Классификация систем по сложности структуры и
поведения — простые и сложные.
Определение
большой системы. Существует ряд подходов к разделению систем по сложности. В
частности, Г. Н. Поваров в зависимости от числа элементов, входящих в систему,
выделяет четыре класса систем:
малые
системы (10...103 элементов),
сложные (104...107
элементов),
ультрасложные
(107. ..1030 элементов),
суперсистемы
(1030.. .10200 элементов).
Так как
понятие элемента возникает относительно задачи и цели исследования системы, то
и данное определение сложности является относительным, а не абсолютным.
Английский
кибернетик С. Бир классифицирует все кибернетические системы на простые и
сложные в зависимости от способа описания: детерминированного или
теоретико-вероятностного. А. И. Берг определяет сложную систему как систему,
которую можно описать не менее чем на двух различных математических языках
(например, с помощью теории дифференциальных уравнений и алгебры Буля).
Очень часто
сложными системами называют системы, которые нельзя корректно описать
математически, либо потому, что в системе имеется очень большое число
элементов, неизвестным образом связанных друг с другом, либо неизвестна природа
явлений, протекающих в системе.
Касти, который рассматривает сложность систем
в двух аспектах: структурную сложность и сложность поведения.
Четкое
определение и критерии СС НСУ в настоящее время отсутствуют. Однако есть
признаки, такие как, многомерность, многосвязность, многоконтурность, а так же
многоуровневый, составной и многоцелевой характер построения, по которым можно
отнести модель к классу СС НСУ. Данный
термин использовался в работах научной школы А.А. Вавилова.
Примером
системы с простой структурой но сложным поведением является модель странного
аттрактора Лоренца.
x1+10*(x1-x2)=0
x2+x1*x3-28*x1+x2=0
x3-x1+x2-2.6*x3=0
начальные
значения: x1=8; x2=-8;x3=26.
Все это
свидетельствует об отсутствии единого определения сложности системы.
При
разработке сложных систем возникают проблемы, относящиеся не только к свойствам
их составляющих элементов и подсистем, но также к закономерностям
функционирования системы в целом. При этом появляется широкий круг
специфических задач, таких, как определение общей структуры системы;
организация взаимодействия между элементами и подсистемами; учет влияния
внешней среды; выбор оптимальных режимов функционирования системы; оптимальное
управление системой и др.
Чем сложнее
система, тем большее внимание уделяется этим вопросам. Математической базой
исследования сложных систем является теория систем. В теории систем большой
системой (сложной, системой большого масштаба, Lage Scale
Systems) называют систему, если она
состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой
элементов и способна выполнять сложную функцию.
Четкой
границы, отделяющей простые системы от больших, нет. Деление это условное и
возникло из-за появления систем, имеющих в своем составе совокупность подсистем
с наличием функциональной избыточности. Простая система может находиться только
в двух состояниях: состоянии работоспособности (исправном) и состоянии отказа
(неисправном). При отказе элемента простая система либо полностью прекращает
выполнение своей функции, либо продолжает ее выполнение в полном объеме, если
отказавший элемент резервирован. Большая система при отказе отдельных элементов
и даже целых подсистем не всегда теряет работоспособность, зачастую только
снижаются характеристики ее эффективности. Это свойство больших систем обусловлено
их функциональной избыточностью и, в свою очередь, затрудняет формулировку
понятия «отказ» системы.
Под большой
системой понимается совокупность материальных ресурсов, средств сбора, передачи
и обработки информации, людей-операторов, занятых на обслуживании этих средств,
и людей-руководителей, облеченных надлежащими правами и ответственностью для
принятия решений. Материальные ресурсы — это сырье, материалы, полуфабрикаты,
денежные средства, различные виды энергии, станки, оборудование, люди, занятые
на выпуске продукции, и т. д. Все указанные элементы ресурсов объединены с
помощью некоторой системы связей, которые по заданным правилам определяют
процесс взаимодействия между элементами для достижения общей цели или группы
целей.
Примеры
больших систем: информационная система; пассажирский транспорт крупного города;
производственный процесс; система управления полетом крупного аэродрома;
энергетическая система и др.
Характерные
особенности больших систем. К ним относятся:
большое
число элементов в системе (сложность системы);
взаимосвязь
и взаимодействие между элементами;
иерархичность
структуры управления;
обязательное
наличие человека в контуре управления, на которого возлагается часть наиболее
ответственных функций управления.
Сложность
системы. Пусть имеется совокупность из n элементов. Если они изолированы, не связаны между собой, то
эти я элементов еще не являются системой. Для изучения этой совокупности
достаточно провести не более чем n
исследований. В общем случае в системе связь элемента А с элементом Б не
эквивалентна связи элемента Б с элементом А, и поэтому необходимо рассматривать
п(п—1) связей. Если характеризовать состояние каждой связи наличием или
отсутствием в данный момент, то общее число состояний (для такого самого
простого поведения) системы будет равно 2^n. Даже при небольших п это фантастическое число. Например,
пусть п== 10. Число связей п(п-1) = 90.
Поэтому
изучение БС путем непосредственного обследования ее состояний оказывается
весьма громоздким. Следовательно, необходимо использовать ЭВМ и разрабатывать
методы, позволяющие сократить число обследуемых состояний БС. Сокращение числа
состояний БС — первый шаг в формальном описании систем.
Взаимосвязь
и взаимодействие между элементами
в БС.
Разделение системы на элементы и подсистемы может быть произведено различными
способами. Элементом системы будем называть совокупность различных технических
средств и людей, которые при данном исследовании рассматриваются как одно
неделимое целое.
Расчленение
системы на элементы — второй шаг при формальном описании системы. Внутренняя
структура элемента при этом не является предметом исследования. Имеют значение
только свойства, определяющие его взаимодействие с другими элементами системы и
оказывающие влияние на характер системы в целом.
Формально
любая совокупность элементов системы вместе со связями между ними может
рассматриваться как ее подсистема. Использование этого понятия оказывается
особенно плодотворным в тех случаях, когда в качестве подсистем фигурируют
некоторые более или менее самостоятельно функционирующие части системы.
В системе
управления полетом самолета можно выделить следующие подсистемы:
систему
дальнего обнаружения и управления; систему многоканальной дальней связи;
многоканальную систему слепой посадки и взлета самолета; систему
диспетчеризации; бортовую аппаратуру самолета.
Подсистемы БС сами могут быть большими системами, которые легко
расчленить на соответствующие подсистемы. Так, большую систему «Городской
пассажирский транспорт» по видам транспорта можно расчленить на подсистемы:
троллейбусы, автобусы, трамвай, метрополитен, такси. Каждая из этих подсистем,
в свою очередь, является БС. Так, таксомоторное хозяйство состоит из: сотен
(тысяч) автомобилей и шоферов, нескольких автопарков, средств технического
обслуживания и управления.
Выделение
подсистем — третий важный шаг при формальном описании БС.
Иерархичность
структуры управления. Управление в БС может быть централизованным и
децентрализованным. Централизованное управление (рис. 1.1, а) предполагает
концентрацию функции управления в одном центре БС. Децентрализованное —
распределение функции управления по отдельным эле (рис. 1.1, б). Типичные БС,
встречающиеся на практике, относятся, как правило, к промежуточному типу, когда
степень централизации находится между двумя крайними случаями: чисто
централизованным и чисто децентрализованным.
Децентрализация
управления позволяет сократить объем перерабатываемой информации, однако в ряде
случаев это приводит к снижению качества управления.
Для
управления с иерархичной структурой управления характерно наличие нескольких
уровней управления (рис. 1.1, в).
Примеры
иерархической структуры управления: административное управление, управление в
вооруженных силах, снабжение.
Обязательное
наличие человека в контуре управления. Поскольку в БС обязательно наличие
человека, она является всегда эргатической системой. Часть функций управления
выполняется человеком. Эта особенность БС связана с целым рядом факторов:
участие
человека в БС требует, чтобы управление учитывало социальные, психологические,
моральные и физиологические факторы, которые не поддаются формализации и могут
быть учтены в системах управления только человеком;
необходимость
в ряде случаев принимать решение на основенеполной информации, учитывать
неформализуемые факторы —все это должен делать человек с большим опытом, хорошо
понимающий задачи, стоящие перед системой; могут быть системы, в которых нет
отношений подчиненности, а существуют лишь отношения взаимодействия
(межгосударственные отношения, отношения предприятий «по горизонтали»).