Основы-системного-анализа. Модуль основы системного анализа и моделирование экосистем
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
3.2. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМНЫЕ ПОНЯТИЯ 3.2.1. Роль эксперимента в изучении поведения системы Управление сложными технологическими процессами в настоящее время невоз- можно осуществлять на основе "здравого смысла". Интенсивные технологии, опираю- щиеся на сложные системы машин, средства защиты растений, регуляторы роста и другие элементы производства чрезвычайно расширяют межотраслевые связи, обус- ловливая тем самым необходимость одновременного учета взаимодействия большого количества факторов, предвидения отдаленных последствий принимаемых решений. В этих условиях специалист любого уровня должен овладеть системным мышлением. Задание 3.2.1. Опишите известные Вам эксперименты, которые позво- лили выявить свойства системы с целью улучшения ее функциони- рования. Независимо от конкретной предметной области исследований экспериментатор ставит перед собой задачу управления теми или иными свойствами системы. Исследование систем с позиций управления ими позволило обнаружить сходство и единство процессов управления, происходящих в системах самой различной природы (экономических, биологических, технических). Суть единства состоит в подобии процессов передачи, хранения, переработки ин- формации. Общими для всех естественных наук стали понятия система, системные свойства, информация, обратная связь, модель, управление. Стало возможным опи- раться на единые математико-логические методы. Существенно расширилась область применения формализованных методов научного анализа и синтеза на основе алго- ритмизации, программирования, моделирования на ЭВМ. Системный подход предполагает рассмотрение любого явления в качестве сложной динамической системы. С этих позиций цель эксперимента – изучение опре- Искусство системного анализа – это, прежде всего, умение максимально просто сформулировать проблему, используя наиболее общие свойства сложных систем. Второе высшее образование 13 деленных аспектов поведения системы, выявление ее системных свойств. Эффек- тивность эксперимента определяется глубиной понимания целостности и целенаправ- ленности поведения системы, учетом сложных взаимосвязей в иерархической струк- туре систем, возможности реализации принципа оптимальности в управлении сис- темой. Чем определяется эффективность эксперимента? В чем состоит сход- ство и единство процессов управления, происходящих в системах различ- ной природы? 3.2.2. Определение системы Система – не механический набор, а совокупность взаимодействующих между собой элементов. Она обязательно предполагает целенаправленное взаимодей- ствие, т.е. некоторую цель как результирующее свойство отношений между элемен- тами исследуемого множества. Система в силу этих свойств способна реализовывать определенную функцию. Для таких сложных систем характерны информационные про- цессы управления. Элементы, относящиеся к данной системе, обладают особым характером отноше- ний – связностью. Система всегда рассматривается как некоторая обособленная часть общего. Элементы системы взаимодействуют друг с другом иначе, чем с другими системами, что обусловливает ее обособление. Все, что не относится к данной сис- теме, рассматривается как внешняя среда по отношению к системе. Элемент системы – условно неделимая, самостоятельно функционирующая часть системы. Компонент системы – множество относительно однородных элементов, объ- единенных общими функциями при обеспечении выполнения общих целей развития системы. Функциональная среда системы – характерная для системы совокупность за- конов, алгоритмов и параметров, по которым осуществляется взаимодействие между элементами системы и функционирование системы в целом. Структура системы – совокупность связей, по которым обеспечивается энер- го-, массо- и информационный обмен между элементами системы, определяющий функционирование системы в целом и способы ее взаимодействия с внешней средой. Дайте определение системы, компонента и элемента системы. Какими свойствами должны обладать элементы системы? Что такое внешняя среда по отношению к системе? Что такое функциональная среда системы? Что такое структура системы? Система – это относительно обособленная и упорядоченная совокупность обладающих особой связностью и целенаправленностью взаимодействующих элементов, способных реализовать определенные функции. Модуль 3 14 3.2.3. Свойства системы Задание 3.2.2. Назовите основные свойства системы. Дайте их краткую характеристику. Важнейшим и определяющим свойством системы является ее целостность. Свойство целостности обусловливается целесообразным взаимодействием элементов системы в соответствии с общей целью ее функционирования. Но целое всегда обладает и качественно иными свойствами, не выводимыми из свойств отдельных ее элементов. Это свойство называется эмерджентностью. Оно присуще всем слож- ным системам. Лес обладает свойствами, которыми не обладают отдельные деревья. Сельскохозяйственная отрасль отличается от отдельно взятых предприятий и т.д. Эмерджентность является формой реализации некоторых свойств связности и организованности системы. Связность – особый характер взаимоотношений между ее элементами. Именно это свойство позволяет вычленить систему из окружающей среды. Свойство связности проявляется в форме определенной упорядоченности отношений между элементами определенной внутренней структуры. Со свойством связности тесно связано понятие разнообразия. Степень разнооб- разия зависит от числа элементов системы. Максимальное разнообразие опреде- ляется как где N – число элементов системы. Максимальное разнообразие соответствует тому случаю, когда поведение одного элемента не зависит от поведения других, т.е. эле- менты не связаны между собой. Число независимых характеристик называют числом степеней свободы. Число степеней свободы любой системы ограничено. Целенап- равленное функционирование системы возможно только благодаря ограничению ее разнообразия. Ограничение разнообразия лежит в основе управления системой. Сложность – определяется числом элементов, образующих систему, степенью разветвленности ее внутренней структуры, характером функционирования (одно- целевое или многоцелевое). Организованность – проявляется в изменении соотношения между нарастаю- щей сложностью системы и совершенствованием ее структуры. Совершенство- вание структуры осуществляется путем организации новых форм взаимосвязей и взаимодействий между элементами системы. Что такое разнообразие? Чем оно определяется? Приведите примеры биологических систем и охарактеризуйте их свойства. 3.2.4. Система и окружающая среда Выделение системы из окружающей среды предполагает разбиение явления на две части: система и внешняя по отношению к ней среда. H = log 2 N, Второе высшее образование 15 Задание 3.2.3. Охарактеризуйте факторы внешней среды для какой-либо биологической системы. Среда оказывает на систему воздействие через определенные воздействия. Фак- торы внешней среды, осуществляющие эти воздействия, называются входными вели- чинами. Для растения входными величинами являются солнечная радиация, темпера- тура воздуха, почвенная влага, минеральное питание, механические воздействия и др. Факторы, определяющие воздействие системы на среду, называются выходными величинами. Выходные величины для системы "растение" – нарастание органической массы, плодоношение, выделение кислорода при фотосинтезе и углекислого газа в процессе дыхания и т.д. Глубина исследования системы зависит от степени детализации переменных на входе и на выходе. Степень детализации называют разрешающим уровнем исследова- ния системы. Минимальным является разрешающий уровень, при котором исследова- тель различает один вход и один выход. Например, при изучении влияния удобрений на урожай можно ограничиться рассмотрением одной входной величины – внесением общей дозы удобрений, и одной на выходе – урожайностью. При более глубоких ис- следованиях можно рассмотреть формы минеральных веществ, сроки и способы их внесения и т.д., а на выходе – изменения в листовой поверхности, форм ветвления, интенсивность процессов фотосинтеза, роста, развития и т.д. Что такое входные и выходные величины? Как они влияют на систему? Что такое разрешающий уровень системы? 3.2.5. Классификация систем Существуют различные классификации систем. Какие классификации систем существуют? Системы, созданные без участия человека, являются естественными, системы, созданные людьми – искусственными. По характеру взаимодействия с внешней средой различают системы открытые и замкнутые. Открытая система находится во взаимодействии со средой. В закрытых системах элементы взаимодействуют друг с другом без взаимодействия с окружающей средой. Строго говоря, таких систем быть не может. Однако в ряде случаев можно рас- сматривать некоторые системы, абстрагируясь от внешней среды. Например, вычисли- тельная машина, выполняющая вычисления в автоматическом режиме. Если в процессе взаимодействий последовательность событий "причина–следст- вие" предопределены заранее, говорят о детерминированных системах. Связи в них носят жесткий, функциональный характер. С точки зрения управления эти системы ин- тереса не представляют, хотя и в детерминированных системах могут происходить сбои. Например, при нажатии на выключатель должен загореться свет. Но в некоторых случаях это может не произойти. Чаще встречаются вероятностные системы. Последовательность событий в та- ких системах носит вероятностный характер. Поведение таких систем предсказать точ- но невозможно, только с некоторой вероятностью. По степени сложности системы делят на простые, сложные и очень сложные. Модуль 3 16 Простыми называют системы, состоящие из небольшого числа элементов, с простыми взаимосвязями, неразветвленной структурой и предназначенные для выполнения элементарных функций (например, чередование культур в севообороте). Сложной называется система с большим числом элементов, взаимосвязей и взаимодействий, характер их разветвленный, выполняемые функции разнообразны (например, сельскохозяйственное предприятие). Очень сложными системами принято называть системы, сущность взаимосвя- зей в которых не вполне понятна, недостаточно изучена. Очень сложными система- ми являются мозг, вселенная, общество. Границы приведенных классификаций весьма условны. Жестких критериев диффе- ренциации систем по сложности нет. 3.2.6. Иерархические структуры систем Для любых сложных систем характерны многоуровневые (иерархические) структу- ры. Структуры в зависимости от выбранной точки отсчета и критерия разбиения могут быть вертикальными и горизонтальными. Иерархические структуры распространены повсеместно и носят универсальный характер. Наличие такой структуры обеспечивает системе высокую надежность функ- ционирования, благодаря возможности создания элементной избыточности. Эффек- тивность функционирования иерархической структуры зависит от ее структуры, формы связей в иерархии. Чем определяется эффективность функционирования иерархической структуры? 3.2.7. Динамические системы При рассмотрении отношений системы со средой входные и выходные величины выступают как переменные, которые могут принимать различные значения. Найти значения наиболее существенных переменных системы – значит охарактеризовать ее состояние. В некоторых системах значения переменных изменяются постепенно с течением времени. В других – изменения происходят скачками, между которыми система оста- ется неизменной в течение некоторого времени. Такие системы называют стати- ческими. Реально статические системы существуют только на определенном отрезке времени. Если переход из одного состояния системы в другое происходит не скачкообразно, а на протяжении некоторого периода времени, системы называют динамическими. Последовательное изменение состояний системы называется движением. Движе- ние включает в себя любое изменение состояния системы во времени. Если при изучении состояний системы рассматривают только входные и выходные величины, без учета протекающих при этом процессов, говорят, что систему изучают методом "черного ящика". Абстрагирование от структуры системы позволяет изучать одними и теми же мето- дами системы совершенно различной структуры – методом моделирования. Что такое динамические системы и в чем состоит их движение? Второе высшее образование 17 3.2.8. Устойчивость динамических систем Динамическая система в процессе движения может находиться в трех различных состояниях: равновесном, переходном и периодическом. Задание 3.2.4. Охарактеризуйте состояния динамической системы. Состояние системы называется равновесным, если ни одна из существенных характеристик не изменяется во времени. Переходным называется такой тип поведения системы, когда она находится в состоянии перехода из некоторого начального состояния в какое-либо установив- шееся. Этот тип характерен для экономических систем. Если система через равные интервалы времени возвращается в одни и те же состояния, то данный режим называется периодическим. Например, тенденция уро- жайности в зависимости от солнечной активности имеет 11-летний цикл. Важнейшей характеристикой поведения динамических систем является их устой- чивость. Устойчивость – это постоянство состояния системы или постоянство последовательности некоторых ее состояний во времени в процессе ее преобра- зований. Понятие устойчивости в живых организмах связано с понятием гомеостазиса (способность живых организмов обеспечивать оптимальный режим внутренней среды путем поддержания постоянства существенных переменных: температура, состав клеточной жидкости и т.д.). Обеспечение постоянства существенных параметров сис- темы достигается за счет процессов саморегулирования в живых организмах, благо- даря чему устраняются последствия воздействия случайных влияний среды на от- дельные подсистемы организма. Понятие устойчивости относится не к системе в целом, а к какому-либо свойству ее поведения, причем поведения системы в целом, а не отдельных ее частей. Понятие устойчивости динамических систем связано с тем, что отклонения неко- торых параметров системы от заданных не превышает допустимых значений. Система, устойчивая по одному признаку, может быть неустойчивой по другому. Что такое устойчивость динамической системы? С каким биологическим понятием оно связано? Чем определяется устойчивость? 3.2.9. Особенности биологических систем Важнейший метод изучения биологических систем – моделирование. Биологи- ческие системы характеризуются сложной иерархической структурой. Например, если в качестве отправного уровня рассматривать биоценоз (совокупность систем организ- мов), то иерархия будет выглядеть следующим образом: Фундаментальная особенность биологических систем – способность к самооргани- зации. Только живым системам присущи такие свойства, как раздражимость, размно- жение, обмен веществ. биоценоз–вид–организм–орган–ткань–клетка–субклеточные структуры. Модуль 3 18 Что такое положительная и отрицательная обратная связь? Чем опре- деляется стабильность биологических систем? Основная форма управления в биологических системах – целесообразная саморе- гуляция. Оптимизация поведения биологических систем в изменяющемся окружаю- щем мире осуществляется в форме саморегулирования. Целесообразность поведения биологических систем заключается в их стремлении к повышению организованности, совершенствованию внутренней структуры, надежности функционирования. Биологическая система обладает свойством стабилизации, т.е. может поддержи- вать некоторые свои параметры при возмущении внешней среды. При длительном возмущении внешней среды биологическая система может пере- страивать свою структуру, т.е. обладает свойством адаптивности. При систематических изменениях окружающей среды биологическая система при- спосабливается к ним, т.е. она обладает свойством эволюции. Биологические системы обладают свойством самовосстановления и самовос- производства. Механизм обратной связи в биологических системах также специфичен. В процессе эволюции происходят определенные изменения в наследственности. Эти свойства за- крепляются в процессе размножения. Если новые поколения оказываются более при- способленными, то реализуется положительная обратная связь. Если же новые особи менее приспособлены, то они погибают, т.е. срабатывает механизм отрицательной об- ратной связи, а система стабилизируется на исходном состоянии. Стабильность биологических систем не означает постоянного равновесия их сос- тояния. Наиболее характерным типом поведения биологических систем является пере- ходный режим. При характеристике поведения биологических систем обычно говорят об "устойчивом равновесии". 3.3. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ Сохранение целостности системы при постоянно меняющихся внешних условиях можно представить как достижение некоего равновесия со средой ее обитания. Это равновесие в общем случае подвижно. Устойчивость подвижного равновесия выра- жается в обобщенном |