Системный подход к изучению объектов живой и неживой природы

Лекция 1. Системный подход к изучению объектов живой и неживой природы Введение. 1.1. Основные определения и понятия системного анализа 1.2. Способы описания систем 1.3. Основные функциональные характеристики сложных систем Выводы Введение Возникновение теории БТС связано с разработкой автоматизированных систем искусственного кровообращения и дыхания, систем замещения утраченных функций гемодиализа, созданием биоуправляемых протезов конечностей (50-е, 60-е г.г.). Затем в 70-е годы стали разрабатываться различные обучающие системы и системы управления целенаправленным поведением животных организмов. Значительные достижения в области медицинских, биологических и технических наук за последние десятилетия стимулируют появление новых биотехнологий и новых технологий приборостроения. В связи с этим повысилась необходимость в специалистах, занимающихся проектированием, установкой и обслуживанием данной техники. Для успешного функционирования данных систем необходимо адекватно сопрягать биологические и технические элементы в единую систему, называемую биотехнической системой. Для этого, во-первых, необходимо знать особенности строения и функционирования биологического объекта (данные знания вы уже получили в курсе биологии человека и животных, анатомии и физиологии человека). При этом биологический организм является сложным объектом, отдельные элементы которого сложным образом взаимосвязаны между собой. И характер данных взаимосвязей не поддается точному математическому описанию. Когда мы имеем дело с любым сложноорганизованным объектом, то для его исследования обычно применяется системный подход. С системами мы встречается практически во всех областях нашей жизни. В естественных и общественных науках, в технике, экономике, политике и т. д. Самые первые понятия о системе мы получаем на уроках математики. Это алгебраические системы. Затем мы встречаем их в биологии, когда проходим различные функциональные системы живого организма человека и животных, а также системы более широкого уровня/охвата/ это различные биологические сообщества (популяции организмов, биогеоценоз и т.д.). Понятие «система» также встречается на уроках истории и географии «социалистическая система», «капиталистическая система» и т.д. Очень часто в наши дни стало встречаться выражение «геополитические системы, которое связано с территориальными отношениями между различными государствами. Далее необходимо остановится на названии данной дисциплины, и рассмотреть каждый термин, входящий в его состав. Наиболее важным на наш взгляд является слово “система”, поскольку оно указывает на существование и взаимодействие различных компонентов, подчиненное изначально заданной цели. Именно в этом целенаправленном взаимодействии и заключается суть функционирования БТС. Назначением данной системы является обеспечение слаженного функционирования каждого из данных компонентов. В слове “биотехнический” дается пояснение, что данные системы должны обязательно иметь биологические и технические звенья. При этом, в различных БТС можно выделить главный (управляющий) и подчиненный (управляемый) объект, независимо от его природы. Примером систем, где управляемым объектом является биообъект, являются медицинские БТС, примером систем, где управляемым является технический компонент, являются системы, применяемые в управлении транспортными средствами и промышленный оборудованием (авиация, космические полеты, станки с программным управлением и т.д.). Более подробно на этом остановимся в разделе, посвященном классификации БТС. Необходимость применения системного подхода для анализа и проектирования данных систем. Для успешного функционирования данных систем необходимо адекватно сопрягать биологические и технические элементы в единую функциональную систему. Для этого необходимо знать особенности строения и функционирования биологических объектов. При этом биологический организм является объектом, отдельные элементы которого сложным образом взаимосвязаны между собой, и характер данных взаимосвязей не поддается точному математическому описанию. Когда мы имеем дело с любым сложноорганизованным объектом, то для его исследования обычно применяется системный подход. 1.1. Основные определения и понятия системного анализа Разновидностями системного подхода являются системный анализ и системный синтез. Системный анализ: анализ проблем с позиции системного подхода, помогающий связать между собой все известные факты и взаимосвязи, которые составляют существо анализируемой проблемы, и создать обобщенную модель. отображающую эту проблему с максимально возможной степенью полноты. Системный анализ может быть использован как при постановке и решении новых проблем. так и при изучении уже существующих объектов. При разработке новых систем, особенно биотехнических, в которых биологический объект включается в качестве одного из звеньев, большое значение приобретает системный анализ. Системный синтез: синтез систем с позиций системного подхода, позволяющий на основе исходных данных (которые включают сведения о назначении системы, ее характеристиках и функциях), знаний элементной базы и опыта проектирования подобных систем предложить обобщенную модель системы, отвечающую поставленным задачам с максимально возможной степенью соответствия при вводимых ограничениях на выбор характеристик ее компонентов. Наиболее общим и в то же время достаточно простым является следующее определение: Определение1. Система - совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой для выполнения заданных целевых функций. Существует другое определение системы: Определение 2. Система - некоторый, класс множеств S = {Mis Ljs Khs ) где S - система Mis -подкласс множеств которые состоят из элементов системы S - ; L js подкласс множеств, образующихся в результате деления элементов системы S на подэлементы; Khs - подкласс множеств, в которые рассматриваемая система сама входит в качестве элемента. Т.е. любая система состоит из набора элементов, которые являются подсистемами. Между этими элементами должна существовать определенная взаимосвязь. Также в определении подразумевается существование различных уровней систем, т.е. наличие систем различного порядка. Т.е. подчеркивается иерархичность системы. Иерархичность, является одним из отличительных признаков сложных систем, к которым как раз относятся биологические системы. Элементы системы S могут быть физическими (механическими, электрическими, термодинамическими и др.), химическими, биологическими и смешанными. Любая система характеризуется наличием входов и выходов, элементным составом и структурой, набором параметров, описывающих ее внутреннее состояние, и законом поведения, связывающим выходные сигналы (эффекты, ответы, реакции) с входными (причиной, стимулом, воздействием, возмущением) (рисунок 1) Рисунок 1– Общая схема системы Закон поведения системы связывает выходной сигнал с входным. В общем случае он выражается системой нелинейных уравнений вида: yj = fj (x1, x2, ... , xn, u1 ,u2, ..., ur) , где yj - выходной сигнал на j-м выходе системы; j = 1,m, x1 x2... xn - входные сигналы; u1 u2 ur - определяющие параметры системы fj - функционал, связывающий сигнал на j-м выходе с входными сигналами и определяющими параметрами. Состояние системы определяется значением ее характеристических параметров, параметров составляющих её элементов, положением системы в пространстве, а также значениями их производных. Изменение этих значений в пространстве и во времени означает переход системы из одного состояния в другое. • Системы, которые способны изменять состояние под влиянием воздействий называются динамическими. • Динамическая система становится статической, если производная равна нулю. • Переход системы из одного состояния в другое под воздействием внешних и внутренних факторов называется процессом. • Совокупность процессов составляет сущность управления. Любую систему можно представить в виде блок-схемы графа, отражающих ее Структуру, т. е. как совокупность выявленных элементов (подсистем) и их взаимосвязей (рисунок 2). Рисунок 2 – Изображение структуры системы в виде блок-схемы (а) и графа (б). Реальные системы трудно объединить в какие-то естественные группы, так как они имеют разную природу и назначение. Тем не менее, можно выделить наиболее общие признаки, позволяющие классифицировать системы и разделить методы их изучения. К этим признакам относятся сложность систем, использование различных типов входов и выходов, характеристика элементов и типов связей между ними и т. д. Классификация систем: а) по уровню сложности: 1. Простые системы: системы, состоящие из небольшого количества элементов и характеризующиеся простым динамическим поведением 2. Сложные системы: системы, структура которых отличается разветвленностью и разнообразием связей, но поддается точному описанию 3. Очень сложные системы: системы, которые не поддаются точному и подробному описанию. б) по характеру поведения 1. Детерминированные: системы, для которых точно известен закон поведения 2. Стохастические системы: системы, для которых можно определить вероятность того или иного состояния, той или иной реакции в) по роли в процессе передачи информации 1. Информируемые системы, имеющие хотя бы один информационный вход 2. Информирующие системы: имеющие хотя бы один информационный выход 3. Информационные системы, имеющие некоторое количество информационных входов и выходов. г) по типу связей между элементами 1. Замкнутые 2. Разомкнутые 3. Системы с прямой связью 4. Системы с обратной связью д) по характеристикам элементов 1. Линейные 2. Нелинейные 3. Гистерезисные 1.2. Способы описания систем Различные описания системы отображают определенные группы их свойств и позволяют выявить упорядоченность, структурность и функциональную организованность системы. Выделяют четыре типа описания систем: 1) Функциональное описание 2) Морфологическое описание 3) Информационное описание 4) Генетико-прогностическое описание. Рассмотрим эти описания системы. Наиболее существенное значение для характеристики системы имеет именно функциональное описание. Функциональное описание Описание системы с точки зрения её целевых функций. Из первого определения системы видно, что любая система должна выполнять определенные целевые функции, в противном случае она вообще не будет являться системой. Среди функций можно выделить наиболее простые: 1) Пассивное сосуществование в качестве материала для других систем 2) Обслуживание систем более высокого порядка 3) Выживание т.е. противостояние другим системам и среде обитания 4) Поглощение и подавление других систем и среды 5) Преобразование других систем и среды и.т.д. Для систем более высокого порядка формулировка единой целевой функции представляет сложную неоднозначную задачу. Функция системы выполняется, если её характеристические параметры изменяются в определенных пределах. Вне этих значений система разрушается или существенно меняет свои свойства и функцию. Последовательность действий при выполнении системой некоторых функций определяется законом поведения системы, а именно, законами внешнего и внутреннего поведения системы. Так как выполнение функции системы зависит от качества выполнения функций ее элементами, то функциональное описание следует представлять в виде иерархической структуры, представленной на рисунке 3. Рисунок 3 – Иерархическая структура функционального описания Функциональное описание всей системы вбирает в себя описание внешних функций, процессов и характеристических параметров, которые определяют законы внешнего функционирования и эффективность выполнения функций. Законы внутреннего функционирования системы являются законами внешнего функционирования для подсистем первого уровня и зависят от функций подсистем первого уровня, процессов, протекающих внутри системы и параметров подсистем. Показатели качества выполнения функций первого уровня оказывают влияние на эффективность всей системы. Законы функционирования подсистем второго уровня являются законами внутреннего функционирования для подсистем первого уровня и т. д. Таким образом, по мере продвижения в глубь системы функциональное описание включает все новые уровни организации и новые морфологические структуры. Воздействия внешней среды могут проявляться на любом уровне функционального описания и косвенно вызывать изменения эффективности всей системы. Морфологическое описание системы Определяет состав элементов, связи и структуру системы. Вначале система раскладывается на элементы. Морфологическое описание начинается с характеристики элементного состава. Элементы по своему составу могут быть: -информационными, -энергетическими, -вещественными и -смешанными. Далее исследуются свойства элементов. При этом имеют значения только те свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами системы. А также дается характеристика связей между элементами внутри системы и между всей системой и средой. Морфологическое описание может быть дано на нескольких уровнях, т.е. оно также иерархично. При этом на разных уровнях могут быть разные способы описания. Например, для описания биологического объекта на уровне органов используются клинико-инструментальные методы, на уровне клеток - данные микроскопического исследований, для описания процессов во внутриклеточных структурах - методы биохимического анализа. Рисунок 4 – Иерархическая структура морфологического описания Морфологическое описание начинается с характеристики элементного состава, который может быть гомогенным (содержать однотипные элементы), гетерогенным (содержать разнотипные элементы) и смешанным. Затем исследуются свойства элементов, которые могут классифицироваться: − по содержанию; − по степени свободы, − по степени специализации − по времени активного участия в выполнении функции. По содержанию выделяют информационные, энергетические, вещественные и смешанные элементы. По степени специализации элементы могут быть предназначены для однотипных, близких (смежных) и разнотипных функций. По степени свободы в выполнении функций элементы разделяют на программные, адаптивные и инициативные, а по времени действия – на регулярные, непрерывные, нерегулярные и смешанные. Следующей частью морфологического описания является характеристика связей между элементами внутри системы и между всей системой и средой. Связи оценивают по содержанию как информационные, энергетические, вещественные и смешанные и по их направленности как прямые, обратные и нейтральные. Качество связи между элементами можно оценить пропускной способностью и надежностью каналов связи. Пропускная способность канала связи определяется как максимальный объем вещества, энергии или информации, который может пропустить канал связи в единицу времени. Надежность связи зависит от величины и вероятности ошибок преобразования и передачи вещества, энергии или информации. Особо выделим прямые и обратные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью выполнения функций элементами, приводящей к достижению целевой функции системы. Обратные связи, в основном, имеют контролирующую функцию для обеспечения качества управления процессами. Наиболее распространены информационные обратные связи, которые позволяют передавать информацию в направлении, противоположном функциональной последовательности. Наличие подобных связей характерно для адаптивных систем, способных приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям или целенаправленно изменять эти условия. Под структурой понимается множество всех возможных отношений между элементами внутри данной системы. Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью этих отношений. По характеру отношений можно выделить многосвязные, иерархические (многоуровневые) и смешанные структуры. Для иерархических структур характерно наличие управляющих (командных) элементов. В неиерархических (многосвязных) структурах управляющие функции распределены между всеми элементами или группами элементов. Наличие иерархии, как правило, является признаком высокого уровня организации. Такие структуры более экономичны и в функциональном отношении. На рисунке 5 в виде графов приведены примеры различных типов структур. Устойчивость межэлементных отношений характеризует стабильность расположения элементов в пространстве. Наиболее устойчивы детерминированные структуры, т. е. такие, в которых отношения либо неизменны, либо изменяются по некоторому известному закону. Если отношения между элементами описываются вероятностными законами, структура называется вероятностной (стохастической). Существуют также хаотические структуры, в которых межэлементные отношения являются непредсказуемыми для любого момента времени, т. е. любые отношения могут существовать с равной вероятностью. Рисунок 5 – Примеры типов структур Подсистемы сами могут быть сложными системами. Различают следующие типы подсистем (элементов): − эффекторные, способные преобразовывать управляющие воздействия и воздействовать веществом, энергией или информацией на другие подсистемы, соседние системы и среду; − рецепторные, способные преобразовывать внешние воздействия в информационные сигналы; − рефлексивные, способные воспроизводить внутри себя процессы воздействия на информационном уровне; − неопределенные, которые не могут быть точно отнесены к одному из перечисленных выше типов. При определении степени влияния одних подсистем на другие, большое значение приобретает понятие лидерства. Лидирующей подсистемой является та, которая, не имея детерминированного влияния со стороны какой-либо подсистемы, управляет большей частью других подсистем. Понятие «структура» включает также конфигурацию системы – пространственное расположение элементов, геометрические свойства. Различают точечную, линейную, плоскую, объемную и смешанную конфигурации. Информационное описание системы Информационное описание характеризует циркулирующие в системе информационные потоки. Оно выражается через понятие энтропии. Энтропия - характеризует неопределенность исхода опыта. Величина ее (Н) зависит от вероятности (р) пребывания системы в любом из n возможных состояний. H = - Чем беспорядочнее система (т.е. чем больше n), тем больше ее будущее зависит от случайностей. Таким образом, информационное описание определяет упорядоченность системы и выражает способность системы предсказывать свое будущее поведение. Чтобы система существовала, взаимодействовала со средой, она должна обмениваться с ней информацией. Этот процесс называется информационным метаболизмом. Вместе с вещественным и энергетическим он определяет полный метаболизм. Генетико-прогностическое описание Генетико-прогностическое описание позволяет проследить исторический путь развития системы. Оно -выявляет происхождение системы (объекта) -отражает главные этапы в его развитии -позволяет оценить перспективы дальнейшего существования -позволяет разобраться в особенностях их структуры и функционирования -понять роль и назначение ряда подсистем -оценить роль внешних и внутренних факторов в эволюционном развитии. Особую роль данное описание играет при исследовании биологических систем. Таким образом, совокупность функционального, морфологического, информационного и генетико-прогностического описаний позволяет отразить главные свойства систем. 1.3. Основные функциональные характеристики сложных систем Для сопоставления систем различных уровней и структуры и выяснения их оптимальности вводят некоторые функциональные характеристики. К ним относятся: • эффективность, • надежность, • качество управления, • помехозащищенность, • устойчивость, • степень сложности. Эффективность Показателем эффективности сложной системы называется величина (числовая характеристика), характеризующая степень приспособленности системы к выполнению поставленных перед нею задач. Показатель эффективности системы непостоянен, он зависит от взаимоотношения системы с другими системами и средой. Показатель эффективности задан таким образом, что если система противодействует неблагоприятному воздействию другой системы или среды, добиваясь стабилизации некоторого процесса или показателя, то его величина уменьшается, что соответствует принципу ле Шателье. Реакция системы на воздействие может выражаться в активной перестройке всей системы (например, резкое изменение физиологических параметров при остром инфекциооном процессе (грипп) заключающееся в выделении медиаторов воспаления, изменении в системе крови - повышение СОЭ, болевой синдром, симптомах раздражения ЦНС - появление тошноты, рвоты, и т.д.). Реакция системы на воздействие может также порождать процессы противодействия, которые могут изменять параметры среды и использовать первоначальные неблагоприятные изменения в свою пользу (возникновение реакций со стороны иммунной системы, заключающееся в выбросе антител, изменении белкового состава крови - выброс С-реактивного протеина, повышении температуры, реакции со стороны сердечно-сосудистой системы - увеличение ЧСС, дыхательной системы- увеличение ЧД при острой вирусной инфекции). При этом за уменьшением эффективности системы может последовать её увеличение, изменение функций и пределов работоспособности системы, например, у спортсменов при стрессовых нагрузках в связи с активизацией симпатической нервной системы наблюдается выброс катехоломинов. Это обуславливает повышение минутного объема кровообращения за счет увеличения ЧСС и сердечного выброса, увеличение ЧД, ослабление работы внутренних органов. Отклонение показателя эффективности от условного порога в большую сторону характеризует запас прочности системы. Уменьшение показателя ниже порога может привести к нарушению функций или к разрушению системы. Надежность системы Для оценки надежности сложных систем необходим правильный учет последствий (с точки зрения конечного эффекта функционирования системы), к которым приводят отказы тех или иных элементов. Под отказом элемента понимают выход его характеристик за допустимые пределы либо полное прекращение работы. В обоих случаях изменяется показатель эффективности. Надежность биотехнических систем лучше всего определять экспериментальным путем, так как их трудно описать аналитически по причине их сложности. Качество управления Качество управления определяют факторы, связанные с 1) качеством критериев управления, 2) частотой циклов управления, 3) качеством осведомительной информации, 4) алгоритмами управления. Качество управления можно выяснить путем сравнительной оценки нескольких вариантов, сравнивая их показатели эффективности. Можно оценивать качество управления элементами системы, например, операторами, рассматривая их подготовленность и соответствие решаемой задаче. Величина показателя эффективности в этом случае может быть вычислена, либо измерена на моделях (например, на тренажерно-моделирующем комплексе без включения человека в контур управления). Затем можно получить реальное значение этого показателя, включив в контур управления человека. При этом можно вычислить, насколько изменяется качество управления при переходе к реальной системе. R=R0 упр - R*, где R0 упр- - показатель эффективности модели R* - реальное значение показателя эффективности R- абсолютная оценка Абсолютная оценка используется для оценки того или иного мероприятия по организации деятельности человека, влияния смены алгоритма управления, изменения программы подготовки операторов. Помехозащищенность Помехозащищенность системы отражает её способность работать с прежней эффективностью в условиях действия помех. Для оценки помехозащищенности вводятся понятия «невозмущенное функционирование системы» и «помеха» Функционирование системы называется невозмущенным, если она работает в нормальных /типичных/ для нее условиях. Помехой называются внешние или внутренние факторы, которые изменяют параметры системы. Пример помех: на ЭКГ, электроэнцефалограммы - внешние наводки, двигательные артефакты, нервный импульс, болевой синдром, кожно-гальваническое сопротивление. Артефакты движения, сетевые наводки могут быть устранены постановкой в прибор специальных частотных фильтров, например, не пропускающих низкочастотные и высокочастотные колебания. Устойчивость Под устойчивостью функционирования системы понимается её способность сохранять требуемые свойства в условиях воздействия возмущений. Важной задачей исследователя является выделение пределов изменения параметров системы, в которых система выполняет свои целевые функции достаточно эффективно. Степень сложности Сложность системы, можно выразить следующей формулой: Т=  Тi ki, где n- количество типов элементов; Т- показатель сложности элементов; Тi - сложность i-го элемента; ki, - количество элементов i-го типа, входящих в систему. Выводы Системный подход предполагает разносторонний анализ объекта, но при этом могут быть выделены три основных этапа, три «плоскости» системного исследования: 1) Изучение степени организованности объекта как сложной системы. При этом анализируются элементный состав, связи и структура системы при фиксировании ее состояния в некоторый момент времени (морфологическое описание моментного состояния). 2) Изучение законов функционирования, описывающих поведение системы в условиях реального существования, и анализ возможных погрешностей в ее поведении, накопления ошибок, функциональное и информационное описания). 3) Изучение пути развития объекта, его происхождения и перспектив дальнейшего существования (генетико-прогностическое описание). На первом этапе можно выделить две задачи: выяснение состава и свойств элементов подсистем, включенных в систему (элементный анализ) и определение того, как они между собой: связаны (анализ связей и типа структуры). При составлении морфологического описания решается несколько основных задач: − выявление взаимосвязей элементов, которые придают объекту целостность и порождают новые свойства, отсутствующие у каждого элемента в отдельности; − изучение характера взаимосвязей элементов, выделение высших и низших уровней организации, при этом определяют центральные и соподчиненные элементы, наличие прямых и обратных связей, определяется тип структуры и конфигурация и т. д.; − сравнение данной системы с другими в плане их близости, сходства и различия, что позволяет выявлять общие законы организации сложных систем. На втором этапе изучаемый объект рассматривается как элемент (подсистема) более обширной и сложной метасистемы в которой он выполняет определенные функции. Такой объект постоянно взаимодействует с окружающей средой, так или иначе, реагируя на ее воздействия. Однако процессы, происходящие внутри объекта, не могут однозначно определяться только внешними воздействиями. Изменения, которые претерпевает объект, вызываются переплетением как внешних, так и внутренних факторов, причем, чем сложнее объект, тем в большей мере характер этих изменений определяется присущими ему внутренними закономерностями. Таким образом, второй этап системного подхода связан с изучением законов внутреннего и внешнего функционирования. Законы внешнего функционирования раскрывают характер взаимодействия с внешней средой: тип обмена энергией, веществом и информацией, избирательность восприятия и степень переработки воздействии среды, степень активности при воздействии на среду со стороны объекта, наличие адаптивных свойств и способности к самоорганизации и т. д. Законы внутреннего функционирования определяются элементным составом и связями между элементами и обусловливают выполнение элементами определенных функций, необходимых для нормальной работы целого.