В рамках же данного исследования, учитывая его специфику, под системой будет пониматься совокупность явлений, элементов, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность.
В целом, системы характеризуются как простые, большие и сложные [3].
Простые системы содержат небольшое количество элементов и связей между ними. Такие системы легко поддаются исследованию, так как множество их возможных состояний невелико.
Большие системы содержат такое большое количество элементов и связей между ними, которое превосходит возможности их исследования в полном объеме. Однако структура таких систем однородна. В качестве больших систем можно квалифицировать государство, штат, республику, регион.
Сложной можно считать систему, если ее поведение содержит акт решения, определяемый как выбор альтернатив с помощью какого-либо алгоритма, например случайного [3]. Известно, что в свойствах и поведении сложных систем независимо от природы составляющих их элементов прослеживаются четкие аналогии. Сложность систем характеризуется множеством различных неоднородных структур и множеством различных связей элементов этих структур. В силу этого число возможных состояний систем велико, а исследование таких систем, их описание вызывает определенные трудности.
1.2 Понятия, характеризующие строение и функционирование систем
Рассматриваемые ниже понятия, с помощью которых уточняют представление о системе и характеризуют ее строение и функционирование, тесно связаны между собой и, по мнению ряда ученых (в том числе Л. фон Берталанфи), не могут быть определены независимо, а определяются одно через другое, уточняя друг друга. Поэтому принятую нами последовательность изложения понятий следует считать условной.
Элемент. Под элементом принято понимать простейшую неделимую часть системы [10]. Ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднозначным и зависит от цели рассмотрения объекта как системы, от аспекта его изучения или от точки зрения на него. Таким образом, под элементом следует понимать предел членения системы с точки зрения решения конкретной задачи или с точки зрения поставленной цели.
Систему можно расчленить на элементы различными способами в зависимости от формулировки цели и ее уточнения в процессе исследования.
Подсистема. Система может быть разделена на элементы не сразу, а последовательным расчленением на подсистемы, которые представляют собой компоненты более крупные, чем элементы, и в то же время более детальные, чем система в целом. Возможность деления системы на подсистемы связана с выделением совокупностей взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, направленные на достижение общей цели системы [1]. Названием подсистема подчеркивается, что такая часть должна обладать свойствами системы (в частности, свойством целостности, рассматриваемым ниже) и иметь свою подцель. Этим подсистема отличается от простой группы элементов, для которой не сформулирована подцель и не выполняются свойства целостности (для такой группы используется название компоненты) [1].
Структура. Система может быть определена простым перечислением элементов, входящих в нее и взаимодействующих таким образом, что это приводит к образованию системных свойств, или «черным ящиком» со входами и выходами, взаимодействующими со средой [3]. Однако при исследовании объекта ставится задача не просто отделить объект от среды, а требуется выяснить более детально, что представляет собой объект или процесс, что в нем обеспечивает выполнение поставленной цели.
Если для решения задачи оказывается достаточным определить элементы и связи между ними и этих элементов и связей относительно немного, то других понятий и не требуется. Однако, как правило, элементов оказывается очень много, они неоднородны и возникает необходимость многоступенчатого расчленения системы. В этом случае вводится понятие структуры. Структура отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и их группами (компонентами, подсистемами), которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств [1].
В большинстве случаев понятие структуры принято связывать с графическим отображением. Однако это не обязательно. Структура может быть представлена также в виде теоретико-множественных описаний, в виде матриц, графов и других языков моделирования структур.
Структурные связи относительно независимы от элементов и могут выступать как инвариант при переходе от одной системы к другой. Благодаря этому закономерности, полученные при изучении систем, отображающих объекты одной природы, могут быть использованы при исследовании систем, отображающих объекты другой физической природы (если, конечно, они зафиксированы в структуре).
Структуру часто стремятся представить в виде иерархии. Термин иерархия («многоступенчатость») определяет упорядоченность компонентов по степени важности. Между уровнями иерархической структуры могут существовать взаимоотношения строгого подчинения компонентов (узлов) нижележащего уровня одному из компонентов вышележащего уровня, т. е. отношения так называемого древовидного порядка. Такие иерархии называют сильными или иерархиями типа «дерева». Однако между уровнями иерархической структуры не обязательно должны существовать взаимоотношения строго древовидного порядка. Могут быть связи и в пределах одного уровня иерархии. Один и тот же узел нижележащего уровня иерархии может быть одновременно подчинен нескольким узлам вышележащего уровня. Такие структуры называют иерархическими структурами со слабыми связями [3]. Между уровнями иерархической структуры могут существовать и более сложные взаимоотношения.
Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от этапа отображения объекта или процесса в виде системы, от аспекта представления системы, цели ее создания.
Современный уровень знаний позволяет представить иерархию природных систем в виде следующей цепочки: элементарные частицы - атомы - молекулы - клетки - многоклеточные - экосистемы - биосфера - космическое тело - звездная система - галактика – Вселенная [4]. Между уровнями приведенной иерархии биосистем не существует четких границ или разрывов, здесь обнаруживается масса промежуточных переходных форм, например, молекула - макромолекула (полимер) - сложномолекулярный комплекс (вирус) - коацерватная капля - клетка. По большому счету четкой границы нет даже между отдельным организмом и экосистемой: организм, изолированный от экосистемы, не может жить долго, так же как изолированный орган не может жить долго без тела, в котором он изначально зародился.
Связь. Понятие связь входит в любое определение системы наряду с понятием элемент и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Это понятие одновременно характеризует и строение (статику), и функционирование (динамику) системы.
В настоящее время нет единства в трактовке понятий связь и отношение, не решены вопросы достаточности сети связей для того, чтобы систему можно было считать системой. Мы не будем здесь рассматривать точки зрения по этим вопросам, не будем также рассматривать подходы к классификации связей, а приведем лишь некоторые, наиболее исследованные способы выделения разновидностей связей, чтобы дать более полное представление об этом понятии.
Связь можно охарактеризовать направлением, силой, характером (или видом). По первым двум признакам связи можно разделить на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру - на связи подчинения, связи порождения (или генетические), равноправные (или безразличные), связи управления [1]. Некоторые из этих типов можно разделить более детально: например, связи подчинения могут быть - типа «часть – целое», «род – вид», связи порождения - типа «причина – следствие». Связи можно разделить также по месту приложения (внутренние и внешние), по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные) и по некоторым более частным признакам.
Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы несколькими из названных признаков. Соответственно можно образовать столько классов связей, сколько возможно сочетаний признаков, исключая несовместные сочетания.
Очень важную роль в системах играет понятие обратной связи, которая является основой саморегулирования и развития систем, приспособления их к меняющимся условиям существования.
При этом, если обратная связь усиливает результаты функционирования, то она называется положительной, если ослабляет - отрицательной [4]. Положительная обратная связь может приводить к неустойчивым состояниям, тогда как отрицательная обратная связь обеспечивает устойчивость системы. С помощью отрицательных обратных связей органические системы поддерживают свою жизнедеятельность. Например, тяжелая физическая работа уменьшает количество кислорода в крови человека. Однако учащенное дыхание увеличивает приток кислорода к легким, что ведет к пополнению запаса кислорода в крови.
Состояние. Понятием состояние обычно характеризуют мгновенные параметры системы, как бы «срез» системы, остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы, либо через макропараметры, макросвойства системы (например, давление, скорость, ускорение). Так, о состоянии покоя говорят стабильные входные воздействия и выходные сигналы; о состоянии равномерного прямолинейного движения - стабильная скорость и т. п.