Майков В.П. - Введение в системный анализ, страница 3

В этом определении под отношением понимается вид связи; примеры отношений: причина – следствие, часть и целое, аргумент и функция и т.д.

На рис.2.1 представлена типичная система из области химической техники – трехколонная ректификационная установка, предназначенная для разделения четырехкомпонентной жидкой смеси на отдельные в достаточной степени чистые компоненты А,В,С,D. На примере этой системы рассмотрим главные системообразующие характеристики, которые в тексте выделены курсивом

Несложно уяснить, что представленная система состоит из трех элементов – ректификационных колонн. Однако понятие элемента условно и зависит от постановки задачи. Например, каждая колонна включает в себя определенное число массообменных устройств – массообменных тарелок. Тогда их можно принять в качестве элементов, а любая ректификационная колонна будет считаться подсистемой.

Иногда полезно кроме тарелок выделить в каждой колонне верхнюю и нижнюю секции, разделенные вводом питания. В этом случае секции станут подсистемами 2-го уровня, а колонна – подсистемой 1-го уровня и т. д.

Определение системы столь же условно, как и определение элемента. Представим, что питание в первую колонну поступает из реактора. Тогда при совместном рассмотрении ректификационной установки и реактора ректификационная установка будет лишь подсистемой соответствующего уровня.

Элементы и подсистемы имеют связи. Связи могут быть материальные, энергетические и информационные.

Составляющие системы вместе со связями образуют структуру системы. Структура может быть однородной, если состоит из однотипных элементов (ректификационная установка), либо неоднородной (ректификационная установка, рассматриваемая совместно с реактором).

Соподчиненность типа элемент – подсистема – система образует иерархию системы; в данном примере с тремя иерархическими уровнями.

В любой системе можно выделить окружающую среду – окружение.

Связь системы с окружением осуществляется через входные и выходные параметры системы. В системах химической техники это обычно параметры, характеризующие входные и выходные потоки в системе. Входные параметры делятся на неуправляющие и управляющие. Значения неуправляющих параметров зависят от окружения, например, от режима реактора. Значения управляющих параметров назначаются в соответствии с требованиями управления. Этими параметрами можно управлять режимами системы. Например, для процесса ректификации управляющими параметрами обычно выступают количество подаваемого пара в кипятильник колонны и количество отбираемого продукта.

Управление увязано с целью системы. В данном случае речь идет о получении продуктов А,В,С,D необходимого качества.

К а ч е с т в о д о с т и ж е н и я ц е л и, т.е. указание на то, с какими затратами достигнута цель, определяет системное понимание эффективности системы.

Типичным системным свойством является понятие эмерджентности, или интегративности – система не повторяет свойства элементов, из которых она состоит. В этом случае говорят, что в системе развиваются присущие только ей системные свойства. Классический пример – такие понятия как температура, давление типичные макроскопические свойства системы многих частиц.

К системным относятся также такие характеристики системы как надежность[9], устойчивость (см. п.2.6), организованность системы (см. п.4.7) и некоторые другие понятия.

2.2. Субъективные и объективные цели. Остановимся подробней на понятии цели системы. Это не столь очевидное понятие, если оно относится к природным системам. Действительно, о какой цели можно говорить, если речь идет о живом организме как некоторой системе. Кто эту цель сформулировал или просто хотя бы имел в виду? Цель и целеполагание это один из вопросов, который упирается в философское мировоззрение. Например, не исключается и такой ответ: «Все природные объекты имеют божественное происхождение», что вполне в духе времени. Такой ответ, однако, не удовлетворит человека, обладающего системным мышлением, поскольку в нем для объяснения привлечен новый объект, который сам требует объяснения (см.п.1.1).

Диалектика развития материального мира такова, что все природные объекты проходят эволюцию. Тогда будущие состояния природных систем можно рассматривать как объективные цели. В такой трактовке цели технических систем, сформулированные человеком, есть субъективные цели.

2.3. Классификация систем. Рассмотрим классификацию систем по основным признакам.

· По природной принадлежности системы можно разделить на естественные, созданные природной эволюцией, и искусственные. К последним относятся все технические системы, созданные человеком. Предлагается также [1] по этому признаку делить системы на природные, технические и социотехнические. Под социосистемами подразумеваются системы, в которых участвуют коллективы людей, чьи интересы существенно связаны с функционированием системы.

· По характеру связи параметров системы с временем различают статические и динамические системы. Параметры первых не изменяются со временем. Характеристики динамических систем, как известно, зависят от времени. Например, выход технологической установки на стационарный режим осуществляется в динамическом режиме. Различают два типа динамики систем: функционирование и развитие. При функционировании цель системы не изменяется. Развитием называют то, что происходит при корректировке целей системы, например процесс перехода от периодического производства к непрерывному. Эволюция природных систем всегда – развитие.

· По характеру связей параметров системы с ее геометрией в области химической техники выделяют системы с сосредоточенными и распределенными параметрами. Типичным примером системы с сосредоточенными параметрами является реактор идеального смешения. Если А есть некоторый параметр такой системы, например температура, то для нее производная ¶А/¶x=0, где х – координата. В системе с распределенными параметрами (например, колонный массообменный аппарат) ¶А/¶x¹0, т.е. температура, концентрации компонентов и некоторые другие параметры изменяются по высоте аппарата.

Системы идеального смешения описываются обычными алгебраическими уравнениями. Системы с распределенными параметрами требуют использования для своего описания дифференциальных уравнений.

· По характеру связей между входными и выходными параметрами системы делятся на детерминированные и вероятностные. Детерминированные системы имеют «жесткую», т.е. однозначную связь между входными и выходными параметрами системы. Классическими детерминированными системами являются механические системы. Классическими вероятностными системами являются живые организмы. Например, реакцию живого организма (отклик) на внешнее (входное) воздействие можно предугадать лишь приблизительно.

Объекты химической техники можно рассматривать как детерминированные системы только благодаря явлению эмерджентности (см. п.2.1). Действительно, технические системы имеют дело с макроскопическим количеством вещества, в котором стохастические свойства микроуровня проявляются достаточно редко.

2.4.Открытые системы. Отдельно следует остановиться на термодинамической классификации по характеру связей параметров системы с окружающей средой.

Изолированные системы – не обмениваются с окружающей средой ни массой, ни энергией.

Закрытые системы – не обмениваются с окружающей средой массой.

Открытые системы – обмениваются с окружающей средой массой и энергией.

Эта классификация очень важна для понимания сущности эволюции в живой природе по принципу – «от простого к сложному». На первый взгляд, это противоречит второму началу термодинамики, согласно которому в природе самопроизвольно идут только процессы с повышением энтропии – «от сложного к простому». Дело здесь в том, что все высокоорганизованные структуры, обладающие малой энтропией, являются открытыми системами. За счет своей открытости во время функционирования они как бы передают часть своей энтропии окружающей среде. Это, естественно, относится и к открытым техническим системам. Если теперь проследить за тем как ведет себя энтропия общей системы, «окружающая среда плюс природные объекты», то окажется, что в полном соответствии со вторым началом термодинамики энтропия такой глобальной системы будет повышаться. Особенно усиливает этот процесс хозяйственная деятельность человека. В этом сущность экологической проблемы. Естественно человек, как «венец природы» пытается замедлить рост энтропии. В настоящее время к этому сводятся, практически, все усилия экологов.

Согласно второму началу термодинамики рост энтропии закономерно должен привести к «тепловой смерти Вселенной». Но если это верно, то почему же это событие не случилось раньше? Это едва ли не самый трудный вопрос для классической термодинамики, да и для физики в целом

Сегодня считается, что в проблеме «тепловой смерти» нельзя полагаться на классическую термодинамику, так как она не учитывает наличие гравитации. В последние годы апробируется новая версия термодинамики, в которой удалось устранить недостатки классической термодинамики. Правда, это удалось достичь достаточно высокой ценой – пришлось отказаться от понятия точки (материальной, пространственной, временной), как объекта реальности. Чтобы понять, насколько велика эта «жертва» следует учесть, что это повлекло за собой отказ от использования понятия дифференциально малых величин. Новая теория квантово-релятивистского характера получила название нелокальной версии термодинамики (НВТ).

Согласно нелокальной версии термодинамики, учитывающей гравитацию, любая, даже классически понимаемая равновесная система, реально является открытой для гравитационного взаимодействия [7]. Это приводит к процессу понижения энтропии и самопроизвольному понижению температуры среды. Правда это явление в обычных условиях не проявляет себя и соответствует понижению температуры всего на 510^-8 К за 1000 лет (!)

Принципиально, однако, что в природе процесс возрастания энтропии (второе начало термодинамики) уравновешен процессом самопроизвольного понижения энтропии (первое начало термодинамики, уточненное теорией НВТ). Равновесный процесс самопроизвольного понижения энтропии получил название в НВТ явления инфляции. Он связан с известным в космологии инфляционным расширением Вселенной. Явление инфляции дает ключ к пониманию, почему невозможна «тепловая смерть Вселенной».

Из сказанного можно было бы сделать вывод, что с учетом гравитации все системы являются открытыми. На самом деле это не так, но обсуждение этого вопроса увело бы нас от открытых систем в область космологии. Частично эта проблема освещается в п.3.8, а более подробно в приложении.

Большие и сложные системы. Рассмотрим одну из существующих концепций отличия понятия «большая система » от термина «сложная система ». Фактически здесь речь пойдет о продолжении классификации систем по новому признаку – по ресурсной обеспеченности управления системой. С учётом этой классификации считается, что система управляется с помощью ЭВМ, т.е. предполагается (иногда мысленно) участие математического описания в управлении системой. По такой схеме необходимые ресурсы для управления системой можно разделить на энергетические, материальные и информационные.