Введение. Основные положения системологии

Структура курса

17 часов лекций (1 раз в 2 недели), 51 час лабораторных работ, экзамен.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бройдо, В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов / В.Л. Бройдо, О.П. Ильина. - СПб.: Питер, 2011. - 560 c.

2. Гудыно, Л.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебное пособие / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; Под ред. А.П. Пятибратов. - М.: КноРус, 2013. - 376 c.

3. Мелехин, В.Ф. Вычислительные системы и сети: Учебник для студентов учреждений высш. проф. образования / В.Ф. Мелехин, Е.Г. Павловский. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 208 c.

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИСТЕМОЛОГИИ

Вычислительная система (ВС) - это совокупность одной или нескольких ЭВМ или процессоров и набора программ, реализующих функции системы.

Изучением любых систем занимается наука, которая называется системологией, рассматривающая фундаментальные понятия и аспекты систем.

Она изучает различные явления, отвлекаясь от их конкретной природы и основываясь лишь на формальных взаимосвязях между различными составляющими и на характере их изменения под влиянием внешних условий. При этом под системой понимается любой объект, состоящий из множества взаимосвязанных частей и существующий как единое целое. В общем случае некоторая система S представляет собой пару

S=(A, R),

где A — множество элементов;

R — множество отношений (связей) между A.

Элементом системы является ее часть, имеющая однозначно определённые свойства, выполняющая определённые функции и не подлежащая дальнейшему разбиению в рамках решаемой задачи.

Совокупность элементов системы, являющаяся ее самостоятельной частью и реализующая одну или несколько функций системы, называется подсистемой. Всякая система может рассматриваться, с одной стороны, как подсистема более высокого порядка (надсистемы), а с другой, - как надсистема системы более низкого порядка (подсистема).

Основное положение системологии гласит: всякая система приобретает новые качества, не присущие ее составным частям. Это явление называют системным эффектом.

Понятие «система» возникает там и тогда, где и когда мы проводим замкнутую границу между неограниченным или некоторым ограниченным множеством элементов. Те элементы, которые остались за пределами границы, образуют множество, называемое в теории систем «системным окружением» или внешней средой.

Система S — целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы. Внешняя среда Е — множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием.

В зависимости от цели исследования могут рассматриваться разные соотношения между самим объектом S и внешней средой Е, т.е. объект исследования может выделяться по-разному и могут иметь место различные взаимодействия его с внешней средой.

Мы будем рассматривать объект исследования как некоторую сложную систему, которая состоит из различных компонентов, связанных друг с другом. Для решения задач анализа и синтеза таких объектов используется системный подход.

Системный подход — это учение об общих законах развития сложных объектов и одно из выражений диалектического учения. Он использует выделение самой системы S и внешней среды Е из объективно существующей реальности и описание системы, исходя из общесистемных позиций.

При исследовании системы она рассматривается на одном из следующих уровней.

1. Структурном, который связан с выделением элементов системы и связей между ними.

2. Функциональном - как совокупность функций реализуемых ею функций.

3. Макроскопическом – на уровне взаимодействия с внешней средой.

4. Иерархическом, при котором структура сложной системы представляется как совокупность подсистем и элементов.

5. Процессуальном - как динамический объект, характеризующийся последовательностью его состояний во времени.

При структурном подходе выявляются состав элементов системы S и связи между ними. Она в зависимости от цели исследования может быть описана на. разных уровнях. Наиболее общее описание структуры — топологическое, позволяющее определить в самых общих понятиях составные части системы и хорошо формализуемое на базе теории графов.

Менее общим является функциональное описание, когда рассматриваются отдельные функции, т. е. алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход. При этом под функцией понимается свойство, приводящее к достижению цели. Она отображает взаимодействие системы S с внешней средой Е и может быть выражена в виде некоторых характеристик элементов S_W, подсистем S_t или системы S в целом.

Проявление функций системы во времени S (t) представляет собой функционирование систем. Оноозначает переход системы из одного состояния в другое, т. е. движение в пространстве состояний Z.

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

a) пассивное существование;

b) материал для других систем;

c)обслуживание систем более высокого порядка;

d) противостояние другим системам (выживание);

e)поглощение других систем (экспансия);

f) преобразование других систем и сред (активная роль).

То обстоятельство, что любая подсистема является одновременно и относительно самостоятельной системой приводит к двум аспектам изучения систем:

a) на макро- и

b) микро- уровнях.

В первом случае 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 и условия её функционирования. Элементы системы изучаются с точки зрения организации их в единое целое и влияния на функции системы в целом.

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

Таким образом, основными аспектами систем являются:

a) Состав;

b) Структура;

c) Типы связей.

Состав системы — это множество входящих в нее частей, которые принято называть элементами или подсистемами.

Структура — это совокупность элементов системы и связей между ними.

Любой реальный объект бесконечно сложен. Описание его состава и структуры всегда является приближенным. Уровень детализации такого описания зависит от его назначения. Одна и та же часть системы в одних случаях может рассматриваться как ее элемент, а в других — как подсистема, имеющая свой состав и структуру.

Связи — это средства, 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 функциональной передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций — от одного элемента к другому в направлении основного процесса.

Вход — входные воздействия (исходные данные) процесса (функционирования) системы.

Выход — результат процесса.

Процессор — система, которая преобразует вход в выход.

Рис.1. — Функционирование системы, прямые связи

Система осуществляет свою связь со средой следующим образом.

Вход данной системы является в то же время выходом предшествующей, а ее выход — входом последующей. Таким образом, вход и выход располагаются на границе системы. Управление системой связано с понятиями прямой и обратной связи, ограничениями.

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.

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.

Рис.1. — Пример обратной связи

Обратная связь — предназначена для выполнения следующих операций:

a) сравнение данных на входе с результатами на выходе с выявлением их качественно-количественного различия;

b) оценка содержания и смысла различия;

c) выработка решения, вытекающего из различия;

d) воздействие на ввод.

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».

Эффективность системы — мера ее соответствия своему назначению.

Критерий эффективности — степень (числовое выражение) соответствия системы своему назначению при заданных ограничениях (условиях функционирования).

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

Ограничение — обеспечивает соответствие между выходом системы и требованием к нему (как к входу в последующую систему). Если заданное требование не выполняется, ограничение не пропускает его через себя. Оно, 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. Решить проблему — значит скорректировать старую систему или сконструировать новую, желаемую.

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

Свойства систем

Основными свойствами являются:

1) эмерджентность;

2) целостность;

3) организованность;

4) функциональность;

5) структурность;

6) поведение;

7) развитие;

8) устойчивость;

9) надежность;

10) адаптивность.

Из определения системы следует, что ее главным свойством является системный эффект, проявляющийся в возникновении новых свойств, которыми элементы системы не обладают. Это свойство эмерджентности (от анг. Emerge — возникать, появляться).

Эмерджентность — принцип противоположный редукционизму, который утверждает, что целое можно изучать, расчленив его на части и затем, определяя их свойства, определить свойства целого. Рассматриваемое свойство близко свойству целостности системы. Однако их нельзя отождествлять.

Целостность системы означает, что каждый ее элемент вносит вклад в реализацию целевой функции. Свойство проявляется в том, что система обладает собственной закономерностью функциональности, собственной целью.

Организованность заключается в наличии структуры и функций (поведения).

Функциональность — это проявление определенных свойств (функций) при взаимодействии с внешней средой. Здесь же определяется цель (назначение системы) как желаемый конечный результат.

Структурность — это упорядоченность системы, определенный набор и расположение элементов со связями между ними. Между функцией и структурой системы существует взаимосвязь. Изменение содержания (функций) влечет за собой изменение формы (структуры), но и наоборот.

Важным свойством системы является наличие поведения — действия, изменений, функционирования и т.д. Считается, что это поведение системы связано со средой, т.е. с другими системами с которыми она входит в контакт или вступает в определенные взаимоотношения.

Процесс целенаправленного изменения во времени состояния системы называется поведением. В отличие от управления, когда изменение состояния системы достигается за счет внешних воздействий, поведение реализуется исключительно самой системой, исходя из собственных целей.

Поведение каждой системы объясняется структурой ее подсистем и наличием признаков равновесия (гомеостаза). В соответствии с этим признаком система имеет определенное состояние (состояния), которое является для нее предпочтительным. Поэтому поведение систем описывается в терминах восстановления их состояний, когда они нарушаются в результате воздействия окружающей среды.

Еще одним свойством является свойство роста (развития). Его можно рассматривать как составляющую часть поведения (при этом важнейшую).

Одним из первичных, а, следовательно, основополагающих атрибутов системного подхода является недопустимость рассмотрения объекта вне его развития, под которым понимается необратимое, направленное, закономерное изменение материи и сознания. В результате возникает новое качество или состояние объекта. Развитие подчиняется некоторым закономерностям, которые действуют объективно.

Поведение системы определяется характером реакции на внешние воздействия.

Фундаментальным свойством систем является устойчивость, т.е. способность противостоять внешним возмущающим воздействиям. От нее зависит продолжительность жизни системы.

Простые системы имеют пассивные формы устойчивости: прочность, сбалансированность, регулируемость, гомеостаз. А для сложных определяющими являются активные формы: надежность, живучесть и адаптируемость.

Если перечисленные формы устойчивости простых систем (кроме прочности) касаются их поведения, то определяющая форма устойчивости сложных систем носит, в основном, структурный характер.

Надежность — свойство сохранения структуры систем, несмотря на гибель отдельных ее элементов, с помощью их замены или дублирования, а живучесть — активное подавление вредных качеств. Таким образом, надежность является более пассивной формой, чем живучесть.

Адаптируемость — свойство изменять поведение или структуру с целью сохранения, улучшения или приобретение новых качеств в условиях изменения внешней среды. Обязательным условием возможности адаптации является наличие обратных связей.

Всякая реальная система существует в некоторой среде. Связь между системами бывает настолько тесной, что определять границу между ними становится сложно. Поэтому выделение системы из среды связано с той или иной степенью идеализации.

Воздействие среды может быть пассивным либо активным (антогонистическим, целенаправленно противодействующее системе).

Поэтому в общем случае среду следует рассматривать не только безразличную, но и антогонистическую по отношению к исследуемой системе.