Структурой системы называется её расчленение на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на всё время рассмотрения и дающее представление о системе в целом.
Система может рассматриваться как элемент другой системы. В этом случае она является подсистемой надсистемы (суперсистемы).
Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система.
То, что не входит в систему, по отношению к ней является средой. Среда системы представляет факторы, влияющие на входные переменные.
Системы, взаимодействующие со средой, называются открытыми.
Системы с входными и выходными переменными называются направленными, а системы, у которых переменные не классифицированы подобным образом-нейтральными.
Системы, перед которыми поставлена некоторая сформулированная цельназываются целенаправленными. Такими почти всегда будут искусственные системы.
Понятие цели системы определим как задачу получения желаемого выходного воздействия или достижения желаемого состояния системы.
Постановка цели перед системой (часто говорят: глобальной цели) влечет за собой необходимость: а) формулировки локальных целей, стоящих перед элементами системы и группами элементов; б) целенаправленного вмешательства в функционирование (строение, создание) системы. Обе эти операции тесно связаны, хотя с точки зрения практики обычно сначала разбивают глобальную цель на набор локальных, а потом ищут пути достижения локальных целей.
Набор локальных целей, как правило, сам имеет иерархическое многоуровневое строение и в той или иной степени соответствует общей иерархии в системе.
Зафиксируем все значения характеристик в системе, важных для целей рассмотрения. Такую ситуацию назовем состоянием системы.
Процессом назовем набор состояний системы, соответствующий упорядоченному непрерывному или дискретному изменению некоторого параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.
Процесс движения (изменения) системы во времени называют динамикой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, другие физические величины. В качестве параметра иногда выступают линейные и угловые координаты (пример: процесс изменения атмосферы с высотой) и даже скорости. Однако более типично отнесение этих величин к характеристикам системы, которые сами зависят, например, от времени.
Большой системой назовем систему, включающую значительное число однотипных элементов и однотипных связей.
Сложной системой назовем систему, состоящую из элементов разных типов и обладающую разнородными связями между ними.
Понятия «сложная система» и «большая система» не являются тождественными, т. к. последний термин характеризует только одну черту «сложности» — размерность системы.
Общепринятого определения понятия «сложная система»нет. Сложность почти не поддается ни точному определению, ни измерению.
Скорее можно привести примеры сложной системы ихарактеристику «сложности», чем дать строгое математическое определение этого термина.
Сложные системы управления—собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных элементов. Часто сложными системами наз. системы, которые нельзя корректно описать математически либо потому, что в системе имеется очень большое число различных элементов, неизвестным образом связанных друг с другом (напр., мозг), либо потому, что мы не знаем природы явлений, протекающих в системе, и поэтому не можем количественно их описать. В других случаях сложными называются системы, для изучения которых необходимо было бы решать задачи с непомерно большим объемом вычислений или, вообще, переработать такой большой объем информации, что для этого, даже если использовать самые быстродействующие ЭЦВМ, потребовалось бы много миллионов лет.
Независимо от того, что рассматривается как сложное или простое, в общем случае степень сложности связана с числом различаемых частей и мерой их взаимосвязанности. Т.е. степень сложности оценивается количеством информации, необходимой для описания реальной системы.
Кроме того, понятие сложности имеет субъективную обусловленность, поскольку оно связано со способностью понимания или использования рассматриваемого объекта. Таким образом, то, что сложно для одного, может оказаться простым для другого. Можно сказать, что мерой сложности объекта является количество интеллектуальных усилий, необходимых для понимания этого объекта.
В борьбе со сложностью можно привлечь две концепции из общей теории систем [2].
Первая — независимость. В соответствии с этой концепцией для минимизации сложности необходимо максимально усилить независимость компонент системы. По существу, это означает такое разбиение (декомпозицию) системы, чтобы высокочастотная динамика ее была заключена в единых компонентах, а межкомпонентные взаимодействия представляли лишь низкочастотную динамику системы.
Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой.Важнейшим стимулом и сутью декомпозиции является упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком.
Традиционный метод борьбы со сложностью — принцип «разделяй и властвуй», часто называемый «модуляризацией».
Модуль – группа элементов системы, описываемая только своими входами и выходами и обладающая определённой цельностью. Чтобы уменьшить сложность системы, нужно разбить ее на множество небольших, в высокой степени независимых модулей. Довольно высокой степени независимости можно достичь с помощью двух методов оптимизации: усилением внутренних связей в каждом модуле и ослаблением взаимосвязи между модулями. Нужно стремиться, во-первых, реализовывать отдельные функции отдельными модулями (высокая прочность модуля) и ослаблять связь между модулями по данным, применяя формальный механизм передачи параметров (слабое сцепление модулей).
Заметим также, что понятие модуля близко к концепции «черного ящика» в кибернетике — так называют объект, в котором известна только зависимость выходов от входов. Однако в отличие от такой крайней ситуации здесь, при исследовании сложных систем мы обычно в состоянии проанализировать, что же происходит внутри модуля, но нам удобно не делать этого на определенной стадии рассмотрения.
Важность понятий модуля, входа, выхода подчеркивается и большим количеством их синонимов в различных разделах науки и техники. Так, например, синонимом модуля являются "агрегат, блок , "узел", "механизм" в технике; "подпрограмма", программный модуль", "логический блок" — в программировании; подразделение", "комиссия" —в организации и управлении.
Именно модульное строение системы в сочетании спринципе введения все более крупных модулей при сохранении отобразим объема входов и выходов позволяет рассматривать в принципе сколь угодно сложные системы.
Вторая концепция — иерархическая структура.
Иерархией назовем структуру с наличием подчиненности, т. е. неравноправных связей между элементами, когда воздействия в одном из направлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другом.Типичная иерархическая связь с воздействиями вида «информация» и «управление» изображена на рис. 2.1.
Виды иерархических структур разнообразны. Но основных, важных для практики иерархически структур всего две — древовидная (веерная) и ромбовидная (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Примеры иерархических структур.а – древовидная (веерная); б –
ромбовидная.
Ромбовидная структура ведет к двойной (иногда и более) подчиненности.
Иерархия позволяет стратифицировать систему по уровням понимания. Каждый уровень представляет собой совокупность структурных отношений между элементами нижних уровней. Концепция уровня позволяет понять систему, скрывая несущественные уровни детализации. Например, система, которую мы называем «человек», представляется иерархией. Социолог может интересоваться взаимоотношениями людей, не заботясь об их внутреннем устройстве. Психолог работает на более низком уровне иерархии. Он может исследовать различные логические и физические процессы в мозге, не рассматривая внутреннего строения областей мозга. Еще ниже в этой иерархии находится нейролог — он имеет дело со структурой основных компонент мозга. Однако он может изучать мозг на этом уровне, не заботясь о молекулярной структуре отдельных белков в нейроне. Химик-органик интересуется построением сложных аминокислот из таких компонент, как атомы углерода, водорода, кислорода и хлора. Наконец, физик-ядерщик изучает систему на уровне элементарных частиц в атоме и взаимодействия между ними. Иерархия позволяет проектировать, описывать и понимать сложные системы. Если бы нельзя было принять описанный подход к изучению человека, социологу пришлось бы рассматривать его как необъятное и сложное множество субатомных частиц. Очевидно, что такое количество деталей подавило бы его, так что невозможны были бы даже те ограниченные знания о человеке, которыми мы располагаем.
Характерны следующие виды иерархии: временная, пространственная, функциональная, ситуационная и информационная.
Временная иерархия.Признаком деления здесь является интервал времени от момента поступления информации о состоянии объекта управления до выдачи управляющего воздействия. Чем больше интервал, тем выше уровень (ранг) элемента. Управление может осуществляться в реальном времени, с интервалом сутки, декада, месяц, квартал и т. д. Причем управляющий интервал выбирается не произвольно, а исходя из критериев, определяющих устойчивость и эффективность функционирования всей системы.
Пространственная иерархия.Признаком деления здесь является площадь, занимаемая объектом управления. Чем больше площадь объекта, тем выше его ранг. Данный признак — субъективный, так как не всегда площадь, занимаемая объектом, соответствует его значимости, и его можно использовать в случае аналогичности параметров элементов одного уровня.
Функциональная иерархия.В основе лежит функциональная зависимость (подчиненность) элементов системы. Такое разделение также является субъективным, так как в этом случае трудно выделить границы между элементами системы.
Ситуационная иерархия.Деление на уровни в данном случае производится в зависимости от эффекта, вызываемого той или иной ситуацией, например от ущерба, возникающего в результате аварии или выхода из строя оборудования.
Информационная иерархия.В настоящее время этот вид иерархии является очень существенным в связи с возросшим значением информации для управления. В основе деления на уровни лежат оперативность и обновляемость информации. Именно через эти характеристики прослеживается иерархия информации по уровням управления предприятием.
На первом уровне хранится и обрабатывается повторяющаяся, часто обновляющаяся информация, необходимая для повседневной деятельности, т.е. для оперативного управления. Следующий уровень составляет информация более обобщенная, чем оперативная, и используемая не так часто. Информация группируется по функциональным областям и применяется для поддержки принятия решения по управлению производством. На верхнем уровне хранится и обрабатывается стратегическая информация для долгосрочного планирования. Для нее характерны высокая степень обобщенности, неповторяемость, непредсказуемость и редкое использование.
К этим двум концепциям сокращения сложности (независимость и иерархическая структура) можно добавить третью: выявление связейвсюду, где они возникают. Основная проблема многих больших систем — огромное количество независимых побочных эффектов, создаваемых компонентами системы. Из-за этих побочных эффектов систему невозможно понять.
Практически реальным и доступным путём для проектирования и исследования сложных систем управления является путь моделирования. Широко применяют полунатурное моделирование, когда кроме обычных моделирующих средств (вычислительных устройств того или иного класса) используют другие разнообразные устройства – отдельные натурные узлы объектов управления, пульты для сбора и отображения информации, средства связи между человеком и ЭЦВМ и т.д.