2.2. Классификация систем

Начиная сравнивать и различать системы, считать одни из них одинаковыми, другие – различными, мы тем самым вводим и осуществляем их классификацию. Здесь важно заметить, что классификация – это только модель реальности. Поэтому классификацию не следует абсолютизировать: реальность всегда сложнее любой модели. Например, исчерпывают ли введенные классы все возможные типы систем? Вообще, полнота классификации является предметом особого внимания при ее построении. Иногда есть уверенность в полноте вводимой классификации, иногда нет (и тогда имеет смысл вводить класс «все остальное»), а иногда наша уверенность оказывается самонадеянным незнанием. Автор не ставит цель – привести полную классификацию систем, поэтому рассмотрим далее лишь некоторые варианты данной классификации.

Классификация систем может быть связана с материальными ресурсами, затрачиваемыми на актуализацию модели. В случае компьютерного моделирования это объем памяти и машинное время; такие ресурсы ограничивают возможности решения задач большой размерности в реальном масштабе времени. Системы, моделирование которых затруднительно вследствие их размерности, будем называть большими. Существует два способа перевода больших систем в разряд малых: разрабатывать более мощные вычислительные средства либо осуществлять декомпозицию многомерной задачи на совокупность связанных задач меньшей размерности (если природа системы это позволяет).

Принципиально другой тип ресурсов – информация – может быть критерием другой классификации систем. Имеющаяся о системе информация представлена в виде модели, об использовании которой идет речь. Признаком простоты системы, то есть достаточности информации, является успешность управления. Однако если полученное с помощью модели управление приводит к неожиданным, непредвиденным или нежелательным результатам, т.е. отличающимся от предсказанных моделью, это интерпретируется как сложность системы, а объясняется как недостаточность информации для управления. Поэтому сложной системой будем называть систему, в модели которой не хватает информации для эффективного управления,

Таким образом, свойство простоты или сложности управляемой системы является свернутым отношением между нею и управляющей системой, точнее, между системой и ее моделью. Это отношение не носит объективный характер: например, кодовый замок качеcтвенно различен для того, кто знает код и кто его не знает; каждому человеку родной язык кажется проще иностранного; люди, умеющие и не умеющие водить автомобиль, имеют объективно разные возможности обращения с ним. Имеется два способа перевода системы из разряда сложной в разряд простой. Первый состоит в выяснении конкретной причины сложности, получении недостающей информации и включении ее в модель; это и является основной задачей науки, познания вообще и системного анализа в частности. Так, У. Эшби пишет: «Не подлежит сомнению, что наука упрощения обладает своими методами и тонкостями. Я убежден, что в будущем теоретик систем должен стать экспертом по упрощению» [18] . Второй способ – сменить цель, что в технических системах обычно неэффективно (подобно забиванию гвоздей микроскопом), но в отношениях между людьми это часто единственный выход.

Чтобы не возникло недоразумений при чтении специальной литературы, необходимо отметить, что термины «большая» и «сложная система» в системном анализе окончательно еще не установились и при всей естественности придаваемого им здесь смысла имеет, разные варианты их употребления.

Чтобы подробнее пояснить вытекающую из сделанной классификации разницу между большими и сложными системами, отметим, что возможны все четыре комбинации. Существуют системы: малые простые; малые сложные; большие простые; большие сложные. Приведем примеры систем всех видов (в том же порядке):

• исправные бытовые приборы – для пользователя; неисправные – для мастера; кодовый замок – для хозяина сейфа;

• неисправный бытовой прибор – для пользователя;

• кодовый замок для похитителя – система простая (требуется лишь перебор вариантов) и большая (имеющегося на вскрытие сейфа времени может не хватить на перебор вариантов);

• мозг; экономика; живой организм для исследователя.

Исследователи сложных систем давно обратили внимание на существование двух принципиально разных видов этих систем. Можно выделить так называемые гомогенные системы, состоящие из достаточно однородных относительно слабо связанных между собой элементов. Гомогенные системы часто называют корпускулярными из-за специфики их строения. В таких системах элементы практически являются и компонентами. Подобных элементов-компонентов относительно много. Целостность таких систем обеспечивается однотипностью реакций элементов системы на внешние воздействия. Разумеется, элементы при этом еще и активно взаимодействуют друг с другом. Кроме того, указанная однотипность реакций имеет у каждого элемента небольшие отклонения от некоторого «среднего стандарта». Суммируясь, эти отклонения взаимоуравновешиваются. Механизмом подобного взаимного уравновешивания зачастую являются процессы взаимодействия элементов между собой. Классическим примером подобных систем является газ, заключенный в некоторую емкость. Молекулы этого объема газа, сталкиваясь друг с другом и с границей емкости, создают определенное давление при определенной температуре. Рассматриваемый объем газа «ведет себя» при этом как единое целое. Это классический пример, приведенный А. Пуанкаре [12].

Подобные системы имеет свою специфику.

1. Границы в пространстве, как правило, размыты и определяются в большей степени внешними факторами, нежели внутренними закономерностями развития подобных систем. Например, границы ареала популяции некоторого вида животных зачастую можно провести только условно.

2. Структура гомогенных систем, как правило, аморфная. Потоки массо-энергообмена между элементами-компонентами носят всеобщий, диффузный характер и не закреплены за определенными каналами, локализованными в пространстве. В приводимом примере, контакты между особями одной популяции могут происходить повсеместно в пределах ареала ее существования.

3. Прибавление, или изъятие из данной системы нескольких элементов-компонентов не может (за исключением некоторых критических случаев) существенно повлиять на ее свойства. Например, вырубка нескольких деревьев не приведет к исчезновению леса.

4. Реакция подобных систем на внешние воздействия зачастую не является детерминированной. Она зависит от многих факторов и носит существенно вероятностный характер.

В отличие от гомогенных (корпускулярных) систем, гетерогенные системы состоят из существенно различных компонентов. Так, наиболее яркий представитель гетерогенных систем, живой организм, состоит из различных органов, клетки которых носят в основном специализированный характер. Компонентов в гетерогенных системах, как правило, меньше, чем элементов-компонентов в гомогенных системах. Вместе с тем непосредственное взаимодействие различных компонентов осуществляется обычно в виде контакта между некоторыми более простыми элементами. Например, компонент организма – кровь – взаимодействует с другими органами и тканями посредством их контакта с кровяными тельцами.

Гетерогенные системы имеют следующие специфические отличия:

1. Границы в пространстве, как правило, четко очерчены и в значительной степени определяются внутренними закономерностями развития самой системы.

2. Структура гетерогенных систем, как правило, имеет четкую морфологию. Основные потоки массо-энергообмена между компонентами осуществляются по определенным каналам, локализованным в пространстве. Кроме того, сами каналы являются одними из важнейших компонентов гетерогенных систем.

3. Изъятие из данной системы хотя бы одного компонента ведет к разрушению (гибели) системы или ее кризису (подробнее системная характеристика понятия кризис дана в разделе 2.4.). Прибавление еще одного компонента к системе, как правило, невозможно, а если и возможно, то ведет к существенным изменениям ее свойств.

4. Реакция подобных систем на внешние воздействия (не всегда) является строго детерминированной. Именно поэтому данные системы часто называют детерминированными, что, однако, не совсем корректно, т.к. гетерогенная система не обязательно имеет выраженную детерминированность поведения.

Наиболее ярким примером гетерогенной системы является живой многоклеточный организм. Также гетерогенными детерминированными системами являются практически все технические системы. Гетерогенными, но неоднозначно детерминированными, являются и человеко-машинные системы.

В природе гомогенность или гетерогенность систем может быть выражена не всегда четко, и совершенно необязательно одновременное соответствие системы всем четырем признакам гомогенности или гетерогенности. Анализ строения различных систем позволяет сделать вывод, что в иерархии систем на различных уровнях чередуются гомогенные и гетерогенные системы. Так, отдельные органы живого организма являются в большей степени гомогенными системами, состоящими в основном из специализированных клеток одного или нескольких видов. А организм в целом (система более высокого уровня) гетерогенная и состоит из существенно различных компонентов. Кстати, сама клетка также представляет собой гетерогенную систему, а различные группы организмов одного вида составляют гомогенные системы – популяции.

Гомогенные системы, как правило, представляют меньший интерес для изучения системными методами. Это обусловлено тем, что гомогенные системы часто можно эффективно изучать классическими методами. Обычно возможна их редукция к некой небольшой сумме элементов-компонентов, имеющих осредненные, стандартные характеристики. Гомогенные системы можно уверенно назвать системами только по одному признаку – они ведут себя как целостный объект, если рассматривать их поведение с точки зрения некоторых, важных для функционирования систем более высокого уровня, признаков. Поэтому в центре внимания специалистов по системному анализу чаще оказывались гетерогенные системы. Тем более что с прикладной точки зрения именно изучение гетерогенных, и прежде всего человеко-машинных, систем стало стимулом для развития системного подхода.

Введение понятия подсистема упростило системное описание объектов. Для гомогенной системы компоненты, элементы и подсистемы есть синонимы. Для гетерогенной системы компоненты и подсистемы также синонимы, а элементы есть по сути подсистемы отдельных компонентов, представляющих собой, как правило, гомогенные системы. В силу некоторой «размытости» гомогенных систем их элементы-подсистемы осуществляют непосредственный «диффузный» контакт с элементами-подсистемами других гомогенных систем.

Исходя из сказанного, очевидно, что изучение динамики сложных гетерогенных систем на уровне взаимодействия их элементов есть некоторое отступление от основных принципов системного подхода. В этом случае «глубина редукции» сложной гетерогенной системы увеличивается на один уровень. Это, тем не менее, иногда оправдано.