Классификация систем

Классификациейназывается разбиение на классы по наиболее существенным признакам. Под классом понимается совокупность объектов, обладающих некоторыми признаками общности. Признак (или совокупность признаков) является основанием (критерием) классификации.

Система может быть охарактеризована одним или несколькими признаками и соответственно ей может быть найдено место в различных классификациях, каждая из которых может быть полезной при выборе методологии исследования. Обычно цель классификации ограничить выбор подходов к отображению систем, выработать язык описания, подходящий для соответствующего класса.

Существуют различные классификации систем по самым разным признакам. Наиболее общей является следующая, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Общая классификация систем

По содержанию различают системы реальные (материальные), объективно существующие, и абстрактные (концептуальные, идеальные), являющиеся продуктом мышления.

Первые, в свою очередь, делятся на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). Естественные: системы неживой (физические, химические) и живой (биологические) природы.

Искусственные системы: создаются человечеством для своих нужд или образуются в результате целенаправленных усилий. Они делятся на технические, социальные (общественные) и смешанные (организационно-технические).

Техническая система спроектирована и изготовлена человеком в определенных целях. К социальным системам относятся различные системы человеческого общества. Выделение систем, состоящих из одних только технических устройств почти всегда условно, поскольку они не способны вырабатывать свое состояние. Эти системы выступают как части более крупных, включающие людей — организационно-технических систем.

Организационная система, для эффективного функционирование которой существенным фактором является способ организации взаимодействия людей с технической подсистемой, называется человеко-машинной.

Примеры человеко-машинных систем: автомобиль — водитель; самолет — летчик; ЭВМ — пользователь и т.д.

Таким образом, под техническими системами понимают единую конструктивную совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих объектов, предназначенную для целенаправленных действий и достижения в процессе функционирования заданного результата. Отличительными признаками технических систем по сравнению с произвольной совокупностью объектов или отдельными элементами являются:

a) конструктивность (практическая осуществляемость отношений между элементами),

b) ориентированность и взаимосвязанность составных элементов и

c) целенаправленность.

Для того чтобы система была устойчивой к воздействию внешних влияний, она должна иметь соответствующую структуру. Выбор структуры практически определяет технический облик как всей системы, так ее подсистем, и элементов. Вопрос о целесообразности применения той или иной структуры должен решаться, исходя из конкретного назначения системы. От структуры зависит также способность системы к перераспределению функций в случае полного или частичного отказа отдельных элементов, а, следовательно, ее надежность и живучесть при заданных характеристиках элементов.

Абстрактные системы являются результатом отражения реальных в мозгу человека. Они объективны по источнику происхождения, поскольку их первоисточником является объективно существующая действительность.

Абстрактные системы разделяют на системы непосредственного (отражающие определенные аспекты реальных) и генерализирующего (обобщающего) отображения. К первым относятся математические и эвристические модели, а ко вторым — концептуальные системы (теории методологического построения) и языки.

Другими признаками классификации систем являются:

1) отношение к внешней среде:

2) структура и пространственно-временные свойства;

3) степень организованности;

4) характер реализуемых функций;

5) характер развития;

6) поведение системы;

7) структура управления;

8) назначение.

По отношению к внешней среде системы разделяются на: открытые, закрытые (замкнутые, изолированные) и комбинированные. Это деление связано с таким характерным признаком, как возможность сохранения свойств при наличии внешних воздействий. Если система нечувствительна к внешним воздействиям, ее можно считать закрытой. В противном случае — открытой.

Открытой называется система, которая взаимодействует с окружающей средой. Все реальные системы являются открытыми. Они являются частью более общей системы или нескольких систем. Если вычленить из этого образования собственно рассматриваемую систему, то оставшаяся часть — ее среда.

Открытая система связана со средой определенными коммуникациями, то есть сетью внешних связей. Выделение этих связей и описание механизмов взаимодействия «система-среда» является центральной задачей теории открытых систем. Рассмотрение открытых систем позволяет расширить понятие структуры системы. Оно включает в себя не только внутренние связи между элементами, но и внешние - со средой. При описании структуры внешние коммуникационные каналы стараются разделить на входные (по которым среда воздействует на систему) и выходные. Совокупность элементов этих каналов, принадлежащих собственно системе называются ее входными и выходными полюсами. У открытых систем, по крайней мере, один элемент имеет связь с внешней средой (один входной полюс) и один является выходным. Ими система связана с внешней средой.

Для каждой системы связи со всеми подчиненными ей подсистемами, являются внутренними, а все остальные — внешними.

Все реальные системы тесно или слабо связаны с внешней средой — открытые. Если временный разрыв или изменение характерных внешних связей не вызывает отклонения в функционировании системы сверх установленных заранее пределов, то она связана с внешней средой слабо. В противном случае — тесно.

Важно подчеркнуть, что в любой реальной системе число всех взаимосвязей огромно, так что учесть и исследования абсолютно все связи невозможно, поэтому их число искусственно ограничивают. Среди них есть много несущественных, практически не влияющих на функционирование системы и количество полученных решений. Если изменение характеристик связи, ее исключение (полный разрыв) приводят к значительному ухудшению работы системы, снижению эффективности, то такая связь — существенна. Одна из важнейших задач исследователя — выделить существенные для рассмотрения системы в условиях решаемой задачи связи и отделить их от несущественных. В связи с тем, что входные и выходные полюса системы не всегда удается четко выделить, приходится прибегать к определенной идеализации действий. Наибольшая идеализация имеет место при рассмотрении закрытой системы.

Закрытой называется система, которая не взаимодействует со средой или взаимодействует строго определенным образом. В первом случае предполагается, что система не имеет входных полюсов, а во втором, что входные полюса есть, но воздействие среды носит неизменный характер и полностью (заранее) известно. Очевидно, что при последнем предположении указанные воздействия могут быть отнесены собственно к системе, и ее можно рассматривать, как закрытую. Для закрытой системы, любой ее элемент имеет связи только с элементами самой системы.

Рассматриваемые системы представляют собой некоторую абстракцию реальной ситуации, так как, строго говоря, изолированных систем не существует. Однако, очевидно, что упрощение описания системы, заключающиеся в отказе от внешних связей, может привести к полезным результатам, упростить исследование.

Комбинированные системы содержат открытые и закрытые подсистемы.

В зависимости от структуры и пространственно-временных свойств системы делятся на простые, сложные и большие.

Простые системы не имеют разветвленной структуры, состоят из небольшого количества взаимосвязей и элементов. Элементы служат для выполнения простейших функций. В них нельзя выделить иерархические уровни. Отличительной особенностью простых систем является детерминированность (четкая определенность) номенклатуры, числа элементов и связей как внутри системы, так и со средой.

Сложные системы характеризуются большим числом элементов и внутренних связей, их неоднородностью, структурным разнообразием. Они выполняют сложную функцию или ряд функций. Компоненты сложных систем могут рассматриваться как подсистемы, каждая из которых может быть представлена еще более простыми подсистемами и т.д. до тех пор, пока не будет получен элемент.

Определение 1: Система называется сложной (с гносеологических позиций), если ее познание требует совместного привлечения многих моделей, а в некоторых случаях многих научных дисциплин, а также учета неопределенности вероятностного или детерминированного характера. Наиболее характерным проявлением этого определения является многомодельность.

Модель— некоторая система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе. Это описание систем (математическое, вербальное и т.д.) отображающее определенную группу ее свойств. Модели систем и процессов будут рассмотрены в другой дисциплине.

Определение 2: Систему называют сложной если в реальной действительности существенно проявляются признаки ее сложности, а именно:

1) структурная сложность — определяется числом элементов системы, числом и разнообразием типов связей между ними, количеством иерархических уровней и общим числом подсистем. Основными типами считаются следующие виды связей: структурные (в том числе, иерархические), функциональные, каузальные (причинно-следственные), информационные, пространственно-временные;

2) сложность функционирования (поведения) — определяется характеристиками множества состояний, правилами перехода из состояния в состояние, воздействием системы на среду и среды на систему, степенью неопределенности перечисленных характеристик и правил;

3) сложность выбора поведения — в многоальтернативных ситуациях, когда выбор поведения определяется целью системы, гибкостью реакций на заранее неизвестные воздействия среды;

4) сложность развития — определяемая характеристиками эволюционных или скачкообразных процессов.

Естественно, что все признаки рассматриваются во взаимосвязи. Иерархическое построение — характерный признак сложных систем. При этом уровни иерархии могут быть как однородные, так и неоднородные. Для сложных систем присущи такие факторы, как невозможность предсказать их поведение, то есть слабая предсказуемость, скрытность и разнообразные состояния.

Сложные системы можно подразделить на следующие подсистемы:

1) решающую, которая принимает глобальные решения во взаимодействии с внешней средой и распределяет локальные задания всем другим подсистемам;

2) информационную, которая обеспечивает сбор, переработку и передачу информации, необходимой для принятия глобальных решений и выполнения локальных задач;

3) управляющую - для реализации глобальных решений;

4) гомеостазную, поддерживающую динамическое равновесие внутри систем и регулирующую потоки энергии и вещества в подсистемах;

5) адаптивную, накапливающую опыт в процессе обучения для улучшения структуры и функций системы.

Большой системой называют систему, ненаблюдаемую одновременно с позиции одного наблюдателя во времени или в пространстве, для которой существенен пространственный фактор, число подсистем которой очень велико, а состав разнороден.

Система может быть и большой, и сложной. Сложные объединяют более обширную группу систем, то есть большие — подкласс сложных систем.

Основополагающими при анализе и синтезе больших и сложных систем являются процедуры декомпозиции и агрегирования.

Декомпозиция — разделение систем на части, с последующим самостоятельным рассмотрением отдельных частей.

Она связана с исследованием модели, так как сама система не может быть расчленена без нарушений свойств. На уровне моделирования отдельные связи заменяются эквивалентными, либо модель системы строится так, что разложение ее на отдельные части оказывается естественным. Применительно к большим и сложным системам декомпозиция является мощным инструментом исследования.

Агрегирование является понятием, противоположным декомпозиции. В процессе исследования возникает необходимость объединения элементов системы с целью рассмотреть ее с более общих позиций.

Системы, для которых состояние однозначно определяется начальными значениями и может быть предсказано для любого последующего момента времени, называются детерминированными.

Стохастические системы — системы, изменения в которых носят случайный характер. При случайных воздействиях данных о состоянии системы недостаточно для предсказания ее состояния в последующий момент времени.

По степени организованности системы делятся на: хорошо и плохо организованные (диффузные).

Для первых анализ сводится к определению элементов, их взаимосвязи и правил объединения в более крупные компоненты. Поведение системы может быть описано в виде математического выражения. Решение задачи анализа хорошо организованной системы осуществляется аналитическими методами.

Примеры хорошо организованных систем: солнечная система, описывающая наиболее существенные закономерности движения планет вокруг Солнца; отображение атома в виде планетарной системы, состоящей из ядра и электронов; описание работы сложного электронного устройства с помощью системы уравнений, учитывающей особенности условий его работы (наличие шумов, нестабильности источников питания и т. п.).

Описание объекта в виде хорошо организованной системы применяется в тех случаях, когда можно предложить детерминированное описание и экспериментально доказать правомерность его применения, а также адекватность модели. Попытки применить класс хорошо организованных систем для представления сложных многокомпонентных объектов или многокритериальных задач плохо удаются: они требуют недопустимо больших затрат времени, практически нереализуемы и неадекватны применяемым моделям.

При представлении объекта в виде плохо организованной или диффузной системы не ставится задача определить все учитываемые компоненты, их свойства и связи между ними и функциями системы. Система характеризуется некоторым набором макропараметров и закономерностями, которые находятся на основе исследования не всего объекта или класса явлений, а некоторых правил выборки компонентов, характеризующих исследуемый объект или процесс. При таком выборочном исследовании получают характеристики или закономерности (статистические, экономические) и распространяют их на всю систему в целом. При этом делаются соответствующие оговорки. Например, при получении статистических закономерностей их распространяют на поведение всей системы с некоторой доверительной вероятностью.

Подход к отображению объектов в виде диффузных систем широко применяется при: описании систем массового обслуживания, определении численности штата на предприятиях и учреждениях, исследовании документальных потоков информации в системах управления и т. д.

С точки зрения характера функций различаются специальные, многофункциональные, и универсальные системы.

Для специальных характерна единственность назначения и узкая специализация элементов (сравнительно несложная).

Многофункциональные системы позволяют реализовать на одной и той же структуре несколько функций. Пример: производственная система, обеспечивающая выпуск различной продукции в пределах определенной номенклатуры.

Универсальные системы реализуют множество функций на одной и той же структуре.

По характеру развития существует два класса систем: стабильные и развивающиеся.

У стабильной системы структура и функции практически не изменяются в течение всего периода ее существования и, как правило, качество функционирования таких систем по мере изнашивания их элементов только ухудшается. Восстановительные мероприятия обычно могут лишь снизить темп ухудшения.

Отличительной особенностью развивающихся систем является то, что с течением времени их структура и функции приобретают существенные изменения. Функции системы более постоянны, хотя часто и они видоизменяются. Практически неизменными остается лишь их назначение. Развивающиеся системы имеют более высокую сложность.

В порядке усложнения поведения системы делятся на: автоматические, решающие, самоорганизующиеся, предвидящие и превращающиеся.

Автоматические системы однозначно реагируют на ограниченный набор внешних воздействий. Их внутренняя организация приспособлена к переходу в равновесное состояние при выводе из него (гомеостаз).

Решающие имеют постоянные критерии их реакции на широкие классы внешних воздействий. Постоянство внутренней структуры поддерживается заменой вышедших из строя элементов.

Самоорганизующиеся системы имеют гибкие критерии реакции на внешние воздействия, приспосабливающиеся к различным типам воздействия. Устойчивость внутренней структуры высших форм таких систем обеспечивается постоянным самовоспроизводством.

Самоорганизующиеся системы обладают признаками диффузных: стохастичностью поведения, нестационарностью отдельных параметров и процессов. К этому добавляются такие признаки, как непредсказуемость поведения; способность адаптироваться к изменяющимся условиям среды, изменять структуру при взаимодействии системы со средой, сохраняя при этом свойства целостности; способность формировать возможные варианты поведения и выбирать из них наилучший и др. Иногда этот класс разбивают на подклассы, выделяя адаптивные или самоприспосабливающиеся системы, самовосстанавливающиеся, самовоспроизводящиеся и другие подклассы, соответствующие различным свойствам развивающихся систем.

Примеры: биологические организации, коллективное поведение людей, организация управления на уровне предприятия, отрасли, государства в целом, т.е. в тех системах, где обязательно имеется человеческий фактор.

Если устойчивость по своей сложности начинает превосходить сложные воздействия внешнего мира — это предвидящая система. Она может предвидеть дальнейший ход взаимодействия.

Превращающиеся — это воображаемые сложные системы на высшем уровне сложности, не связанные постоянством существующих носителей. Они могут менять вещественные носители, сохраняя свою индивидуальность. Науке примеры таких систем пока неизвестны.

Систему можно разделить на виды по признакам структуры их управления и значимости той роли, которую играют в них отдельные составные части в сравнение с ролями других частей.

В некоторых системах одной из частей может принадлежать доминирующая роль (ее значимость гораздо выше значимости других частей). Такой компонент будет выступать как центральный, определяющий функционирование всей системы. Такие системы называют централизованными.

В других системах все составляющие их компоненты примерно одинаково значимы. Структурно они расположены не вокруг некоторого централизованного компонента, а взаимосвязаны последовательно или параллельно и имеют примерно одинаковые значения для функционирования системы. Это децентрализованные системы.

Системы можно классифицировать по назначению. Среди технических и организационных систем выделяют: производящие, управляющие, обслуживающие.

В производящих системах реализуются процессы получения некоторых продуктов или услуг. Они, в свою очередь, делятся на вещественно-энергетические (в которых осуществляется преобразование природной среды или сырья в конечный продукт вещественной или энергетической природы, либо транспортирование такого рода продуктов) и информационные — для сбора, передачи и преобразования информации и предоставление информационных услуг.

Назначение управляющих систем — организация и управление вещественно-энергетическими и информационными процессами.

Обслуживающие системы занимаются поддержкой заданных пределов работоспособности производящих и управляющих систем.

Вычислительную систему следует отнести к классу сложных открытых технических систем. Причем, на системном уровне принято рассматривать ее как совокупность трех основных составляющих:

1)технических средств (процессоров, каналов, внешних устройств и т.д.);

2)задач или программ пользователей (рабочей нагрузки);

3)процессов обработки задач, реализуемых средствами операционной системы.

ЛЕКЦИЯ 3