4. Systemy, ich rodzaje i własności


4    Systemy, ich Rodzaje i Własności
4.1 Definicje i rodzaje systemów
4.2 Własności strukturalne systemów
4.3 Własności dynamiczne (procesowe) systemów
4.4 Relacje i funkcje systemowe

4 Systemy, ich Rodzaje i Własności 

    Systemy są tak powszechne ja wszechświat w którym żyjemy. Na jednym końcu są one tak ogromne jak sam wszechświat, zaś na drugim są one tak małe jak pojedynczy atom. Zjawiły się one wpierw w formie naturalnej, lecz wraz ze zjawieniem się człowieka zaczęły się pojawiać inne systemy; na początku proste a potem coraz bardziej złożone systemy sztuczne - man made systems (ang). Ale dopiero niedawno zdaliśmy sobie sprawę ze wspólnoty struktur, charakterystyk i procesów zachodzących w systemach, zarówno naturalnych jak i sztucznych. Tę holistyczną jedność widać dopiero na wysokim poziomie abstrakcji wiedzy szczegółowej. Stąd też dopiero ostatnie zaczynamy dostrzegać potrzebę uprawiania OTS i widzimy możliwości jej zastosowań w postaci np. INŻYNIERII I ANALIZY SYSTEMÓW. 

4.1 Definicje i rodzaje systemów

    Wcześniej przytoczyliśmy jedną z najlepszych definicji opisowych systemu: 

System to byt przejawiający istnienie przez synergiczne współdziałanie swych części. 

Obecnie system - S zdefiniujemy jako zbiór (zespół, kompleks) współdziałających ze sobą elementów - E , stanowiący celowo zorientowaną jedną całość

Znaczy to że elementy systemu posiadające pewne własności lub atrybuty - A, znajdują się w określonych relacjach - R, (związkach, współdziałaniach) między sobą. Matematycznie możemy zapisać to jako 

Interpretując to w kategoriach ogólnych można powiedzieć, że system może składać się z n > 1 elementów - E, które mogą mieć m ł n atrybutów - A, uczestniczących w r ł n-1 relacjach - R, (równość elementów dla układu szeregowego), [7]. Ta definicja systemu odnosi się do całej obserwowalnej rzeczywistości, zarówno na poziomie fizycznym jak i abstrakcyjnym i symbolicznym. Łatwo się stąd domyśleć, że w zależności od tego poziomu definicji systemu jej szczegółowa artykulacja ( również definicyjna), artykulacja jego elementów i atrybutów może być czasami bardzo różna. Według jednego z twórców OTS Building'a [6] należy wyróżnić co najmniej dziewięć poziomów istnienia systemów, a oto one. 

1. Poziom struktur statycznych" dominujących w geografii i anatomii wszechświata. 

2. Poziom prostych systemów dynamicznych typu "zegar" zawierający w sobie istotną część fizyki, chemii i techniki (maszyny, urządzenia). 

3. Poziom tzw. systemów "cybernetycznych" typu homeostat bazujących na transmisji i interpretacji informacji. 

4. Poziom "komórki", systemu samo utrzymującego się - otwartego, gdzie życie zaczyna się manifestować. 

5. Poziom "rośliny", ze strukturą genetyczno - społeczną tworzący świat flory, z główną cecha wzrostu i samo odtwarzalnością. 

6. Poziom "zwierzęcia", ujmujący ruchliwość, celowe dążenia i popędy, świadomość. 

7. Poziom "człowieka", charakterystyczny samoświadomością i zdolnością wytwarzania, przyjmowania i interpretacji symboli. 

8. Poziom "organizacji społecznej", gdzie liczą się zawartość i znaczenie przekazu, system wartości, utrwalanie obrazów w przekazach historycznych, sztuka, muzyka, poezja i złożone emocje ludzkie. 

9. Poziom "niewiadomego", gdzie struktury i relacje mogą być postulowane lecz odpowiedzi nie są jeszcze znane. 

Inny jeszcze bardziej ogólny podział otaczającej nas rzeczywistości przedstawia Rys. 4.1 z piramidą ewolucji substancji. Według [51] substancja to połączenie materii, energii i świadomości i rozmiar jej ewolucji sięga od pierwotnej energii i świadomości przestrzeni kosmicznej, aż do substancji duchowej. 

Rys. 4.1 Poziomy bytu i ewolucji substancji kosmicznej [51]. 

Pouczające będzie również przestudiowanie hierarchii ludzkiej, od komórki poczynając a na całej ludzkości kończąc, tak jak to przedstawiono na rys 4.2. 

Rys. 4.2 Metasystem i systemy hierarchii ludzkiej [12]. 

Patrząc na zarysowane wyżej hierarchie można od razu dojść do przekonania jak dużą siłę wnioskowania i generalizacji ma OTS by wypowiadać zdania, stwierdzenia i reguły dotyczące wszystkich wymienionych wyżej poziomów hierarchii bytu.

4.2 Własności strukturalne systemów

Według Winiwartera [34] istotę istnienia i działania systemu należy ujmować w trzech aspektach; struktury - procesu - regulacji (przyczynowości). 

Przypatrzmy się zatem na jakie klasy lub kategorie można podzielić ogół systemów z wyżej opisanych dziewięciu poziomów istnienia. Podział taki wykonywany jest zwykle ze względu na pewną cechę systemu, może więc być dowolnie liczny jak przykładowo na rysunku 4.2, [7]. 

Rys. 4.3: Klasyfikacja cech systemów wg Patzak'a [7]. 

    Na czoło tego rysunku (tabeli) wysuwa się relacja systemu z otoczeniem lub metasystemem, zaś same systemy mogą być zamknięte lub otwarte, wymieniając z otoczeniem masę, energię i informację. Jeśli pod tym kątem popatrzymy na przedstawioną wyżej hierarchię organizacyjną ogółu systemów to można powiedzieć, że im wyżej dany system znajduje się w tej hierarchii, będąc systemem zamkniętym, tym ma mniejsze szanse przeżycia (przetrwania). Zresztą bardzo trudno znaleźć naturalny system zamknięty, nawet kamień (skała - o bardzo długim czasie życia) trudno uznać za system zamknięty ze względu na energie wymieniane z otoczeniem. To samo trzeba zauważyć w odniesieniu do dowolnej części świata jako systemu. Niemniej jednak są do pomyślenia abstrakcyjne systemy zamknięte (np. w termodynamice) i oddają one wielkie usługi w poznaniu prostych własności materii, zwłaszcza nieożywionej. Należy tu również podkreślić ważny podział na systemy statyczne lub lepiej metastabilne i systemy dynamiczne. Jest oczywiste, że system zamknięty jest metastabilny i nawet jeśli w początkowym momencie nie był statyczny, to dzięki ważności II - giej zasady termodynamiki o niemalejącej entropii, prędzej czy później osiągnie stan równowagi. Natomiast system otwarty też może być stabilny, gdyż dzięki wymianie masy, energii i informacji jest zdolny długo utrzymać swe życie i swą tożsamość. 

    Niemniej ważna dychotomia klasyfikacji systemów to; systemy fizyczne manifestujące swe istnienie na dowolnym poziomie fizycznym i systemy konceptualne - abstrakcyjne i symboliczne. Dla tych ostatnich atrybutami są symbole, zaś idee, plany, hipotezy są przykładami elementów (czasami również systemów). Systemy fizyczne istnieją w przestrzeni fizycznej, natomiast systemy konceptualne w przestrzeni mentalnej, będąc zbiorem zorganizowanych idei. Dobrą ilustracją takiego systemu jest zbiór planów i specyfikacji dla systemy fizycznego, właśnie powoływanego do życia. 

    Ważną cechą struktury systemu jest jego złożoność (complexity), którą można scharakteryzować dwoma cechami szczegółowymi dotyczącymi elementów systemu i ich połączeń. Kolejna cecha połączeniowość (connectivity) ujmuje sobą liczbę połączeń elementów i różnorodność połączeń, natomiast inna cecha struktury różnorodność ujmuje liczbę elementów systemu jak i ich zróżnicowanie. Te cechy strukturalne systemu z dalszym ich ewentualnym podziałem dobrze oddaje Rys. 4.4. 

Rys 4.4: Graficzne wyjaśnienie złożoności struktury systemów [7]. 

Klasyfikację bardziej złożonych własności systemów technicznych i socjotechnicznych można znaleźć na kolejnym rysunku Rys. 4.5, [7], który przedstawia również własności człowieka jako elementu systemu antropo i socjo technicznego. W tym ostatnim przypadku liczą się już cechy i kompleksy cech wyższego rzędu takie jak: system wartości, potrzeb, nastawienia, motywy i oczekiwania. Cechy te są niezwykle istotne w maksymalizacji efektu pojedynczego pracownika jak i zespołu. 

Rys. 4.5 Proste i złożone własności ludzi jako elementów systemów socjotechnicznych [7].

4.3 Własności dynamiczne (procesowe) systemów 

    Mając charakterystykę najważniejszych cech systemów możemy przejść do charakterystyk procesów jakie w nich zachodzą. Procesy te uwarunkowane są przez dynamiczne własności samych systemów jak i własności pobudzeń lub wymuszeń systemu przychodzących z otoczenia. Zajmiemy się zatem wpierw cechami dynamicznymi systemów. 

    Pierwszą taką cechą jest zmienność ogólna systemu i może ona dotyczyć możliwości zmian struktury samego systemu jak i zmian samego procesu w systemie w ramach ustalonej pierwotnie struktury. Blisko połączoną cechą z omówioną poprzednia jest stabilność systemu, jako zdolność zachowania samego stanu (tożsamości) w obliczu zakłóceń i wymuszeń wewnętrznych. Zmiany te zachodzą na ogół w obliczu oddziaływań zewnętrznych płynących z otoczenia lub metasystemu. Stąd też w tym kontekście wyróżnia się zmienność reakcji na pobudzenie. Dla pewnej klasy pobudzeń rekcja na nie wychodzi poza ustalone granice zachowania się systemu, mówimy wtedy, że system jest stabilny w obliczu danych wymuszeń i zachowuje swój stan (lub identyczność - tożsamość). Z drugiej strony system może się dostosować (adoptować) do rodzaju i poziomu zakłóceń, mówimy wtedy że system jest elastyczny, zdolny do dopasowania się do szerokiej gamy pobudzeń płynących z otoczenia, bez zmiany istoty swego działania. W tej elastyczności systemu możemy wyróżnić całą hierarchię możliwości. Po pierwsze system może być sterowany zewnętrznie przez wybór odpowiedniej funkcji działania, lub nawet struktury wewnętrznej. Na wyższym poziomie organizacji systemy mogą posiadać zdolność adaptacji z wbudowanymi sprzężeniami regulującymi przeciwdziałającymi negatywnym zmianom wywołanym przez otoczenie. Wreszcie na wyższym już poziomie systemów żywych (także homeostat) spotykamy się z cechami samoregulacji i samo organizacji, gdzie system może zmieniać (budować) własną strukturę zmierzającą do spełnienia wymogów stawianych przez otoczenie (np. futro w zimnym klimacie). Samo organizacja ujmuje oczywiście jako podrzędne całą gamę własności adaptacyjnych. W adaptacji do zmieniającego się otoczenia wybitną pomocą jest zdolność uczenia się systemu. Ogólnie uczenie to stopniowe polepszanie zachowania systemu na skutek uwzględnienia poprzednich doświadczeń (zapamiętania informacji). 

    W uczeniu i samo uczeniu się systemów można wyróżnić następujące etapy lub stopnie, [7]: 

    Zmieniające się warunki środowiska są dla systemów naturalnych wyzwaniem do optymalnego działania, dostosowania swej struktury i reakcji dla zachowania tożsamości i przeżycia. Z kolei dla systemów sztucznych człowiek wyznacza i narzuca cele metody i środki działania przy rozwiązywaniu problemów. Systemy takie można z grubsza podzielić na klasy jak niżej. 

Typ systemów / klasa / opis działania

4.4 Relacje i funkcje systemowe 

Jak wynika z definicji systemu (4.1) relacje (związki) lub funkcje są pojęciami podstawowymi. Symbolicznie możemy to pokazać na podstawie dwu zbiorów X i Y i relacji R jak niżej. Tak więc 

X R Y (4.2) 

Oznacza, że miedzy zbiorem X i Y istnieje relacja R. Wynik tej relacji można zapisać jako S( R ) a szczegółowy zapis wygląda jak niżej [7]. 

i jest grafem relacji R tak jak to pokazuje Rys.4.6 sporządzony na podstawie poniższego przykładu, 

X = a, b, c , Y = 1, 2, 3 , S( R ) = {(a,1), (a,3),(b,3), (c,2) }, 

Rysunek 4.6: Przykładowa relacja między dwoma zbiorami [7]. 

    W inżynierii systemów poszukujemy na ogół przyczynowych zachowań systemów, które są opisane jeśli znamy funkcję przyporządkowującą. Z relacji między zbiorami X i Y jak wyżej, poprzez operację parametryzacji możemy dojść do zbioru funkcji f € S(R) w zależności od wyboru parametrów Q. Możemy to zapisać następująco 

    Mając wyartykułowane takie funkcje możemy relacje między systemami (częściami) widzieć w kategoriach przyczynowo skutkowych. Będziemy mogli to zauważyć jeśli wzajemne związki nie są silnie nieliniowe jak np. funkcja logistyczna na rysunku 4.7. Tutaj jak widać mimo silnych zmian przyczyny X w obszarze 1 i 3 nie będzie istotnych zmian Y czyli relacja przyczynowo skutkowa będzie prawie niezauważalna, zwłaszcza w pierwszej aproksymacji modelu. 

Rys. 4.7: Ilustracja związku przyczynowo skutkowego w obliczu zależności nieliniowych w obszarze 1 i 3 dającej pozorny brak relacji

     Mając obecnie wyobrażenie o własnościach relacji między systemami i elementami , przypatrzmy się jakie w ogóle mogą być relacje między atrybutami elementów. 

    Relacja przeniesienia miedzy wielkościami przepływowymi systemu (input - output relation) może dotyczyć materii, energii, informacji przepływających przez system - razem bądź oddzielnie. 

    Relacja połączenia między elementami lub systemami; zbiór takich relacji połączeń definiuje strukturę systemu. W ramach tej relacji należy wyróżnić relację porządkującą, ważną dla systemów statycznych i relację przepływową dającą związek ilościowy między wejściem i wyjściem. 

    Połączenia między elementami mogą służyć sterowaniu, czyli wymuszeniu zamierzonego stanu, jego stabilizację lub zmianę. Samo sterowanie może odbywać się szeregowo lub w pętli sprzężenia zwrotnego (feedback), wynalazku wieku cybernetyki, a od wieków własność systemów ożywionych. Rozróżniamy ujemne sprzężenie zwrotne (negative feedback) stabilizujące stan zastany w obliczu zakłóceń i dodatnie sprzeżenie zwrotne( positive feedback), które niekontrolowane co do wartości może doprowadzić do zniszczenia systemu. 

    Ze zbioru połączeń, przyporządkowań i sprzężeń miedzy elementami i atrybutami wynika funkcja systemu, będąca naczelnym pojęciem teorii systemów. W tych kategoriach funkcja systemu jest przyczynowym uporządkowaniem własności miedzy elementami.

     Całościowa funkcja systemu jest to możliwość przekształcania określonej wielkości wejściowej w określoną wielkość wejściową. Na przykład funkcją elektrociepłowni jest przekształcanie energii paliwa w energię cieplną i elektryczną. Zarówno dla cząstkowych funkcji elementów jak i całościowych funkcji systemów można wyróżnić klasę ich podstawowych funkcji. Są to takie operacje jak : transportowanie, łączenie, rozdzielanie, przekształcanie, przemiana, niszczenie, ochrona, odbieranie i oddawanie. Waga tych operacji ulegnie właściwej interpretacji jeśli funkcje te skojarzymy z tworzywem systemowym ; materią, energią, informacją, traktowanymi łącznie lub rozłącznie. Różnorodność tych podstawowych operacji podczas przepływu masy, energii i informacji przedstawia kolejny rysunek 4.8, [7]. Z rysunku tego można wysnuć cały szereg wniosków aplikacyjnych i jeden co najmniej podstawowy, że OTS ma rzeczywiście charakter uogólniający i jednoczący różne poziomy bytu i działania systemów. 

Rys. 4.8 Różnorodność podstawowych funkcji systemów fizycznych [7].