Теория систем и системный анализ (стр. 4 )

1-1

1-2 1-m

1 2-1 . n

.

. . q-m

.

. t-2

q-1

Рис.3

Важной характеристикой графа является число возможных путей, по которым можно пройти от одной вершины к другой. Чем больше таких путей, тем совершеннее структура, но тем она избыточнее. Избыточность обеспечивает надежность структуры. Например, разрушение 90% нервных связей головного мозга не ощущается и не влияет на поведение. Может существовать и бесполезная избыточность, которая в структурном графе изображается в виде петель.

В качестве примера сетевой структуры приведем также структуру организации строительно-монтажных работ при строительстве дома: некоторые работы, например, монтаж стен, благоустройство территории и др. можно выполнять параллельно.

Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве. Все компоненты (вершины, узлы) и связи (дуги, соединения узлов) существуют в этих структурах одновременно, т. е. не разнесены во времени.

Структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня подчинен одному узлу (одной вершине) вышестоящего (и это справедливо для всех уровней иерархии), называются древовидными структурами, структурами типа «дерево» или иерархическими структурами с «сильными» связями.

1-1

n

… … … …

m-1 m-2 m-3 m-4 m-k

Рис.4

Однако между уровнями иерархической структуры необязательно должны существовать отношения древовидного характера. Нижележащий компонент может подчиняться нескольким компонентами вышележащего уровня – это иерархические структуры со «слабыми» связями.

Примером иерархической структуры является структура управления вузом: ректор – проректора – деканы – заведующие кафедрами.

В форме матричной структуры могут быть представлены взаимоотношения между уровнями иерархической структуры. Например, древовидная иерархическая структура и иерархическая структура со «слабыми» связями, приведенные выше, могут быть представлены соответственно следующими матричными структурами:

1

1

1

. 1-n-1 1-n

2

2

2

. 2-n-1 2-n

m-1 m-2 . m-n-1 m-n

Рис.5

Матричная структура иногда удобнее при оформлении планов, поскольку помимо иерархической соподчиненности тематической основы плана, в нем нужно еще указать исполнителей, сроки выполнения, формы отчетности и другие сведения, необходимые для контроля выполнения плана.

Реальные системы организационного управления (особенно на уровне региона, государства) представляют собой, как правило, смешанные иерархические структуры. Они могут иметь как вертикальные связи разной силы (управление, координация), так и горизонтальные взаимодействия между элементами (подсистемами) одного уровня.

В качестве примера можно привести смешанный принцип территориально-отраслевого управления в нашей стране. В соответствии с этим принципом органы территориального и отраслевого управления не являются подчиненными дуг другу. В отдельности территориальное и отраслевое управления имеют древовидные структуры. В то же время предприятия, организации и учреждения, как правило, имеют двойное подчинение отраслевым министерствам и территориальным (региональным, республиканским) органам управления, т. е. имеет место иерархия со «слабыми» связями. В свою очередь между соответствующими органами управления при принятии решений по сложным проблемам устанавливаются горизонтальные взаимодействия для согласования решений, взаимного обмена информацией и т. п. рганы территориального и отраслевого управления не являются подчиненными дуг другу. плана, в нем

2.2. Функционирование и развитие систем. Синергетика

Состоянием системы называется совокупность существенных свойств, которыми система обладает в конкретный момент времени. Состояние определяется либо через входные воздействия и выходные результаты, либо через общесистемные свойства. Статистическая система – это система с одним и тем же состоянием. Динамическая система – система с множеством состояний, в которой с течением времени происходит переход из одного состояния в другое.

Изменение состояния системы, исходом которого является некоторый результат, называется поведением системы. В основном термин «поведение» относят к организационным системам. Для технических систем обычно говорят о процессах в системе.

Поведение каждой системы объясняется структурой систем низшего порядка, из которых состоит данная система, и наличием признаков равновесия (гомеостаза).

Равновесие. Данное понятие определяет способность системы в отсутствии внешних возмущений сохранять свое состояние неопределенно длительное время. В соответствии с признаком равновесия система имеет определенное состояние (состояния), которое являются для нее предпочтительным. Поэтому поведение систем описывается в терминах восстановления этих состояний, когда они нарушаются в результате изменения окружающей среды.

Устойчивость. Под устойчивостью понимается способность системы возвращаться в состояние равновесия после воздействия внешних возмущений.

Неизбежность существования в постоянно меняющемся окружении имеет множество последствий для самой системы. Разнообразным изменениям среды соответствуют различные реакции системы. На одни изменения среды система отвечает реакцией, направленной на сохранение своего состояния (гомеостаз, стабилизация, стационарность).

Например, сохранение устойчивости в биологических и экологических системах часто сводится к поддержанию гомеостаза – соблюдению некоторого динамического равновесия, гарантирующего поддержание параметров в определенном диапазоне, который определяет существование системы. Тем самым понятие гомеостаза есть ограниченная характеристика устойчивости, полученная посредством наблюдения за критическими параметрами и удержания их в допустимых пределах. Так, о гомеостазе организма судят по кровяному давлению, частоте сердцебиения, составу крови и т. д.

Работа механизма гомеостаза определяется принципом Ле-Шателье относительно саморегуляции в системе, направленной на удержание равновесного состояния при наличии дисфункциональных процессов. Указанный принцип гласит: если на систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия, производится внешнее воздействие, выводящее систему из равновесия, то равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. В электродинамике схожий смысл имеет правило Ленца.

Следует отметить, что в литературе по теории систем гомеостаз иногда трактуется в расширительном смысле, понимая под этим всю совокупность мер по адаптации системы к изменяющимся условиям.

Итак, поддержание устойчивости системы, сохранение ее гомеостаза составляет внутреннюю цель системы, в отличие от внешней, характеризующей взаимоотношения со средой. Следовательно, система должна быть организована так, чтобы обеспечить собственное выживание, стабильность в меняющемся мире и одновременно развитие, эволюцию, приближение к некоторой цели.

Иногда система сама изменяется в том же или несколько более медленном темпе, что и среда (адаптация); а некоторые функции системы могут выполняться, только если в системе осуществятся более быстрые изменения, опережающие изменения среды (например, в управлении, в экономике, и вообще в любой активной деятельности).

Гибкость системы будем понимать как способность к структурной адаптации системы в ответ на воздействия окружающей среды.

Пример. Гибкость экономической системы – способность к структурной адаптации к изменяющимся социально-экономическим условиям, способность к регулированию, к изменениям экономических характеристик и условий.

Деятельность (работа) системы может происходить в пяти основных режимах: функционирование, рост, развитие (эволюция), спад и деградация.

Для примера рассмотрим классификацию изменений в составе и/или структуре системы на некотором коротком интервале времени.

Часто изменения не затрагивают структуры системы: одни элементы могут заменяться другими, эквивалентными, а параметры (внутренние переменные) системы могут меняться, без нарушения структуры (работают часы, городской транспорт, школа). Такой тип динамики системы называется ее функционированием. Функционирование – это деятельность (работа) системы без смены (главной) цели системы.

Если изменения носят преимущественно количественный характер, то происходит наращивание состава системы. Хотя при этом автоматически происходит и изменение структуры, оно до поры, до времени практически не сказывается на свойствах системы (расширение мусорной свалки или кладбища - примеры). Такие изменения называют ростом системы.

Можно выделить качественные изменения системы, при которых происходит изменение ее существенных свойств.

Характер этих изменений определяется процессами, идущими в системе, взаимодействием с окружающей средой. Изменения могут быть монотонными, скачкообразными, с повторением уже пройденных состояний (циклическое развитие).

Развитие – это деятельность (работа) системы со сменой цели системы.

Применительно к организационным системам Р. Акофф определяет развитие как "увеличение желания и способности удовлетворять свои собственные и чужие нужды и оправданные желания". Желания называются" оправданными", если их удовлетворение ради одних не скажется отрицательно на развитии других. Нужды - это то, что необходимо для выживания. Возможны разные комбинации; например, можно не хотеть нужного, можно желать ненужного. Развитие связано с повышением системности, организованности. Это не значит, что развитие не требует ресурсов, но оно больше зависит от информационных, нежели от материальных ресурсов. Недостаток материальных ресурсов может ограничивать рост, но не развитие.

Тенденции, обратные росту и развитию, называются соответственно спадом и деградацией.

Очевидно, монотонные типы изменений не могут длиться вечно. В истории существования любой системы можно усмотреть периоды спада и подъема, стабильности и неустойчивости, последовательность которых и образует индивидуальный жизненный цикл системы.

А теперь более подробно рассмотрим класс развивающихся систем. Так называются системы, у которых количественные изменения характеристик элементов и их отношений приводит к качественным изменениям в самой системе.

Развивающиеся системы имеют ряд отличительных сторон, например, могут самопроизвольно изменять свое состояние, в результате взаимодействия с окружающей средой (как детерминированно, так и случайно). В развивающихся системах количественный рост элементов и подсистем, связей системы приводит к качественным изменениям (системы, структуры), а жизнеспособность (устойчивость) системы зависит от изменения связей между элементами (подсистемами) системы.

Основные признаки развивающихся систем:

·  самопроизвольное изменение состояния системы;

·  противодействие (реакция) влиянию окружающей среды (другим системам), приводящее к изменению первоначального состояния среды;

·  постоянный поток ресурсов (постоянная работа по их перетоку "среда-система"), направленный против уравновешивания их потока с окружающей средой.

Если развивающаяся система эволюционирует за счет собственных материальных, энергетических, информационных, человеческих или организационных ресурсов внутри самой системы, то такие системы называются саморазвивающимися (самодостаточно развивающимися). Это форма развития системы - "самая желанная" (для поставленной цели).

Любая открытая система эволюционирует, начиная с состояния наибольшей энтропии (неопределенности), спиралеобразно, актуализируя все новые связи и отношения, стремясь к организованности и порядку в системе в процессе взаимоотношений со средой, перестраивая свою структуру с целью уменьшения энтропии.

Пример. На телевизионной игре "Что? Где? Когда?" обсуждение вопроса часто начинается хаотично, спонтанно, независимо и в конце обсуждения может организоваться в единодушное принятие правильного решения.

Для оценки развития, развиваемости системы часто используют не только качественные, но и количественные оценки, а также оценки смешанного типа.

Пример. В системе ООН для оценки социально-экономического развития стран используют индекс человеческого развития, который определяется как средняя арифметическая величина пяти основных показателей:

·  индекс ожидаемой продолжительности жизни населения;

·  индекс уровня образования населения;

·  индекс уровня бедности;

·  индекс уровня общей безработицы населения;

·  индекс реального ВВП на душу населения.

При расчете индекса человеческого развития используются фиксированные стандарты минимального и максимального значений, с которыми сравниваются фактические показатели по стране. Например, доходы на душу населения – от 200 долларов до 40000 долларов по версии ООН.

В соответствии с величиной индекса человеческого развития все страны делятся ООН на высокоразвитые, среднеразвитые и низкоразвитые. Страны с развивающимися (саморазвивающимися) экономическими, правовыми, политическими, социальными, образовательными институтами отличаются высоким уровнем данного индекса. В свою очередь, изменение индекса человеческого развития (параметров, от которых он зависит) влияет на саморазвиваемость указанных институтов, в первую очередь - экономических, в частности, саморегулируемость спроса и предложения, отношений производителя и потребителя, товара и стоимости, обучения и стоимости обучения.

Индекс развития человеческого потенциала (это другое название индекса) более полно, чем такой односторонний показатель, как ВВП на душу населения, характеризует степень развития страны. Действительно, имеется ряд стран, в которых уровень дохода на душу населения одинаков, а уровень жизни существенно различается, что и отражает индекс человеческого развития.

Необходимо отметить, что любая деятельность вопреки эволюционным процессам в системе, вопреки принципам самоорганизации является противосистемной.

Пример. Любые экономические решения, противоречащие основному регулятору рынка, основному механизму ее организации – соотношению "спрос-предложение" – приводят к вредным последствиям для системы и для ее самоорганизации. Например, выпуск товаров в объеме, превышающем спрос на рынке, может привести к снижению спроса. В рамках идеи ноосферы, гармоничных взаимоотношений человека и природы, человек выступает как органическая часть природы.

Окружение человека (включая природу и общество) – нестабильное, неустойчивое, неравновесное, развивающееся. При рассмотрении проблем такого мира надо учитывать два его противоположных и взаимосвязанных, взаимно обусловливающих друг друга качества, – стабильность и нестабильность, порядок и хаос, определенность и неопределенность.

Нестабильность и неустойчивость не всегда есть зло, отрицательное качество, подлежащее устранению. Неустойчивость может, в соответствии с законами синергетики, выступать условием стабильного и динамического саморазвития, которое происходит за счет уничтожения, изъятия нежизнеспособных форм. Устойчивость и неустойчивость в системе, образование новых структур и разрушение старых, сменяя друг друга, развивают, эволюционируют систему. Порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно: один включает в себя другой – это два аспекта одного целого, они дают нам различное видение мира. Из-за этого мы не можем полностью держать под контролем окружающий мир нестабильных процессов, например, полностью контролировать социально-экономические процессы.

Современная наука и технология имеют дело со сложными системами, связь между которыми осуществляется не только через порядок, через структуры порядка, но и через хаос. Только в единстве порядка и хаоса может быть исследована эволюция сложной системы. Сложная система – целое, состоящее из устойчивых и неустойчивых частей. Здесь целое – уже простая сумма частей. Эволюция такой системы ведет к новому качеству, включая и отношения с человеком. Человек находится не вне изучаемого объекта, а внутри его, познавая это целое по его составным частям, объединяя естественные науки, усиливая междисциплинарные связи, сближая естественные и гуманитарные проблемы наук, науку и искусство. Идеи, принципы, методы и технологии современного естествознания (синергетики, информатики, системного анализа, физики открытых систем и др.), все шире внедряются в гуманитарную и социально-экономическую сферы. Есть и обратные процессы.

В число основных особенностей самоорганизующихся систем с активными элементами входят способность противостоять тенденциям неопределенности, непредсказуемости состояния и внешней среды (тенденциям энтропийности), способность адаптироваться к изменяющимся условиям, преобразуя при необходимости свою структуру и т. п. В основе этих внешне проявляющихся способностей лежит более глубокая закономерность, базирующаяся на сочетании в любой реальной развивающейся системе двух противоречивых тенденций: с одной стороны, для всех явлений, в том числе и для развивающихся, открытых систем справедлив второй закон термодинамики («второе начало»), т. е. стремление к возрастанию энтропии; а с другой стороны, наблюдаются негэнтропийные (противоположные энтропийным) тенденции, лежащие в основе эволюции.

Важные результаты в понимании закономерностей самоорганизации получены в рамках междисциплинарной дисциплины, возникшей в конце 70-х годов и получившей название синергетики.

Синергетика (от греч. synergetike – содружество, коллективное поведение) – это междисциплинарная наука, изучающая вопросы самоорганизации сложных систем и превращения хаоса в порядок.

При этом под самоорганизацией понимается появление определенного порядка в однородной массе и последующего совершенствования и усложнения возникающей структуры, т. е. образование структуры происходит не за счет внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки.

Самоорганизация, по определению автора науки, немецкого физика Германа  Хакена, – "спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем".

Согласно синергетическим моделям, эволюция системы сводится к последо­вательности неравновесных фазовых переходов. Принцип развития формулируется как по­следовательное прохождение критических областей (точек бифуркаций (раздвоения, разветвления)). Вблизи точек бифуркации наблюдается резкое усиление флуктуации (от лат. fluctuatio — колебание, отклонение). Выбор, по которому пойдет развитие после бифуркации, определяется в момент неустойчивости. По­этому зона бифуркации характеризуется принципиальной непредсказуемостью — неизвестно, станет ли дальнейшее развитие системы хаотическим или родится новая, более упорядоченная структура. Сама возможность спонтанного возникновения порядка из хаоса — важнейший момент процесса самоорганизации в сложной системе.

Механизм дальнейшей самоорганизации описывается следующим образом [17]. Фаза бифуркации является очень ответственной для развития системы. Изучению простейших бифуркационных процессов посвящена теория катастроф, которая описывает скачкообразные изменения в динамике систем вплоть до достижения некоторой предельной границы. Процессы эти в действительности чрезвычайно сложны, поэтому теория катастроф оперирует лишь с весьма простыми моделями.

В повседневной жизни бифуркацию можно сравнить с состоянием кризиса, когда достаточно малейшего толчка, чтобы круто изменить ход дальнейших событий. Такие кризисы переживает человек во время тяжелой болезни, когда истончается перегородка между жизнью и смертью. Финансовые кризисы (происшедшие или предотвращенные) также свидетельствуют о наступившей (или преодоленной) бифуркации.

Однако бифуркацию нельзя связывать только с кризисом в его негативной трактовке. Бифуркация – это перерождение системы, и оно может привести к появлению новых позитивных, с точки развития системы, качеств. На этом этапе самоорганизации идет процесс настройки и адаптации системы к условиям ее существования. Он происходит во время всего жизненного цикла системы, но именно на этапе первоначального строительства самоорганизация проявляется в наиболее активной и ответственной форме: от успеха ее проведения зависит быть или не быть только что возникшему образованию.

Наконец, происходит диалектический скачок, нарушение меры и переход количественных изменений в качественные, когда организованный участок среды превращается в систему. Для этого преобразования характерно упорядочивание совокупности элементов, когда специфичные элементы охватываются детерминированными связями. Установление порядка обусловлено функциональной необходимостью существования системы как целостности.

Таким образом, система начинает проявляться как островок организованности в русле временно-пространственного потока среды, возникший из среды и связанный с ней каузальными отношениями. Принципиальным является степень открытости системы или интенсивности ее связей со средой. Чем ближе система к естественной, тем сильнее она связана с внешним миром-средой.

Указанный процесс саморазвития распространяется на достаточно обширный класс открытых сложных систем, т. е. имеет большую общность. Представляется, что именно так происходит зарождение политических организаций и экономических образований, проектов и открытий, литературных трудов и болезней… Во всех случаях в среде возникает (привносится) один или несколько центров структуризации, которые в своем развитии составляют причину появления системы. В соответствии с этим в синергетике вводится понятие «аттрактор», под которым понимается притягивающее множество особых точек для траектории движения системы. Аттракторы можно считать областями самоорганизации системы.

Можно привести один из ярких примеров самоорганизации при циклическом развитии биологической системы [23]. Рождаясь из спор, одноклеточные амебы питаются бактериями и размножаются как отдельные организмы. Как только начинают иссякать запасы пищи в окружающей среде, амебы начинают скапливаться вокруг отдельных клеток, выполняющих роль агрегации. Таким образом, формируется колония, которая мигрирует вплоть до достижения условий, способствующих развитию. Тогда колония преобразуется в плодовитое тело, из которого вырастает стебель, несущий на себе мириады спор. Цикл развития повторяется. Управление системой осуществляется посредством выработки хемотаксического фактора, сопутствующего биохимическим процессам.

Объединение элементов в систему и ее устойчивое функционирование вовсе не свидетельствует о ее рациональном облике. Очень часто рождается некоторый монстр, способный к жизнедеятельности, но обладающий чрезмерной избыточностью. Последняя может быть и полезна, если она обеспечивает повышение надежности работы системы, но может и свидетельствовать о наличии рудиментных, паразитных образований, без которых система с успехом обойдется. Из этого затруднения единственный выход – глубоко изучить процесс функционирования системы, ее сильные и слабые стороны, а затем начать бесконечную процедуру совершенствования данной системы.

Система не может бесконечно долго находиться в пике своего совершенства. Системы смертны как и все биологические объекты, только у них нет предельного возраста. Правда, они могут жить очень долго, совершенствуясь и адаптируясь к среде. Приведем основные причины гибели систем.

Во-первых, это нарушение устойчивости системы. Потеря устойчивости в общем случае может произойти из-за изменения параметров системы (бифуркация), из-за наличия непредусмотренных при создании системы внешних воздействий (в том числе слишком больших по величине), либо при нарушении связей в системе, когда структура системы меняется.

На практике нарушение устойчивости часто приводит к драматическим последствиям: распадаются империи, при землетрясениях разваливаются здания, из-за неправильного распределения груза в трюмах переворачиваются или переламываются суда, разрушаются коллективы и семьи. Таким образом, для систем потеря устойчивости является, очевидно, наиболее распространенной причиной их гибели.

Во-вторых, причины разрушения систем связаны с нарушениями обращения материального носителя по каналам связи между элементами системы: вещества, энергии, информации. Первое, на что можно указать, это деформация самих каналов: их разрушение, снижение пропускной способности или вносимые искажения при транспортировке продукта. Кроме этого, гибель системы может быть обусловлена истощением ресурсов, нарушением свойств передаваемого носителя или наоборот, переполнением каналов, их закупоркой при избытке поступающего носителя в магистраль.

Традиционная макроэкономика ориентируется на непрерывный и, чаще всего, количественный рост, а не на устойчивость. Для развития, эволюции требуется все больше материальных, энергетических, информационных ресурсов, а их рост сужает пространство устойчивого развития общества, снижает жизнеспособность.

Эффективными можно считать действия в системе, которые поддерживают самоорганизацию системы при низком уровне энтропии за счет неравновесных процессов взаимного обмена энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Эволюция системы определяется борьбой организации и дезорганизации в системе, накоплением и усложнением информации, ее организацией и самоорганизацией, сложностью и разнообразием внутрисистемных процессов. Важным критерием эффективности системы (политики) является ее динамическая, структурная и организационная предсказуемость, отсутствие аномалий и обеспечение динамического роста, наличие и динамическая актуализация критериев оценки принимаемых решений.

Современному обществу и природе, с их множеством возможных путей развития, нельзя навязывать эти пути, они избираются на принципах самоуправления и саморегулирования, а именно, за счет целенаправленных воздействий на процессы с целью возврата траектории эволюции на желаемую траекторию (если в результате, например, стохастических воздействий система отклонилась от траектории).