времени минимально. Согласно второму

началу термодинамики закрытые термодинамические системы стремятся в своем движении к со-

стоянию с максимальной энтропией, а открытые – стремятся наикратчайшим путем прийти к со-

стоянию с наименьшим производством энтропии.

системах размыкание контура происходит чаще всего из-за подмены

объекта управления. По недомыслию или сознательно в качестве тако-

вого выбирается не основной процесс, а, например, деятельность под-

чиненных (исполнителей) или собственные интересы решателя. Такая

система «больна», по сути, она неуправляема. Ее временная жизнеспо-

собность обеспечивается или за счет инерционности основного про-

цесса, из-за отсутствия возмущений этого процесса. Как только исчер-

пываются силы инерции либо возникают достаточно сильные возму-

щения, такая система претерпевает катастрофу. Для того чтобы пре-

дотвратить катастрофу, требуется перестройка ее морфологии в на-

правлении замыкания контура управления. В социальных системах это

всегда трудный и болезненный процесс, связанный с заменой старого

управленческого аппарата на новый, но не любой, а способный вывес-

ти систему из структурного кризиса.

Помимо крайних (контур управления замкнут или разомкнут), воз-

можны многочисленные промежуточные варианты, когда система реа-

гирует не на все, а лишь на некоторые из возможных состояний управ-

ляемого процесса. В этих случаях говорят, что такая система ограни-

ченно управляемая. Причинами, ограничивающими управляемость,

могут быть:

• неполнота первичной или недостоверность осведомительной ин-

формации о состоянии управляемого процесса (плохо работает инфор-

матор);

• неадекватность решений по управлению процессом его реальному

состоянию (плохо работает решатель);

• невосприимчивость исполнителя к распоряжениям решателя и не-

доступность некоторых параметров управляемого процесса для регу-

лирования (плохо работает исполнитель);

• недопустимо большие задержки во времени реагирования системы

на изменения, происходящие в управляемом процессе (плохо органи-

зованы информационные коммуникации между информатором, реша-

телем и исполнителем, или все они работают слишком медленно).

Ограниченная управляемость может быть выгодна некоторым ком-

понентам системы управления (например, тем, кто, находясь в системе,

сознательно преследует в основном свои частные цели). О таких ком-

понентах говорят, что они рубят сук, на котором сидят. В любом своем

варианте ограниченная управляемость негативно сказывается на эф-

фективности функционирования системы в целом. Попадая в сферу

действия естественного отбора или конфликта, системы с ограничен-

ной управляемостью не способны выдержать конкуренцию со стороны

систем с более высокой управляемостью, а потому часто претерпевают

катастрофу или гибнут.

В связи со сказанным можно сформулировать следующее утвержде-

ние: любая система стремится в процессе своего функционирования

обрести морфологию с максимально замкнутыми контурами управле-

ния. Не следует, однако, слишком упрощенно понимать это утвержде-

ние. Им выражается организационная тенденция, которая далеко не

всегда воплощается в конечном результате, поскольку может быть за-

маскирована или парализована другими тенденциями, вытекающими

из конкретных условий.

Итак, знание морфологии еще больше расширяет представления о

внутреннем устройстве изучаемой системы и позволяет получить отве-

ты на следующие вопросы: «Из каких частей (уровней, подсистем и

элементов) состоит рассматриваемая система? В каких отношениях

друг к другу находятся составные части? Какими типами связей реали-

зуются эти отношения? Каким образом управляется система и каково

качество контуров управления?».

3.3. СТРУКТУРА

Под структурой (от лат. structura – строение, устройство) понимается

совокупность устойчивых отношений, связей и взаимодействий между

уровнями и компонентами системы, обеспечивающих сохранение ее

целостности в условиях внешних и внутренних возмущений. Это наи-

более общая характеристика системы, включающая в себя иерархию и

морфологию как частный случай. Соответственно усложняется ее ото-

бражение. Поэтому в практике системного анализа, наряду с разработ-

кой структурных моделей систем (отражающих каким-либо способом

их полное строение), часто используют типологию структур. В теории

системного анализа структуры принято различать по: пространствен-

ной топологии, характеру развития, типам отношений, видам взаимо-

действий и связанности (рис. 3.6).

По пространственной топологии выделяют объемные и плоские, рас-

средоточенные и сосредоточенные структуры. Для систем с рассредо-

точенной структурой характерно равномерное распределение компо-

нентов в пространстве, тогда как в системах с сосредоточенной струк-

турой наблюдаются области сгущения и разрежения. Системы с пло-

ской структурой имеют двухмерную пространственную топологию, а

системы с объемной структурой – трех- и более мерную.

Человек воспринимает окружающее пространство как трехмерное (длина,

высота, ширина). До недавнего времени считалось, что в этом (евклидовом)

пространстве можно описать поведение любого объекта – от галактики до элек-

трона. Однако эксперименты по изучению квантово-релятивистских взаимо-

действий элементарных частиц опровергли эту «непреложную истину». Оказа-

лось, что структуру систем, образованных такого вида взаимодействиями, мож-

но описать достаточно адекватно и логически непротиворечиво только после

введения так называемого гильбертова пространства. Это пространство отлича-

ется от привычного трехмерного тем, что имеет бесконечное число координат,

то есть оно бесконечномерное. Гильбертово пространство – не математическая

абстракция. Оно имеет глубокий физический смысл, связанный со спектраль-

ными свойствами элементарных частиц. Как уже отмечалось, элементарная

частица имеет двойствен-

ную природу: корпускуляр-

ную и волновую. Волновое

представление частицы оз-

начает, что она может рас-

сматриваться как негармо-

ническое периодическое

колебание. Такое колебание

представимо в виде беско-

нечной суммы так называе-

мых спектральных компо-

нентов, то есть гармониче-

ских колебаний разной ам-

плитуды с частотами, крат-

ными основной частоте

данной частицы. Это опе-

рация в математике называ-

ется разложением функции

в ряд Фурье и широко ис-

пользуется в статистиче-

ской радиотехнике при изу-

чении процессов прохож-

дения сигналов через

фильтры. Если представить

спектральные компоненты

осями координат, то стано-

вится ясной связь между

спектральными состав-

ляющими микрочастицы и

её представлением в гиль-

бертовом пространстве.

По характеру связанности

По виду взаимодей-

ствий

По характеру разви-

тия

По пространственной

топологии

линейные

централи-

стские

сетевые

скелетные

сотовые полносвя-

занные

ИНФОРМАЦИОННЫЕ

ВЕЩЕСТВЕННЫЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

СМЕШАННЫЕ

ОБЪЕМНЫЕ

ПЛОСКИЕ

СОСРЕДОТОЧЕННЫЕ

РАССРЕДОТОЧЕННЫЕ

ЭКСТЕНСИВНЫЕ

ИНТЕНСИВНЫЕ

РЕДУЦИРУЮЩИЕ

ДЕГРАДИРУЮЩИЕ

Рис. 3.6. Класси

ика

ия ст

ру

кт

ур

По типу отношений

ПРЕДМЕТНЫЕ

ФУНК

ИОНАЛЬНЫЕ

ВРЕМЕННЫЕ

ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ

По характеру развития выделяют экстенсивные и интенсивные, ре-

дуцирующие и деградирующие структуры. Для систем с экстенсивной

структурой характерен рост количества связей, отношений и взаимо-

действий между компонентами, а для систем с редуцирующей струк-

турой свойственен обратный процесс. У систем с интенсивной струк-

турой в ходе развития наблюдается качественное изменение связей, от-

ношений и взаимодействий. Повышается интенсивность взаимодейст-

вий, углубляется характер отношений, увеличивается пропускная спо-

собность коммуникационных каналов и т.п. Противоположный харак-

тер развития присущ системам с

деградирующей структурой.

По типу отношений структуры

подразделяются на предметные,

функциональные, организационные

и временные. Предметная структу-

ра – это состав системы. Функцио-

нальная структура отражает отно-

шения связанности компонентов

системы по входам и выходам.

Пример графического представле-

ния функциональной структуры

системы, состоящей из трех эшело-

нов, приведен на рис. 3.7. Первый

эшелон образован тремя компонен-

тами

, второй эшелон –

четырьмя компонентами

, третий эшелон – двумя

компонентами

. Изображе-

ния такого типа часто называют

блок-схемами. Входы элементов, через которые воздействия среды пе-

редаются системе, называются рецепторами (в нашем примере – это

Вх.1.

и Вх.2.

). Выходы, через которые система воздействует на

среду, получили название эффекторов (Вых.1.

и Вых.2.

). Множе-

ство рецепторов и эффекторов образуют поверхность системы.

Организационная структура отражает такие специфические отноше-

ния между компонентами системы, как: «начальник – подчиненный»,

«управляемый – управляющий», «прямое подчинение – непосредст-

венное подчинение», «координатор – координируемый», «руководи-

тель – исполнитель». Структуры такого типа являются основными объ-

Первый эшелон

Вх.2.

Вых.2.

Вх.1.

Вых.1.

Вых.2.

Вых.1.

Вх.1.

Вх.2.

Вх.1.

Вых.1.

Вх..2.

Вых.2.

Второй эшелон

Вы х.2 Вых.1

Вх.1 Вх.2

Третий эшелон

Вх.1 Вх.2

Рис. 3.7. Пример описания функциональ-

ной структуры.

ектами изучения при анализе систем управления предприятиями, фир-

мами, учреждениями, воинскими формированиями и т.п. Конечно, ка-

ждая система формирует свою организационную структуру исходя из

поставленных целей, сообразуясь со своими задачами, оценивая

имеющиеся ресурсы и учитывая внешние условия. Но во всем много-

образии организационных структур можно выделить некоторые типо-

вые варианты. К ним относятся: линейные, функциональные, про-

граммно-целевые и матричные организационные структуры [Васильев,

1989]. Внимания заслуживают матричные структуры. Примерно с се-

редины 80-х годов прошлого века они составляют основу организации

управления почти всех ведущих

фирм мира, в том числе таких ги-

гантов, как IBМ, «Дженерал

электрик», «Катерпиллер трак-

тор», «Локхид эйркрафт». Прин-

цип построения матричной

структуры показан на схеме рис.

3.8, где кружками обозначены

исполнители. Несомненным дос-

тоинством матричных структур

является органичное сочетание

двух основных типов управле-

ния: линейного и функционального (проектного), что, с одной стороны,

обеспечивает гибкое реагирование на изменения конъюнктуры рынка,

а с другой – позволяет вести глубокие научно-технические проработки

перспективных проектов и программ.

В особый класс выделяются временные структуры, отражающие по-

рядок выполнения операций компонентами системы. Эти структуры

задаются отношениями типа «начинаться раньше», «начинаться поз-

же», «выполняться одновременно», «завершаться до…», «завершаться

после…» и другими. Схематичное изображение временной структуры

системы называют алгоритмом ее функционирования. Типичным при-

мером отображения временной структуры служат сетевые графики вы-

полнения работ, используемые на производствах и в научно-

исследовательских учреждениях.

По виду взаимодействий структуры подразделяются на веществен-

ные, энергетические и информационные. В системах с вещественной

структурой взаимодействия между компонентами реализуются глав-

ным образом путем взаимообмена различного рода предметами, веща-

ЛИНЕЙНОЕ

УПРАВЛЕНИЕ

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ

РУКОВОДСТВО

Рис. 3.8. Матричная структура

управления