Подподсистемы системного блока – это процессор, материнская плата, видеокарта, оперативная память, жесткий диск, дисковод, звуковая карта, сетевая карта, блок питания и т. д.

Надсистема – компьютерные сети и т. д.

Наднадсистема – это всемирная паутина, Интернет.

Внешняя среда – это среда, в которой находится компьютер, например, помещение, воздух и т. д.

Пример 3.26. Телефон

Система – телефон.

Подсистемы: микрофон и наушник, клавиатура, дисплей, память и т. п.

Подподсистемы – это элементы, из которых состоят микрофон и наушник, клавиатура, дисплей, память и т. д.

Надсистема – АТС, телефонные сети и т. д.

Наднадсистема АТС – это региональная и мировая телефонная сеть.

Внешняя среда – чаще всего – помещение и воздух.

Пример 3.27. Автомобиль

Система – автомобиль.

Подсистемы: колеса, двигатель, бензобак, система управления и т. п.

Подподсистемы двигателя – это поршень и цилиндр, шатун, свеча, клапаны, коленчатый вал, картер и т. д.

Надсистема – дорожное движение, к которой относятся: дороги, автозаправочные станции, автостоянки, система управления движением, гаражи, ремонтные службы, заводы изготовители и т. д.

Наднадсистема – это региональная и мировая сеть дорожного движения.

Внешняя среда – открытое пространство и атмосферные явления.

Функции также, как и системы, имеют иерархическую структуру. Функция более высокого ранга, как правило, более общая функция. Рассмотрим иерархию функций по степени важности:

– функция высшего (нулевого) ранга – главная функция, ее еще называют главной полезной функцией;

– функция первого ранга – основная функция;

– функция второго ранга – вспомогательная функция.

Можно рассматривать и функции 3-го и ниже рангов.

Иерархия функций показана на графе (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Иерархия функций

Главная функция – это функция высшего (нулевого) ранга, указывающая главное действие – предназначение системы. Она должна выполнять главную цель, обеспечивая главную потребность в системе.

Основные функции – это функции первого ранга, функции основных подсистем.

Основные функции обеспечивают работоспособность главной функции, а, следовательно, и всей системы в целом.

Вспомогательные функции – это функции второго ранга, функции подподсистем. Вспомогательные функции обеспечивают работоспособность основных функций. Функции низших (n) рангов, прежде всего, должны обеспечивать работоспособность функций высших (n-1) рангов.

Функции, обеспечивающие работоспособность, будем называть необходимыми функциями. Функциональная работоспособность системы определяется набором необходимых функций всех рангов, который должен быть необходимым и достаточным, и в то же время обеспечивать функциональную полноту.

Пример 3.28. Компьютер

Главная функция – обработка информации (компьютер обрабатывает информацию).

Основные функции: системного блока – прием, обработка, хранение и вывод цифровых (электрических) сигналов, клавиатуры – ввод цифровой и буквенной информации, монитора – вывод информации на экран и т. д.

Вспомогательная функция части системного блока, блока питания, – обеспечение электрической энергией.

Пример 3.29. Телефон

Главная функция – передача звукового сигнала, например, речи.

Основные функции: микрофона – преобразование звукового сигнала в электрический, наушника – преобразование электрического сигнала в звуковой, клавиатуры – вводить цифровую и буквенную информацию и т. д.

Вспомогательная функция кнопки клавиатуры – ввод конкретного знака.

Пример 3.30. Автомобиль

Главная функция – перевозка (перемещение) людей.

Основные функции: бензобака – хранение (удержание) бензина, двигателя – преобразование бензина в поступательное движение, трансмиссии – преобразование поступательного во вращательное движение и т. д. Вспомогательная функция частей двигателя: поршня и цилиндра – сжатие бензина (создание давления).

Итак, мы рассмотрели основные определения системного подхода: система, функция, иерархия и присущие им понятия: целостность, свойство, отношение, процесс. Кроме того, были введены понятия: антропогенная и техническая системы.

3.2. Системность

3.2.1. Общие понятия

Понятие системности вытекает из системного подхода.

Системность – это свойство, заключающееся в согласовании всех взаимодействующих объектов, включая окружающую среду. Такое взаимодействие должно быть полностью сбалансировано.

Объект будет выполнен системным тогда и только тогда, когда он отвечает своему предназначению, жизнеспособен и отрицательно не влияет на расположенные рядом объекты и окружающую среду. Таким образом, чтобы объект был выполненным системно, он должен отвечать определенным требованиям.

Системные требования

1. Система должна отвечать своему предназначению.

2. Система должна быть жизнеспособной.

3. Система не должна отрицательно влиять на расположенные рядом объекты и окружающую среду.

4. При построении системы необходимо учитывать закономерности ее развития.

Системные требования представляют собой составляющие закона увеличения степени системности (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Структура системности

Предназначение системы описывается главной функцией системы, выполняя главную цель системы, удовлетворяя определенную потребность.

Жизнеспособность технической системы определяется ее работоспособностью и конкурентоспособностью.

Система будут жизнеспособна, если она работоспособна и конкурентоспособна.

Работоспособность — это способность выполнять заданную функцию с параметрами, установленными техническими требованиями, в течение расчетного срока службы.

Другими словами работоспособность – это качественное функционирование системы, т. е. качественное выполнение главной функции системы.

К параметрам работоспособности помимо качественного функционирования системы (в том числе надежности и долговечности) можно также отнести эргономические параметры (характеризуют соответствие товара свойствам человеческого организма).

Работоспособность определяется наличием необходимых элементов с требуемым качеством, наличием и качеством необходимых связей между элементами, организацией необходимых потоков с требуемым качеством.

Конкурентоспособность товара – способность продукции быть привлекательной по сравнению с другими изделиями аналогичного вида и назначения, благодаря лучшему соответствию своих качественных и стоимостных характеристик к требованиям данного рынка и потребительским оценкам.

Конкурентоспособность конкретной системы определяется по сравнению с конкурирующей системой. Конкуренция зависит от:

– количества и качества выполняемых функций;

– стоимости данной системы;

– своевременности ее появления на рынке.

Помимо технических функций следует учитывать также эстетические и психологические. Один из основных эстетических параметров – это дизайн продукта и упаковки, включая и цветовую гамму. К психологическим параметрам следует отнести престижность, привлекательность, доступность и т. п.

Теперь можно представить более детальную схему структуры системности (рис. 3.4), которая является структурой закона увеличения степени системности.

Система работоспособна, когда она выполняет главную функцию системы. Работоспособная система отвечает ее предназначению и имеет определенную структуру.

Рис. 3.4. Структура закона повышения степени системности

Структура системы должна выполнять главную, все основные и вспомогательные функции, представляя собой совокупность взаимосвязанных элементов и связей.

Работоспособность зависит не только от структуры системы, но и от свободного прохода необходимых внутренних и внешних потоков.

3.2.2. Отсутствие системности

Пример 3.31. Телефон

Электромагнитное излучение, возникающее при разговоре по мобильному телефону, вредно воздействует на окружающую аппаратуру, поэтому в самолетах и в больницах не разрешается разговаривать по мобильному телефону.

Антенны ретрансляторов мобильной связи вредно воздействуют на окружающих.

Пример 3.32. Автомобиль

Машины выбрасывают в атмосферу выхлопные газы, загрязняя окружающую среду.

Дорога вредно воздействует на автопокрышки, истирая их.

Атмосфера вредно действует на кузов автомобиля – появляется коррозия.

3.2.3. Эволюционное развитие

Системность так же учитывает и закономерности исторического развития исследуемого объекта – эволюционное развитие. Это последнее требование системности. Оно учитывается при прогнозировании развития объекта исследования путем учета выявленных тенденций исторического и логического развития данного объекта, а также учета общих законов развития систем. В результате получают общую тенденцию развития исследуемого объекта и концептуальное представление его следующих поколений.

3.3. Системный оператор

Г. С. Альтшуллер разработал «Системный оператор».

Его структура представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Системный оператор

Человек с рутинным мышлением рассматривает только саму систему (рис. 3.6). Более углубленный подход – выявить и исследовать части, из которых состоит система – подсистемы. Опытные люди выявляют, куда входит система – определяют надсистему и окружающую среду. Это иерархическая структура.

Рис. 3.6. Системные уровни

Пример 3.33. Дерево

В качестве системы мы рассмотрим дерево, то его подсистемы: ствол, крона и корни. В свою очередь подсистемы могут иметь свои составляющие части – подподсистемы, например, крона имеет ветви. У ветвей имеются свои подсистемы: листья, плоды. У листьев имеются подсистемы: черешок, прожилки, ткани листа. Надсистемой дерева является лес.

В системном мышлении, прежде всего, мы должны выявлять все структурные составляющие (систему, надсистему и подсистемы), много уровней подсистем и надсистем. Необычайно важно знать соседние системы и окружающую среду. Таким образом, системное мышление должно рассматривать все иерархические системные уровни.

Но только знание этих уровней недостаточно. Необходимо учитывать влияние подсистем на систему, системы на надсистему и окружающую среду, и обратное воздействие надсистемы и окружающей среды на систему и подсистемы. Без учета этих влияний мы не только сделаем плохо работающую систему или вообще не работоспособную, но можем оказать отрицательное воздействие на подсистемы, соседние системы, надсистему или окружающую среду.

Покажем взаимовлияние подсистем на систему, системы на надсистему и окружающую среду на примере дерева.

Пример 3.34. Дерево (продолжение)

Вид дерева и его подсистем существенным образом зависит от окружающей среды. Так на севере и высокогорных районах растут, например, карликовые деревья; в пустыне – растения способные запасать влагу (суккуленты), например, кактусы, запасающие влагу в стеблях, алоэ в сочных листьях.

От условий внешней среды зависят и подсистемы растений. Суккуленты имеют мясисто-сочные стебли, листья, или корневища, луковицы, клубни, способные запасать и долгое время бережно использовать запасенную воду. Кожица стеблей и листьев суккулентов покрыта эластичной лакоподобной пленкой – кутикулой, хорошо отражающей солнечные лучи. Кактус собирает влагу и из воздуха, путем ее конденсации на волосках и колючках (ареолах), общая площадь, которых получается очень большой.

В свою очередь растения влияют и на окружающую среду, выделяя или поглощая из атмосферы кислород или углекислый газ в различное время суток.

Пример 3.35. Морская игуана

Морская игуана обитает исключительно на Галапагосских островах. Она питается морскими водорослями и имеет уникальную среди современных ящериц способность проводить под водой около часа. Игуаны научились задерживать дыхание на этот срок, замедлять под водой сердечный ритм и пускать отток крови только к жизненно важным органам. Это произошло в результате эволюции изменением способа питания – пища добывается в воде (морские водоросли), а не на суше. Это пример приспособления к внешней среде.

У морских игуан на суше и воде есть маленькие помощники – крабы и рыбы абудельдуф. Это чистильщики, питающиеся паразитами, доставляющими морским ящерицам немало проблем.

Это пример самоорганизующейся системы.

Третья составляющая системного оператора – это учет динамики развития системы, ее подсистем и надсистем. Необходимо рассмотреть историческое развитие системы, ее подсистем и надсистемы. Эту составляющую мы будем называть эволюционным или генетическим развитием. Для этого выявляют, какие системы, подсистемы и надсистема были в прошлом, и прогнозируют их развитие на будущее.

Последней составляющей системного оператора – выявление анти-систем на всех уровнях и их использование с учетом динамики развития.

Антисистема – это система, которая осуществляет противоположную, по сравнению с исследуемой, функцию. Такое рассмотрение позволяет расширить представление о системе.

Таким образом, системный оператор имеет следующие составляющие:

1. Структура системы и ее иерархические уровни (система, подсистемы, надсистема и окружающая среда);

2. Влияние и взаимовлияние структурных единиц;

3. Динамика развития систем на всех уровнях – эволюционное развитие;

4. Учет и использование антисистем, анти-функций и анти-действий.

Приведем примеры использования системного оператора.

Рис. 3.7. Системный оператор для системы дерево

Пример 3.36. Дерево (продолжение)

Система – дерево. Подсистемы дерева мы рассматривали в примере 3.34. В этом примере выберем плод, например, фрукт. Надсистема – лес. Это мы рассмотрели иерархическую линию. Прошлое дерева – это семя. Прошлое плода – цветок и его ДНК. Прошлое леса – земля.

Рассмотрим будущее. Одно из будущих дерева – это древесина. Одно из будущих фрукта (плода) – может быть что-то из плода, например, пирог, но чтобы согласовать с древесиной лучше взять изделие из древесины, например, деревянное блюдо, на котором лежат плоды. Одно из будущих леса – уголь (рис. 3.7).

Пример 3.37. Машина (автомобиль)

Система – машина (автомобиль). Надсистемой может быть: автострада, система дорожного движения, включающая систему управления дорожным движением (разметка на дороге, дорожные знаки, светофоры, дорожная полиция

и т. д.), автозаправочные станции, ремонтные мастерские, заводы изготовляющие машины и т. д.

Прошлое машины – это карета. Прошлое двигателя – лошадь. Прошлое автострады – поселочная дорога. Прошлое управления дорожным движением – его отсутствие. Каждый ездил как хотел и где хотел. Прошлое автозаправочных станций – почтовые станции, где менялись экипажи с лошадьми, где лошади отдыхали и их кормили овсом. Ремонтные мастерские в прошлом представляли собой кузнечную мастерскую, а заводы по изготовлению машин – каретные мастерские.

Каждый может себе представить свое будущее. Прежде всего будущее машины зависит от того, из каких подсистем она будет состоять и в какую надсистему она будет входить. Например, уже сегодня разработаны машины с электрическими двигателями, имеются двигатели, работающие на водороде и даже сжатом воздухе. Это все приведет к изменению надсистемы. В будущем будет отсутствовать дорожная полиция – все будет автоматизировано. Автомобили будут «общаться» друг с другом, не допуская дорожных происшествий. Дороги могут походить под землей или над землей, не занимая дорогого места на земле.

Рассмотрим АНТИ составляющую.

Функция машины – перемещать (двигать) пассажира. Анти-функция – сдерживать (оставлять на месте). В качестве такой системы может быть тюрьма, домашний арест.

У подсистемы двигателя функция – перемещение поршня. Анти-функция – стопорение (фиксирование). Этой системой может служит любой зажим, например, тиски; рыболовные снасти, например, невод; сачок и т. д.

Если в качестве подсистемы взять «газ», у которого функция увеличить обороты двигателя (ускорение движения), то анти-функцию – уменьшить обороты (замедление движения) – выполняет тормоз.

У подсистемы колеса две функции: перемещение автомобиля и его поддержание на определенном расстоянии от дороги. Анти-функция перемещения – фиксация. Эту функцию осуществляет тоже колесо в режиме тормоза. Анти-функция поддержания – это притягивание или отталкивание. Притягивание к дороге осуществляет антикрыло. В качестве отталкивания может быть воздушная подушка или воздушный шар (дирижабль и т. п.).

Надсистема автострада имеет функции опоры и указания направления движения. Анти-функция опоры – отталкивание (см. выше). Анти-функция указание направления движения – отсутствие указания направления. У самолетов, ракет, судов, подводных лодок и торпед нет указания направления движения в виде дороги. Указание осуществляется виртуально с помощью системы управления.

Надсистема управление дорожным движением имеет одноименную функцию. Анти-функция – отсутствие управление дорожным движением. Это система, в которой отсутствуют все элементы (см. выше). Должна быть самоуправляемая система. Каждая машина связывается с другой машиной. Все вместе они образуют самоорганизующуюся систему (наподобие муравьев или пчел).

Остальные анти-элементы рассмотрите самостоятельно (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Системный оператор для системы машина

3.4. Учет влияний

Системный подход подразумевает учет любых изменений и их влияний на систему. Изменения могут происходить во времени и по условию.

Пример 3.38. Изменения во времени

Типичные изменения во времени – это смена дня и ночи и времен года. Такие изменения учитываются, например, включением и выключением света, обогревом и охлаждением помещений и т. д.

Пример 3.39. Изменения по условию

Типовым изменением по условию в природе это фазовые переходы, например, при температуре 0оС при атмосферном давлении лед превращается в воду. На большой глубине высокое давление. В космосе – невесомость и т. д.

Каждый из нас сталкивается с изменениями по условию в дорожном движении. При красном свете светофора – нет движения, а при зеленом – имеется.

Каждое изменение должно быть учтено при создании новых систем.

Учет всех изменений одна из важных составляющих системного подхода.

Системное мышление должно применяться к любому объекту, к любому явлению и к любому процессу.

3.5. Системный подход при проектировании

Системный подход к проектированию требует обязательное выявления целей, потребностей, функций, принципа действий и систем.

Проектирование начинается с определения целей.

3.5.1. Системный синтез

Синтез системы должен осуществляться в следующей последовательности: выявление потребностей, функций, принципа действия и систем (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Последовательность этапов системного синтеза

Первоначально выявляют потребность, которую необходимо удовлетворить. На следующем этапе определяют все альтернативные функции, которые могут удовлетворить данную потребность. Далее выбирают одну из них, наилучшим образом, удовлетворяющим данную потребность.

Для выбранной функции подбираются все возможные принципы действия системы и из них выбирается наилучший.

На заключительном этапе определяются все возможные виды систем, способные осуществить выбранный принцип действия и отбирается наилучшая.

Пример 3.40. Конференция

Представим ситуацию проведения конференции в определенном месте.

Цель – провести конференцию.

Потребность участника конференции – быть в данном месте в данное время.

Функция – перемещение участника с точки А в точку Б.

Опишем только принципы действия перемещения по земле.

Принцип действия: качение, принцип гусеницы, змеи, воздушная подушка и т. д.

Система: колесо, гусеница, воздушная подушка и т. д.

Корректировка может проводиться уже на уровне потребностей.

Если возможно проводить виртуальную конференцию, то участнику не нужно физически присутствовать на конференции, поэтому меняются функции и последующие этапы.

Идеальный системный синтез – это создание самоорганизующейся системы, приводящую к ее балансу. Такая система приспосабливается к изменениям и противостоит разбалансирующим изменениям.

Все природные системы самоорганизующиеся. Это относится как к растительному, так и к животному миру. Изменения во внешней среде влияют на них, и они приспосабливаются к этим изменениям. В свою очередь изменения, например, в растительном мире влияют и изменяют окружающую среду. Так эвкалипты, посажанные в болотистых местах, осушают их и меняют окружающую среду.

3.5.2. Системный анализ

Анализ систем осуществляется в обратной последовательности: анализ существующей системы, ее составных частей и процессов, анализ принципа действия системы, выявление функций системы и потребности, которую удовлетворяет данная система (рис. 3.10).