Простые системы это кратко
Обновлено: 05.07.2024
Подписано в печать 12.10.04. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 2,42.
Тираж 250 экз. Заказ № 1835.
Издательство Мордовского университета
Типография Издательства Мордовского университета
430000, г. Саранск, ул. Советская, 24
Введение. Становление и развитие системных идей в экологии
Существует несколько подходов к предсказанию поведения сложных систем: использование интуиции и богатого опыта исследователя, сравнение с данными экспериментов, проделанных на тождественных или похожих системах, и, наконец, математическое моделирование. В экологических исследованиях должны использоваться — и используются — все возможные подходы. Однако в наше время масштабы и характер вмешательства человека в природные экосистемы столь беспрецедентны, что интуиция исследователя сплошь и рядом отказывает. Возможности же экспериментирования с природными экосистемами по понятным причинам более чем ограниченны. Отсюда ясными становятся важность и актуальность математического моделирования в экологии.
Задача системной экологии состоит в описании принципов, упрощений и абстракций, к которым необходимо научиться сводить многообразие реального мира природы, прежде чем приступить к построению его математических моделей. В этом случае моделирование следует считать специфическим методом системной экологии, с помощью которого исследуются законы функционирования и развития экосистем во времени и пространстве.
Вообще говоря, системный подход не является строго методологической концепцией: он выполняет эвристические функции, ориентируя конкретные экологические исследования в двух основных направлениях. Во-первых, его содержательные принципы позволяют фиксировать недостаточность старых, традиционных методов изучения экосистем для постановки и решения новых задач их целостного исследования. Во-вторых, понятия и принципы конструктивного системного подхода помогают создавать новые программы изучения, ориентированные на раскрытие сущности процессов трансформации энергии, передачи вещества и информации в экосистемах.
Эффективное осуществление методологии системного подхода стало возможным только в середине 60-х гг., когда в распоряжение экологов поступили мощные ЭВМ и были разработаны методы моделирования сложных динамических систем, главным образом в аэрокосмических и технических исследованиях, которые в совокупности получили название системного анализа.
Именно к этому периоду относится появление первых публикаций по математическому моделированию динамики экосистем (биогеоценозов) в нашей стране (Ляпунов, 1966, 1968; Полетаев, 1966; Винберг, Анисимов, 1966; Эман, 1966) и за рубежом (Olson, 1963 - Watt (ed.), 1966; Van Dyne, 1966, 1969; Davidson, Clymer, 1966; Holling, 1966; Levins, 1966; King, Paulik, 1967; Odum, 1967). Начиная с этого времени применение в экологии системного анализа все более расширялось, что сопровождалось усовершенствованием моделей и приемов моделирования, а также обратным влиянием моделирования на стратегию и тактику экологических исследований и даже методологические установки экологов.
Успехи в изучении и моделировании экосистем, способствовали окончательному утверждению системной парадигмы, опирающейся на концепцию экосистемы.
? Вопросы к семинару ?
1) Каковы цели и задачи системной экологии? Что можно принять за метод системной экологии?
2) Что такое системный подход и когда он появился?
3) История формирования системных идей в экологии.
Тема 1. Основы теории систем и системного анализа Системы и закономерности их формирования и развития
Система. Простые и сложные системы. Классификация систем
Каждая система определяется некоторой структурой (элементы и взаимосвязи между ними) и поведением (изменение системы во времени).
Б.С. Флейшман (1978, 1982) предложил пять принципов усложняюиегося поведения систем, представленных на рис. 1.
Рис. 1. Принципы усложнения систем на поведенческом уровне
Системы, включающие в себя в качестве хотя бы одной подсистемы решающую систему (поведению которой присущ акт решения), называют сложными (системы 3-5 уровней; такие системы изучает системология). Классификация систем представлена на рисунке 2.
Первым в явной форме вопрос о научном подходе в управлении сложными системами поставил Ампер, он впервые выделили кибернетику как специальную науку об управлении государством, обозначил ее место в ряде других наук и сформулировал ее системные особенности. Следующим этапом развития системных представлений были работы доктора Богданова, который в начале ХХ века начал создавать теорию организации – тектологию, основная идея его теории состоит в том, что все существующие объекты и процессы имеют определенный уровень организации, который тем выше, чем сильнее свойство целого отличается от простой суммы свойств элементов. В 50-х годах ХХ века Австрийский ученый Л. Фон Берталанфи основал там цент системных исследований. Это время и считается временем рождения теории систем. Массовое распространение системных идей связано с именем американского математика НорбертаВиннера. В своих трудах он развил идею управления и связи в животном мире и машинном, проанализировав с позиции кибернетики процессы, происходящие в обществе. В России столь же монументальный вклад в развитие системного анализа внес Колмагоров. Необходимо отметить первого Нобелевского лауреата в области системного анализа Илью Пригожина – бельгийский химик. Ученые его школы определили, что в результате взаимодействия с окружающей средой система может перейти в неравновесное состояние, в результате чего изменяется организованность системы. В целом, базисом для развития системных идей и системного подхода являются следующие 3 фактора:
1.Современные научные исследования с точки зрения целостности, организованности объектов исследования.
2.Современная сложная техника и программное обеспечение, в которых системный подход представляет ведущий принцип разработки сложных объектов.
3.Организация производства и управление, когда к анализу процессов привлекаются экономические, экологические, социологические, организационные, психологические, правовые и этические аспекты.
Теория систем как наука развивается в двух направлениях.
Первое направление - причинно-следственный подход (иногда называемый терминальным). Это направление связано с описанием любой системы как некоторого преобразования входных воздействий (стимулов) в выходные величины (реакции).
Второе - разработка теории сложных целенаправленных систем. В этом направлении описание системы производится с позиций достижения ее некоторой цели или выполнения некоторой функции.
К числу задач, решаемых теорией систем, относятся:
определение общей структуры системы; организация взаимодействия между подсистемами и элементами; учет влияния внешней среды; выбор оптимальной структуры системы; выбор оптимальных алгоритмов функционирования системы.
Классификация систем. Простые и сложные системы
Систе́ма — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.
Системы разделяют на классы по различным признакам, и в зависимости от решаемой задачи можно выбирать различные принципы классификации.
Предпринимались попытки классифицировать системы по:
Ø Виду отображаемого объекта
Ø Виду научного направления, используемого для моделирования
Ø По взаимодействию со средой
Ø типу описания закона (законов) функц-я сист:
ü -не параметризованные (закон не описан)
ü -параметризованные (закон известен с точностью до параметров)
ü -типа "Белый ящик" (полностью известен закон функц-я сист).
Ø По величине и сложности
Ø Детерминированные или стохастические
Ø Абстрактные или материальные
Простые – системы, не имеющие разветвлённых структур, состоящие из небольшого количества взаимосвязей и небольшого количества элементов. Простые системы-не имеющие цели и внешнего действия (атом, молекула, кристалл).
Сложной системой называют такую, которая строится для решения многоцелевой и многоаспектной задачи.
Сложной системой является такая система, которая обладает следующими признаками:
Ø Неопределённость и большое число элементов
Ø Эмерджентность(несводимость свойств отдельных элементов и свойств системы в целом)
Ø Иерархия (наличие нескольких уровней и способов достижения целей). Множество целей может породить внутре- и межуровневые конфликты в системе
Ø Агрегатирование– объединение нескольких параметров системы в параметры более высокого уровня
Ø Многофункциональность – это способность сложной системы к реализации множества функций на заданной структуре
Ø Гибкость – способность системы изменять цель функционирования в зависимости от условий функционирования и состояния подсистем
Ø Адаптация – это изменение целей функционирования при изменении условий функционирования
Ø Надежность – это свойство системы реализовывать заданные функции в течение определённого времени, заданными параметрами качества
Ø Безопасность – это способность системы не наносить недопустимые воздействия техническим объектам, персоналу и среде
Ø Стойкость – это свойство системы выполнять свои функции при выходе параметров среды за определённые допуски
Ø Уязвимость – способность получать повреждения при воздействии внешних и внутренних факторов
Ø Живучесть – способность изменять цели функционирования при отказе или повреждении элементов системы
Свойства сложных систем:
Ø Скачкообразное изменение поведения при переходе из одного состояния в другое
Ø Для характеристики сложной системы достаточно оценить некоторую группу её свойств, называемых системообразующими факторами. Эти количественные оценки и будут интегральными показателями основных наиболее важных свойств системы, характеризующих её состояние
Ø Изменение состояния системы происходит закономерно. Новое состояние зависит от её текущего состояния и от приложенных к системе внешних воздействий
Цели и задачи теории систем. Историческая справка
Первым в явной форме вопрос о научном подходе в управлении сложными системами поставил Ампер, он впервые выделили кибернетику как специальную науку об управлении государством, обозначил ее место в ряде других наук и сформулировал ее системные особенности. Следующим этапом развития системных представлений были работы доктора Богданова, который в начале ХХ века начал создавать теорию организации – тектологию, основная идея его теории состоит в том, что все существующие объекты и процессы имеют определенный уровень организации, который тем выше, чем сильнее свойство целого отличается от простой суммы свойств элементов. В 50-х годах ХХ века Австрийский ученый Л. Фон Берталанфи основал там цент системных исследований. Это время и считается временем рождения теории систем. Массовое распространение системных идей связано с именем американского математика НорбертаВиннера. В своих трудах он развил идею управления и связи в животном мире и машинном, проанализировав с позиции кибернетики процессы, происходящие в обществе. В России столь же монументальный вклад в развитие системного анализа внес Колмагоров. Необходимо отметить первого Нобелевского лауреата в области системного анализа Илью Пригожина – бельгийский химик. Ученые его школы определили, что в результате взаимодействия с окружающей средой система может перейти в неравновесное состояние, в результате чего изменяется организованность системы. В целом, базисом для развития системных идей и системного подхода являются следующие 3 фактора:
1.Современные научные исследования с точки зрения целостности, организованности объектов исследования.
2.Современная сложная техника и программное обеспечение, в которых системный подход представляет ведущий принцип разработки сложных объектов.
3.Организация производства и управление, когда к анализу процессов привлекаются экономические, экологические, социологические, организационные, психологические, правовые и этические аспекты.
Теория систем как наука развивается в двух направлениях.
Первое направление - причинно-следственный подход (иногда называемый терминальным). Это направление связано с описанием любой системы как некоторого преобразования входных воздействий (стимулов) в выходные величины (реакции).
Второе - разработка теории сложных целенаправленных систем. В этом направлении описание системы производится с позиций достижения ее некоторой цели или выполнения некоторой функции.
К числу задач, решаемых теорией систем, относятся:
определение общей структуры системы; организация взаимодействия между подсистемами и элементами; учет влияния внешней среды; выбор оптимальной структуры системы; выбор оптимальных алгоритмов функционирования системы.
Классификация систем. Простые и сложные системы
Систе́ма — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.
Системы разделяют на классы по различным признакам, и в зависимости от решаемой задачи можно выбирать различные принципы классификации.
Предпринимались попытки классифицировать системы по:
Ø Виду отображаемого объекта
Ø Виду научного направления, используемого для моделирования
Ø По взаимодействию со средой
Ø типу описания закона (законов) функц-я сист:
ü -не параметризованные (закон не описан)
ü -параметризованные (закон известен с точностью до параметров)
ü -типа "Белый ящик" (полностью известен закон функц-я сист).
Ø По величине и сложности
Ø Детерминированные или стохастические
Ø Абстрактные или материальные
Простые – системы, не имеющие разветвлённых структур, состоящие из небольшого количества взаимосвязей и небольшого количества элементов. Простые системы-не имеющие цели и внешнего действия (атом, молекула, кристалл).
Сложной системой называют такую, которая строится для решения многоцелевой и многоаспектной задачи.
Сложной системой является такая система, которая обладает следующими признаками:
Ø Неопределённость и большое число элементов
Ø Эмерджентность(несводимость свойств отдельных элементов и свойств системы в целом)
Ø Иерархия (наличие нескольких уровней и способов достижения целей). Множество целей может породить внутре- и межуровневые конфликты в системе
Ø Агрегатирование– объединение нескольких параметров системы в параметры более высокого уровня
Ø Многофункциональность – это способность сложной системы к реализации множества функций на заданной структуре
Ø Гибкость – способность системы изменять цель функционирования в зависимости от условий функционирования и состояния подсистем
Ø Адаптация – это изменение целей функционирования при изменении условий функционирования
Ø Надежность – это свойство системы реализовывать заданные функции в течение определённого времени, заданными параметрами качества
Ø Безопасность – это способность системы не наносить недопустимые воздействия техническим объектам, персоналу и среде
Ø Стойкость – это свойство системы выполнять свои функции при выходе параметров среды за определённые допуски
Ø Уязвимость – способность получать повреждения при воздействии внешних и внутренних факторов
Ø Живучесть – способность изменять цели функционирования при отказе или повреждении элементов системы
Свойства сложных систем:
Ø Скачкообразное изменение поведения при переходе из одного состояния в другое
Ø Для характеристики сложной системы достаточно оценить некоторую группу её свойств, называемых системообразующими факторами. Эти количественные оценки и будут интегральными показателями основных наиболее важных свойств системы, характеризующих её состояние
Ø Изменение состояния системы происходит закономерно. Новое состояние зависит от её текущего состояния и от приложенных к системе внешних воздействий
Простая система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, обеспечивающих выполнение заданных функций с одним определенным уровнем качества функционирования. Ту или иную систему, как видно из их определения, можно отнести к разряду сложных или простых. Поэтому классификация довольно условна и зависит от требуемой цели и постановки задачи. [3]
Простая система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, обеспечивающих выполнение заданных функций с одним уровнем качества функционирования. [4]
Простые системы состоят из небольшого числа элементов с простыми внутренними связями. Сложные системы характеризуются наличием разветвленной структуры и многообразием внутренних связей и поддаются описанию. Системы, не поддающиеся в настоящее время описанию, считают очень сложными системами. [5]
Простые системы имеют небольшое количество элементов. Число связей между элементами невелико, но они хорошо организованы и управляемы. Такие системы почти не зависят от окружающей среды, детерминированы и мало изменяются во времени. [6]
Простые системы имеют небольшое число элементов. Количество взаимосвязей между элементами невелико, но они хорошо организованы и управляемы. Простые системы почти не зависят от окружающей среды, детерминированы и мало изменяются во времени. [7]
Простая система , состоящая из непосредственно соединенных газового хроматографа и инфракрасного спектрометра для идентификации углеводородов с низким молекулярным весом. [8]
Простая система может находиться только в двух состояниях: состоянии работоспособности ( исправном) и состоянии отказа. При отказе любого элемента простая система либо полностью прекращает выполнение своей функции, либо продолжает ее выполнение в полном объеме, если отказавший элемент резервирован. СС при отказе отдельных элементов и даже целых подсистем, как правило не теряет работоспособность, зачастую только снижаются характеристики ее эффективности. Это свойство СС обусловлено их функциональной избыточностью и, в свою очередь, затрудняет формулировку понятия отказ системы. [9]
Простые системы имеют тенденцию вести себя линейно: выход системы линейно связан с входом. С другой стороны, сложные системы характеризуются сильными взаимодействиями между частями и нелинейными реакциями; например, соляное болото может быть относительно устойчивым к химическому загрязнению до превышения определенного порога, после которого даже малая доля дополнительного загрязнения быстро приведет к стремительной деградации. [10]
Простые системы обычно можно оценивать в терминах причины и следствия: действие просто отслеживается по всей системе до его предсказуемого последствия. С другой стороны, в сложных системах обнаруживаются обратные связи, которые часто делают зависимость между причиной и следствием сложной для определения. [11]
Простые системы обычно характеризуются стабильной и известной точкой равновесия, в которую они предсказуемо возвращаются при возмущениях. Многие сложные системы, с другой стороны, функционируют далеко от равновесия, в состоянии постоянной адаптации к изменяющимся условиям. Сложные системы часто развиваются. Простые системы обычно остаются более или менее такими, какие они есть. [12]
Простая система ориентирована на достижение одной цели, а сложная система стремится к достижению нескольких взаимосвязанных целей. Поскольку все организации являются системами, управление системой будет эффективным, если в процессе преобразований внутри организации соотношение количества и качества потребляемых ресурсов на выходе-входе будет увеличиваться. В противном случае управление организацией не является эффективным. [13]
Простая система , в которой газ растворяется в жидкости, имеет две фазы ( газ и раствор) и два компонента ( газ и растворитель); следовательно, в соответствии с правилом фаз, она должна иметь две степени свободы. Так, при постоянном составе фаз давление и температура зависят друг от друга. [14]
Простые системы из гидроперекисей и растворимых солей Fe 2 также малоэффективны для полимеризации. [15]
Система существует благодаря взаимодействию ее частей; при этом важен не столько размер или количество этих частей, сколько установившиеся между ними связи и влияние, которое они оказывают друг на друга. Эти взаимосвязи, а, следовательно, и сами системы, бывают простыми и сложными.
Есть два способа усложнить все что угодно. Когда мы думаем о чем-то сложном, мы часто его себе представляем состоящим из множества различных частей. Это сложность строения. Если вы посмотрите на мозаику-головоломку, состоящую из тысячи деталей, то увидите эту сложность строения. Часто можно найти способ упрощения, объединяя детали в группы и организуя их по-другому, ведь у каждой детали есть только одно место, в которое она может войти. С такого рода сложностью хорошо справляются компьютеры, в особенности, если процедуры работы с такими системами поддаются программированию.
Другой тип сложности — динамическая сложность.Онавозникает тогда, когда элементы системы могут быть связаны друг с другом различными способами, потому что каждая часть может находиться в различных возможных состояниях, и тогда даже небольшое количество элементов может объединяться огромным количеством способов. И не всегда оправдывается тот, казалось бы, неопровержимый закон, что чем меньше количество элементов, тем проще понять и управлять системой. Все зависит от степени динамической сложности.
Рассмотрим, к примеру, коллектив сотрудников фирмы. У каждого из них может время от времени попросту меняться настроение. Поэтому существует множество вариантов связей, которые могут устанавливаться между ними. Таким образом, система может содержать небольшое количество элементов, но обладать огромной динамической сложностью. И проблемы, кажущиеся на первый взгляд достаточно простыми, могут оказаться слишком сложными при ближайшем рассмотрении.
Появление новых связей между элементами усложняет систему, а добавление новых элементов может создать новые связи. Когда вы добавляете один новый элемент, количество возможных связей увеличивается не на единицу. Оно может расти экспоненциально; другими словами, с добавлением каждого следующего элемента прирост количества связей превышает соответствующий прирост, возникший при добавлении предыдущего. Предположим, например, что для начала имеются два элемента — А и В. Между ними могут Возникнуть две связи и два пути передачи воздействия: от А к В и от В к А. Теперь добавим еще один элемент — С. В системе появились три элемента: А, В и С. Количество возможных связей при этом увеличилось до 6 или до 12, если допустить, что два элемента могут образовать альянс и взаимодействовать с третьим (например, А с В взаимодействуют с С). Вы видите, что уже небольшое количество элементов может образовать динамически сложную систему, даже если эти элементы будут находиться только в одном состоянии, Мы знаем об этом по собственному опыту: двумя людьми управлять сложнее, чем одним, не вдвое, а более чем вдвое, потому что значительно возрастает вероятность ошибочного взаимопонимания; второй ребенок гораздо более чем вдвое увеличивает количество хлопот и прибавляет радости родителям.
Простейшие системы состоят из небольшого количества элементов, диапазон возможных состояний которых незначителен, и из малого набора простых связей, соединяющих эти элементы. Примерами таких систем могут служить терморегулятор и система водопровода. Обе эти системы не слишком сложны как по составу, так и в динамике.
Очень сложная система может содержать множество элементов и подсистем, каждая из которых может находиться в самых разных состояниях, которые в свою очередь могут изменяться под воздействием других элементов. Попытку дать исчерпывающее описание такого рода сложных систем можно сравнить с поиском выхода из лабиринта, который полностью изменяет свою конфигурацию, как только вы меняете направление движения. Любая стратегическая игра, подобная шахматам, обладает динамической сложностью, потому что всякий раз, когда вы делаете ход, вы полностью изменяете положение на доске, так как ваш ход изменяет само соотношение фигур. (Можно придумать еще более сложную динамическую игру в шахматы, в которой при каждом ходе фигура превращалась бы в новую фигуру.)
Первый урок системного подхода: выясните, с каким видом сложности вы столкнулись: со сложностью строения или с динамической сложностью — с мозаикой-головоломкой или с шахматами.
Взаимодействие между различными элементами системы определяет принципы ее работы, поэтому любой элемент, пусть наименьший и, казалось бы, простейший, может изменять поведение системы в целом. Например, гипоталамус, отдел головного мозга размером с горошину, регулирует температуру тела, частоту дыхания, водный баланс и кровяное давление. Аналогичным образом частота сердечных сокращений оказывает влияние на функции всего организма. Когда она повышается, вы можете почувствовать тревогу, возбуждение или радость. Когда она понижается, вы чувствуете себя более заторможенным.
Все элементы системы взаимодействуют и зависят друг от друга. Связи с другими элементами дают им силу влиять на всю систему в целом. Отсюда вытекает одно любопытное правило управления системами, в особенности группами людей: чем больше у вас связей, тем легче управлять. И действительно, исследования показывают, что успешные менеджеры уделяют в четыре раза больше времени построению сети связей, чем их менее успешные коллеги.
Различные элементы могут объединяться в группы, чтобы воздействовать на систему в целом. Группы объединяются в альянсы, которые могут совершенно изменить работу правительства, организации или коллектива.
Читайте также: