Чем отличаются понятия компонент системы элемент системы и подсистема

Что такое элемент системы, компонент системы, подсистема?

Функциональная среда системы — характерная для системы совокупность законов, алгоритмов и параметров, по которым осуществляется взаимодействие (обмен) между элементами системы и функционирование (развитие) системы в целом.

Элемент системы — условно неделимая, самостоятельно функционирующая часть системы.

Компоненты и подсистемы.

Если же части системы не обладают такими свойствами, а представляют собой просто совокупности однородных элементов, то такие части принято называть компонентами.

Связь. Понятие связь входит в любое определение системы и обеспечивает возникновение и сохранение ее целостных свойств. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику), и функционирование (динамику) системы.

Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Действительно, элементы, вступая во взаимодействие (связь) друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали в свободном состоянии.

Связи можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом).

По первому признаку связи делят на направленные и ненаправленные.

По характеру (виду) различают связи подчинения, порождения (или генетические), равноправные (или безразличные), управления.

Структура системы — совокупность связей, по которым обеспечивается энерго-, массо- и информационный обмен между элементами системы, определяющая функционирование системы в целом и способы ее взаимодействия с внешней средой.

Часто структуру системы оформляют в виде графа. При этом элементы являются вершинами графа, а ребра обозначают связи.

Символически это определение системы представим следующим образом:

R – отношения между

Понятия, характеризующие функционирование и развитие системы

Процессы, происходящие в сложных системах, как правило, сразу не удается представить в виде математических соотношений или хотя бы алгоритмов.

Поэтому для того, чтобы хоть как-то охарактеризовать стабильную ситуацию или ее изменения, используют специальные термины, заимствованные теорией систем из теории автоматического регулирования, биологии, философии.

Состояние. Понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии.

Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры, макросвойства системы (давление, скорость, ускорение).

Поведение. Если система способна переходить из одного состояния в другое, то говорят, что она обладает поведением.

Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности (правила) перехода из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает каким-то поведением и выясняют его характер, алгоритм.

Равновесие. Понятие равновесие определяют как способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго.

Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия.

Возврат в это состояние может сопровождаться колебательным процессом. Соответственно в сложных системах возможны неустойчивые состояния равновесия.

Классификация систем

Большие и сложные системы

Большие системы – те, моделирование которых затруднено вследствие их размерности, а сложные системы – те, для моделирования которых недостаточно информации.

Иногда выделяют еще «Очень сложные системы», для моделирования которых человечество не обладает нужной информацией. Это мозг, вселенная, социум.

При моделировании больших систем применяют метод декомпозиции, в котором снижение размерности осуществляется путем разбиения на подсистемы.

При моделировании сложных систем применяют специальные методы снижения неопределенности.

Источник

Чем отличаются понятия компонент системы элемент системы и подсистема

Термины теория систем и системный анализ, несмотря на период более 25 лет их использования, все еще не нашли общепринятого, стандартного истолкования.

Причина этого факта заключается в динамичности процессов в области человеческой деятельности и в принципиальной возможности использовать системный подход практически в любой решаемой человеком задаче.

Общая теория систем (ОТС) — научная дисциплина, изучающая самые фундаментальные понятия и аспекты систем. Она изучает различные явления, отвлекаясь от их конкретной природы и основываясь лишь на формальных взаимосвязях между различными составляющими их факторами и на характере их изменения под влиянием внешних условий, при этом результаты всех наблюдений объясняются лишь взаимодействием их компонентов, например характером их организации и функционирования, а не с помощью непосредственного обращения к природе вовлечённых в явления механизмов (будь они физическими, биологическими, экологическими, социологическими, или концептуальными)

Для ОТС объектом исследования является не «физическая реальность», а «система», т.е. абстрактная формальная взаимосвязь между основными признаками и свойствами.

При системном подходе объект исследования представляется как система. Само понятие система может быть относимо к одному из методологических понятий, поскольку рассмотрение объекта исследуется как система или отказ от такого рассмотрения зависит от задачи исследования и самого исследователя.

Существует много определений системы.

Термины «отношение» и «взаимодействие» используются в самом широком смысле, включая весь набор родственных понятий таких как ограничение, структура, организационная связь, соединение, зависимость и т.д.

Таким образом, система S представляет собой упорядоченную пару S=(A, R), где A — множество элементов; R — множество отношений между A.

Система — это полный, целостный набор элементов (компонентов), взаимосвязанных и взаимодействующих между собой так, чтобы могла реализоваться функция системы.

Исследование объекта как системы предполагает использование ряда систем представлений (категорий) среди которых основными являются:

Рассмотрим определения других понятий, тесно связанных с системой и ее характеристиками.

Объектом познания является часть реального мира, которая выделяется и воспринимается как единое целое в течение длительного времени. Объект может быть материальным и абстрактным, естественным и искусственным. Реально объект обладает бесконечным набором свойств различной природы. Практически в процессе познания взаимодействие осуществляется с ограниченным множеством свойств, лежащих в приделах возможности их восприятия и необходимости для цели познания. Поэтому система как образ объекта задаётся на конечном множестве отобранных для наблюдения свойств.

Понятие «система» возникает там и тогда, где и когда мы материально или умозрительно проводим замкнутую границу между неограниченным или некоторым ограниченным множеством элементов. Те элементы с их соответствующей взаимной обусловленностью, которые попадают внутрь, — образуют систему.

Те элементы, которые остались за пределами границы, образуют множество, называемое в теории систем «системным окружением» или просто «окружением», или «внешней средой».

Из этих рассуждений вытекает, что немыслимо рассматривать систему без ее внешней среды. Система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия с окружением, являясь при этом ведущим компонентом этого воздействия.

В зависимости от воздействия на окружение и характер взаимодействия с другими системами функции систем можно расположить по возрастающему рангу следующим образом:

Всякая система может рассматриваться, с одной стороны, как подсистема более высокого порядка (надсистемы), а с другой, как надсистема системы более низкого порядка (подсистема). Например, система «производственный цех» входит как подсистема в систему более высокого ранга — «фирма». В свою очередь, надсистема «фирма» может являться подсистемой «корпорации».

Обычно в качестве подсистем фигурирует более или менее самостоятельные части систем, выделяемые по определённым признакам, обладающие относительной самостоятельностью, определённой степенью свободы.

Компонент — любая часть системы, вступающая в определённые отношения с другими частями (подсистемами, элементами).

Элементом системы является часть системы с однозначно определёнными свойствами, выполняющие определённые функции и не подлежащие дальнейшему разбиению в рамках решаемой задачи (с точки зрения исследователя).

Понятие элемент, подсистема, система взаимопреобразуемы, система может рассматриваться как элемент системы более высокого порядка (метасистема), а элемент при углубленном анализе, как система. То обстоятельство, что любая подсистема является одновременно и относительно самостоятельной системой приводит к 2 аспектам изучения систем: на макро- и микро- уровнях.

При изучение на макроуровне основное внимание уделяется взаимодействию системы с внешней средой. Причём системы более высокого уровня можно рассматривать как часть внешней среды. При таком подходе главными факторами являются целевая функция системы (цель), условия её функционирования. При этом элементы системы изучаются с точки зрения организации их в единое целое, влияние на функции системы в целом.

На микроуровне основными становятся внутренние характеристики системы, характер взаимодействия элементов между собой, их свойства и условия функционирования.

Для изучения системы сочетаются оба компонента.

Под структурой системы понимается устойчивое множество отношений, которое сохраняется длительное время неизменным, по крайней мере в течение интервала наблюдения. Структура системы опережает определенный уровень сложности по составу отношений на множестве элементов системы или что эквивалентно, уровень разнообразий проявлений объекта.

Связи — это элементы, осуществляющие непосредственное взаимодействие между элементами (или подсистемами) системы, а также с элементами и подсистемами окружения.

Связь — одно из фундаментальных понятий в системном подходе. Система как единое целое существует именно благодаря наличию связей между ее элементами, т.е., иными словами, связи выражают законы функционирования системы. Связи различают по характеру взаимосвязи как прямые и обратные, а по виду проявления (описания) как детерминированные и вероятностные.

Прямые связи предназначены для заданной функциональной передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций — от одного элемента к другому в направлении основного процесса.

Обратные связи, в основном, выполняют осведомляющие функции, отражая изменение состояния системы в результате управляющего воздействия на нее. Открытие принципа обратной связи явилось выдающимся событием в развитии техники и имело исключительно важные последствия. Процессы управления, адаптации, саморегулирования, самоорганизации, развития невозможны без использования обратных связей.

Рис. — Пример обратной связи

С помощью обратной связи сигнал (информация) с выхода системы (объекта управления) передается в орган управления. Здесь этот сигнал, содержащий информации о работе, выполненной объектом управления, сравнивается с сигналом, задающим содержание и объем работы (например, план). В случае возникновения рассогласования между фактическим и плановым состоянием работы принимаются меры по его устранению.

Основными функциями обратной связи являются:

Нарушение обратных связей в социально-экономических системах по различным причинам ведет к тяжелым последствиям. Отдельные локальные системы утрачивают способность к эволюции и тонкому восприятию намечающихся новых тенденций, перспективному развитию и научно обоснованному прогнозированию своей деятельности на длительный период времени, эффективному приспособлению к постоянно меняющимся условиям внешней среды.

Особенностью социально-экономических систем является то обстоятельство, что не всегда удается четко выразить обратные связи, которые в них, как правило, длинные, проходят через целый ряд промежуточных звеньев, и четкий их просмотр затруднен. Сами управляемые величины нередко не поддаются ясному определению, и трудно установить множество ограничений, накладываемых на параметры управляемых величин. Не всегда известны также действительные причины выхода управляемых переменных за установленные пределы.

Детерминированная (жесткая) связь, как правило, однозначно определяет причину и следствие, дает четко обусловленную формулу взаимодействия элементов. Вероятностная (гибкая) связь определяет неявную, косвенную зависимость между элементами системы. Теория вероятности предлагает математический аппарат для исследования этих связей, называемый «корреляционными зависимостями».

Критерии — признаки, по которым производится оценка соответствия функционирования системы желаемому результату (цели) при заданных ограничениях.

Эффективность системы — соотношение между заданным (целевым) показателем результата функционирования системы и фактически реализованным.

Функционирование любой произвольно выбранной системы состоит в переработке входных (известных) параметров и известных параметров воздействия окружающей среды в значения выходных (неизвестных) параметров с учетом факторов обратной связи.

Рис. — Функционирование системы

Вход — все, что изменяется при протекании процесса (функционирования) системы.

Выход — результат конечного состояния процесса.

Процессор — перевод входа в выход.

Система осуществляет свою связь со средой следующим образом.

Вход данной системы является в то же время выходом предшествующей, а выход данной системы — входом последующей. Таким образом, вход и выход располагаются на границе системы и выполняют одновременно функции входа и выхода предшествующих и последующих систем.

Управление системой связано с понятиями прямой и обратной связи, ограничениями.

Обратная связь — предназначена для выполнения следующих операций:

Ограничение — обеспечивает соответствие между выходом системы и требованием к нему, как к входу в последующую систему — потребитель. Если заданное требование не выполняется, ограничение не пропускает его через себя. Ограничение, таким образом, играет роль согласования функционирования данной системы с целями (потребностями) потребителя.

Определение функционирования системы связано с понятием «проблемной ситуации», которая возникает, если имеется различие между необходимым (желаемым) выходом и существующим (реальным) входом.

Проблема — это разница между существующей и желаемой системами. Если этой разницы нет, то нет и проблемы.

Решить проблему — значит скорректировать старую систему или сконструировать новую, желаемую.

Состоянием системы называется совокупность существенных свойств, которыми система обладает в каждый момент времени.

Источник

Общее понятие системы 3.1. Элементы, структура, процессы. Виды систем

Система (греч. systema – составленное из частей, соединенное) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующее определенную целостность, единство1.

Есть два понятия, близкие понятию система, но не тождественные ему – это комплекс и совокупность (множество объектов). По отношению к системе это более усеченные, неполные понятия: комплекс включает части, не обязательно обладающие системными свойствами, хотя эти части сами могут быть системами. Совокупность же – это множество, набор элементов, не обязательно находящихся в системных отношениях и связях друг с другом. Отличительное свойство системы можно сформулировать известным еще в античности тезисом: «целое больше суммы его частей».

Подсистема – относительно независимая часть системы, включающая совокупность взаимосвязанных элементов.

Элемент системы – часть системы с однозначно определенными известными свойствами, которую невозможно или не требуется при данном рассмотрении расчленять на составные части; условно неделимая часть системы. Понятие элементов системы является условным и зависит от цели и метода исследования. Подсистема и элемент характеризуют состав системы.

Структура системы – это совокупность связей и отношений между элементами или подсистемами системы.

Функция системы – назначение, которое предопределяется заданным результатом; результат является системообразующим фактором. Функционирование системы есть процесс смены ее состояний.

Можно выделить следующие свойства систем:

синергетичность – однонаправленность действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы; эмерджентность – цели (функции) компонентов системы не всегда совпадают с целями (функциями) системы.

Системы можно классифицировать по различным основаниям.

1. По отношению системы к окружающей среде:

открытые (есть обмен с окружающей средой ресурсами); закрытые (нет обмена ресурсами с окружающей средой).

2. По происхождению системы (элементов, связей, подсистем):

искусственные (орудия, механизмы и т. д.); естественные (живые, неживые, экологические, социальные и т. д.); смешанные (экономические, биотехнические, организационные и т. д.).

По описанию переменных системы:

с качественными переменными (неизмеримыми); с количественными переменными (имеющие дискретно или непрерывно описываемые количественным образом переменные); смешанного (количественно-качественное) описания.

По способу управления системой:

с внешним управлением (без обратной связи, регулируемые, управляемые структурно, информационно или функционально); с внутренним управлением (саморегулируемые – программно управляемые, регулируемые автоматически, адаптируемые – приспосабливаемые с помощью управляемых изменений состояний и самоорганизующиеся – изменяющие во времени и в пространстве свою структуру наиболее оптимально, упорядочивающие свою структуру под воздействием внутренних и внешних факторов); с комбинированным управлением (автоматические, полуавтоматические, автоматизированные, организационные)2.

Динамическая (изменяющаяся во времени) система может быть описана с помощью понятий, связанных с ее функционированием в среде. При этом система определяется как совокупность трех множеств – входов X, выходов Y и отношений между ними R. Тогда систему можно описать в виде соотношения:

Графическое описание системы чаще всего состоит в построении графа, вершины которого соответствуют элементам системы, а дуги – их связям. Связи в графе могут быть организованы различным образом.

Примером такого представления является социальный граф – система связей между индивидами. Таким графом можно изобразить, например, результаты социометрии (рис. 3.1), какую либо из социальных Интернет-сетей (рис. 3.2), «генеалогическое дерево» (рис. 3.3).

Например, в социометрическом графе наличие связи указывает выбор данного индивида. Связи можно присвоить валентность (в зависимости от отрицательного или положительного выбора).

В социальной сети MoiKrug. ru отношения между людьми отображаются при помощи кругов. Социальная сеть демонстрирует, кому участник сети доверил свою контактную информацию, можно ли и через кого связаться с участником социальной сети, с какими кругами ассоциирует себя тот или иной участник сети.

Первый круг состоит из людей, которым вы доверили свою контактную информацию. Во второй круг входят люди, которым лица из первого круга доверили свою контактную информацию. Третий круг состоит из людей, которым лица из второго круга доверили свою контактную информацию.

Рис. 3.1. Социометрический граф

Рис. 3.2 Граф связей

Часто систему описывают в виде «черного ящика» – объекта, относительно которого известны входные и выходные сигналы, но сами процессы, в нем происходящие, не определены, либо не важны в рамках данной конкретной задачи. Такие системы обычно имеют некий «вход» для ввода информации и «выход» для отображения результатов работы рис. 3.4.

Термин «черный ящик» впервые упоминается в книге «Введение в кибернетику» в 1959г. и заимствован из авиационной техники, где он появился в 1940гг и означал некоторые элементы самолета.

Как уже отмечалось, для того, чтобы считаться кибернетической, система должна быть достаточно сложной, динамической, способной воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также иметь цель своего функционирования и устройства, с помощью которых эта цель может быть достигнута.

Сложность кибернетических систем определяется двумя факторами: размерностью – т. е. общим числом параметров, описывающих состояния всех элементов системы и сложностью структуры, характеризующейся общим числом связей между ее элементами и их разнообразием.

Организация связей между элементами кибернетической системы – структура – может быть постоянной и переменной. Изменения структуры задаются функциями от состояний всех составляющих систему элементов и от входных сигналов всей системы в целом.

Система называется детерминированной, если все эти функции являются однозначно определенными. Если же хотя бы часть из них представляют собой случайные функции, то система носит название вероятностной (стохастической).

Полное описание кибернетической системы получается, если добавляется описание ее начального состояния, т. е. начальной структуры системы и начальных состояний всех ее элементов.

3.2. Система как преобразователь информации.

Кибернетика рассматривает взаимодействия системы со средой и систем между собой исключительно как информационные. Кибернетический подход предполагает рассмотрение любых систем как преобразователей информации.

Простейшие преобразователи информации могут осуществлять преобразование лишь одного определенного вида, но, как правило, сложные кибернетические системы обладают способностью накапливать информацию в той или иной форме и в зависимости от этого менять выполняемые ими действия. По аналогии с человеческим мозгом подобное свойство кибернетических систем называют памятью. «Запоминание» информации в кибернетических системах может производиться двумя основными способами – либо за счет изменения состояний элементов системы, либо за счет изменения структуры системы (возможен и смешанный вариант).

Информация имеет непосредственное отношение к процессам управления, обеспечивающим такие качества систем, как устойчивость и выживаемость. Эти процессы тесно связаны между собой: для формирования оптимального поведения в среде система должна постоянно приспосабливаться к непрерывно изменяющимся внешним условиям, исследуя, изучая и познавая эту среду путем сбора и обработки внешней и внутренней информации.

Рассматривая взаимосвязь системы и информации, можно выделить два типа последней:

связанная или структурная информация. Характеризует организованность, упорядоченность самой системы. свободная, относительная информация, информация-сообщение. Объем и само восприятие такой информации зависит от возможностей системы ее использовать, т. е. от состава и объема имеющейся в системе связанной информации.

В системе постоянно происходит процесс превращения свободной информации в связанную. Связанная информация может служить мерой организованности или упорядоченности системы. Степень организации, управления и регулирования в системе определяется наличием информации, обеспечивающей ограничение свойственных системе тенденций к росту разнообразия.

Разнообразие (количество возможностей, степеней свободы системы) увеличивает энтропию (от греч. en, tropз – поворот, превращение), неопределенность в системе, а с увеличением степени организации разнообразие уменьшается3 (рис. 3.4). Как отмечал Н. Винер, «в то время как энтропия является мерой дезорганизованности, информация, переносимая некоторым потоком посланий, определяет меру организованности… При этом, чем больше вероятность послания, тем меньше информации оно содержит»4.

К. Шеннон ввел специальную меру, связывающую энтропию и информацию в системе. Эта формула количественно характеризует достоверность передаваемого сигнала и используется для расчета количества информации:

,

где H – энтропия, K – константа (зависит от выбора единиц измерения), n – число состояний системы; Pi – вероятность (или относительная частота) перехода системы в i-ое состояние, .

Рис. 3.4. Информация противостоит тенденциям

системы к дезорганизации и возрастанию энтропии

Многие ученые не соглашались с выводами Клаузиса. утверждал, что «жизнь не укладывается в рамки энтропии». В природе наряду с энтропийными происходят и антиэнтропийные процессы: возникают новые системы, формы и взаимодействие усложняются. Согласно эволюционной теории Дарвина, живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения видов живых организмов. В обществе также наблюдается процесс развития и созидания нового. Каким же образом из всеобщей тенденции к энтропии, дезорганизации может появиться «порядок»?

Ответом на этот вопрос стало понимание того, что в сложных живых системах происходит не только процесс разрушения, но и обратный процесс, названный самоорганизацией. Самоорганизация систем связана с неэнтропийным процессом управления, который устраняет неопределенность и повышает информативность системы.

В самоорганизующейся системе появляющиеся изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации – случайные отклонения системы от устойчивого равновесия. Первоначально флуктуации подавляются и ликвидируются системой. Но в открытых системах, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового.

В сильно неравновесных условиях системы начинают воспринимать те факторы, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии, кроме того, в условиях далеких от равновесия, в системах действуют бифуркационные механизмы. Если в равновесном (или слабо неравновесном) состоянии применительно к исследуемой системе может быть зафиксировано лишь одно стационарное состояние, то при удалении от равновесия (в сильно неравновесном состоянии) при определенном значении изменяемого параметра, система достигает так называемого порога устойчивости, за которым для системы открывается несколько (более, нежели одна) возможных ветвей развития. Математически это означает, что зависимость решения соответствующего уравнения от избранного параметра становится неоднозначной. Такое критическое значение градиента называется точкой бифуркации.

Что понимают под информацией в кибернетике? Что представляет собой система и каковы ее признаки? Что является элементом системы и подсистемой? Приведите примеры различного деления системы на элементы и подсистемы. Что определяет сложность системы? Что характеризуется термином «энтропия»? Какова связь между энтропией и информацией?

1 Большая советская энциклопедия // Материалы Интернет-сайта: http://slovari. yandex. ru

2 См.: Казиев, в системный анализ и моделирование. Глава 2. Система и системность: основные понятия / В. М. Казиев // Электронный Интернет-учебник: http://cylib. iit. nau. /Books/ Computer Science /SystemAnalize/www. kbsu. ru/content. htm

3 Существует также термодинамическое понятие энтропии (Р. Клаузис, Л. Больцман), определяемое как количество связанной энергии, находящейся в системе, которую нельзя превратить в работу, и мера однородности, хаотичности молекулярных систем.

4 Винер, Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине / Н. Винер. – М.: Наука, 1983. – С. 172.

Источник