KURZUS: Rendszer és irányítás

MODUL: I. modul: Rendszerelmélet

1. lecke: Általános rendszerelmélet

| A "rendszer" - system - szó egyike a leggyakrabban használt szavainknak. Lépten-nyomon használjuk, miközben nem is gondolunk bele a jelentésébe. A "rendszer" szó mindennapjainkban valami egészet, egységet jelent. Így a "legnagyobb" rendszer, amely körbevesz bennünket, a világegyetem, az univerzum. Persze ennél kisebb egységekre is használható, használjuk a fogalmat, és - mint látni fogjuk - ennek a fogalomnak rendkívül széles tárháza.
A rendszerelmélet az elméleti biológia területén jött létre, de mára már önálló tudományterületté vált, ugyanakkor ma már gyakorlatilag minden tudományterületen jelen van, ahogy jelen vannak a rendszerelméletet kritizáló más nézetek, szemléletek is.
A tantárgy keretében nem vállalkozhatunk a rendszerelmélet - és annak kritikái! - teljes megismerésére. Célunk az, hogy a rendszer azon aspektusait tárjuk fel, amelyek az informatikus számára fontosak.
Az informatikában különösen gyakori, sokszor, különböző összefüggésekben jelenik meg a "rendszer" fogalom. A rendszer lehet operációs-, szoftver-, hardver-, információs-, informatikai-, kommunikációs-, vállalati- ... és még sorolhatnánk. Az informatikus rendszereket vizsgál, fejleszt és üzemeltet. Fontos tehát, hogy a rendszerrel, annak jellemzőivel tisztában legyen.
Cél: A lecke célja, hogy a hallgató megismerje és megértse a rendszerelmélet alapvető fogalmait és folyamatait. Az alapfogalmak a tananyag további részének elsajátítása során segítik azok részletesebb kifejtését, megértését.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes definiálni a rendszerelmélet alapfogalmait:
rendszer, elem, környezet, struktúra.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 45 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
rendszer, alrendszer, rendszerrész, részrendszer, modul, elem, (rendszer)környezet, rendszerhatár, struktúra, bemenet, kimenet, interfész, hatás, komplexitás, leírás, rendszerelmélet, rendszerszemlélet.
1. Bevezetés
A "rendszer" fogalom - nomen est omen - valamilyen rendre, rendezettségre utal.
Már az ókori görögöknél is megjelent a rendszerek tanulmányozása. Aristoteles, az egyik legnagyobb görög filozófus megállapítása - "Az egész több mint a részek összege." - jól példázza a rendszer és az elemek kapcsolatát.
A fogalom görög eredetije a "szüsztéma", amely a szün- (össze) és (hi)sztémi (áll) szóösszetételbő jött létre. A ma általánosan használt - angol - alakja a system a latin "systema" szóból ered. A görög eredet köszön vissza a "szisztéma" (rendszer) szavunk esetében is.
A "rendszer" valójában a filozófia egyik alapkérdése, amely régóta foglalkoztatja a filozófusokat, de a rendszerelmélet ennek ellenére viszonylag új tudományág. A XX. század első felének végén az USA-ban kezdtek el komolyabban foglalkozni a témával. Ott találkozott vele a magyar származású osztrák biológus - Karl Ludwig von Bertalanffy - is, akit ma a rendszerelmélet "atyjának" tekintenek. Bertalanffy az élő szervezet tanulmányozása során alkalmazta és alkotta meg az elméletét - General System Theory - GST -, amelyet a számos publikációban ismertetett. A rendszerelmélet mára egy interdiszciplináris tudománnyá vált, amelyre sokan új filozófiaként tekintenek. Számos jelentős - közöttük több magyar - kutató járult hozzá az elmúlt évtizedekben a fejlődéséhez. Ugyanakkor azt sem hagyhatjuk figyelmen kívül, hogy a rendszerelméletnek számos bírálója is akad.
A rendszerelmélet bonyolult rendszerek törvényszerűségeit vizsgálja a természettudomány, illetve a matematika módszereivel.
A rendszerelmélet alapjainak megismeréséhez szükséges néhány fogalom ismerete:
1. | rendszer,
2. | részrendszer, alrendszer,
3. | elem,
4. | környezet,
5. | interfész,
6. | struktúra,
7. | folyamat,
8. | információ - erről a 2. modulban lesz szó,
9. | irányítás, kibernetika - ezt részletesen a 3. modulban tárgyaljuk.
2. A rendszer
A Bevezetésben utaltunk rá, hogy a rendszer fogalomnak nincs egységes, egzakt meghatározása. Amit a leginkább elterjedtnek, elfogadottnak lehet tekinteni:
A rendszer egymással kapcsolatban álló, közös tulajdonságokkal bíró elemek együttese.
A rendszer definiálhatóságának gátjaként azt szokták felhozni, hogy a fogalom maga annyira alapvető, hogy általánosságban nem, csak konkrét rendszerek esetén határozható meg. Ehhez az adott rendszer funkcióinak, elemeinek, szerkezetének ... vizsgálata, ismerete szükséges. Nem menve bele a probléma elméleti fejtegetésébe, számunkra ez a megközelítés tökéletesen megfelel, hiszen informatikusként mindig konkrét rendszerekkel fogunk dolgozni.
A világmindenséget - ami valójában "A Rendszer" - parányi és kolosszálisan nagy dolgok, úgy is fogalmazhatunk, hogy rendszerek alkotják. Ezek a rendszerek maguk is tagjai-elemei más rendszereknek. Ezeknek a rendszereknek vannak tulajdonságai. Például beszélhetünk arról, hogy a vizsgálat tárgyát képező rendszer hol van, milyen elemei vannak, élő vagy élettelen, mozog-e stb. A tulajdonságok összessége határozza meg a dolgot. A dolgoknak a világban való jelenléte - részrendszer jellegükből adódóan - kölcsönhatás és kapcsolat is egyben. A különböző dolgok hatnak egymásra, befolyásolják egymás strukturálódását, módosítják egymás működését, "megtudnak" valamit a másikról.
A rendszer határait tehát tetszőlegesen választhatjuk meg. A rendszeren belül az elemek kommunikálnak egymással, a környezettel - befoglaló rendszerrel, más rendszerekkel - pedig a rendszer határain - input/output - keresztül kapcsolódnak. (1. ábra)
A rendszer
1. ábra
2.1. A rendszer tulajdonságai
A rendszer tehát alkotóelemek szervezett együttese, amelyek egymással dinamikus kölcsönhatásban állnak. Az elemekre külön-külön nem jellemző, új tulajdonságokat és ehhez tartozó struktúrákat hoznak létre. Az alkotóelemek maguk is részrendszerek, az egész rendszer elemi formái, amelyek magukban hordozzák az egész általános tulajdonságait. A tulajdonságok fűzik össze az alkotóelemeket rendszerré. A rendszer szempontjából az elemek általános tulajdonságai a fontosak. Közös tulajdonságok miatt mellérendelő viszony az elemek között. Az egyedi tulajdonságok alapján viszont hierarchikus. Az elemek köré húzott határvonal választja el a rendszert a környezettől. A belső kapcsolatrendszer folyamatosan változik - pillanatnyi állapot.
2.2. A rendszer terjedelme, felosztása
A vizsgált rendszer elemeit - az adott a vizsgálatban! - már nem bontjuk további részekre. A rendszer elemei persze nem feltétlenül képeznek felbonthatatlan egységet. Egy újabb vizsgálat szempontjából célszerű lehet az elemeket tovább-bontani.
A rendszer elemei önmagunkban is viselkedhetnek rendszerként, lehetnek elemei és vonatkozhatnak rájuk bizonyos rendszertörvények.
Könnyen belátható, hogy az elemek külön-külön is tovább-bonthatók önállóan működő rendszerekre.
Fontos hangsúlyozni, hogy a részrendszer vagy az alrendszer fogalom valójában magát a rendszert jelenti, tehát nem rendszerelméleti kategória, pusztán praktikus okokból használjuk. Ez a praktikus ok, hogy az adott vizsgálat során a vizsgált egy hierarchikus rendszer egyes részeit - a "teljes" rendszer egyidejű jelenléte mellett - akarjuk megvizsgálni. Ez egyébként az informatika egyik legáltalánosabb rendszervizsgálati módja. (Tipikus példája ennek, amikor egy vállalat - rendszer - egyes funkcionális területeit - pénzügy, termelés stb. - önállóan, de mégis a teljes vállalat működésének szem előtt tartásával vizsgáljuk.)
Eddig egy rendszer felbontásáról ejtettünk szót, de nyilván létezik a fordítottja is. Amennyiben az elemek tulajdonságait nem felbontjuk, hanem bizonyos szempontok szerint összevonjuk, akkor a rendszer határait - mivel több elem fog megfelelni a feltételeknek - kiterjesztjük.
Azt, hogy egy rendszer "mekkora", mely elemek tartoznak bele, mindig az adott vizsgálat követelményei határozzák meg. A rendszervizsgálat menete:
A rendszer egészének és a környezeti hatásoknak a vizsgálata. Részekre tagolás - alrendszer, részrendszer - kapcsolatok vizsgálata. A részrendszerek leírása. A rendszermodell ellenőrzése. (A rendszerek vizsgálati módszereivel a 3. modulban foglalkozunk.)
2.3. A rendszer elemei
A vizsgált rendszer legkisebb részei, amelyek szerkezete az adott vizsgálat szempontjából nem releváns. A rendszerelemek rendelkeznek egy sor tulajdonsággal és állapottal. Két vagy több elem között, vagy az elemek különböző állapotai között kölcsönhatások, összefüggések állhatnak fent.
A rendszert az elemek és az elemekre érvényes törvényszerűségek határozzák meg.
Az elem a rendszer önálló, műveletvégző része. Az elemek között kapcsolat van, a kapcsolatot az információk áramlása jelenti. Ez természetesen nem jelenti azt, hogy minden elem minden elemhez kapcsolódik. Az viszont követelmény, hogy ne legyen olyan elem, amelyik egyetlen másik elemmel sem lép kapcsolatba. Ekkor ui. ez az elem nem része a rendszernek!
A rendszer bonyolultságát a kapcsolatain keresztül tudjuk mérni. A rendszer komplexitása - bonyolultsága - az elemek és a kapcsolatok számának a függvénye:
M=f( E,K ) ,
ahol:
| E - az elemek száma,
| K - a kapcsolatok száma
A rendszerben lehetséges relációk száma: R L = E 2 −E 2 (Ebből a szempontból lényegtelen, hogy a kapcsolat egy- vagy kétirányú.)
A rendszer teljes (elméleti) komplexitása:
M T = R L
A rendszer relatív komplexitása:
M R = R V R L
ahol: 0< M R ≤1
| E - elemek száma,
| K - kapcsolatok száma
| T - teljes
| L - lehetséges
| V - valós
| R - relatív
A rendszerelemek többféle funkciót is betölthetnek a rendszeren belül, így lehetnek:
információ források, információ nyelők, információ tárolók, információ csoportosítók, információ feldolgozók döntési képességgel, illetve döntési képesség nélkül, információ feldolgozók tanulási képességgel, illetve tanulási képesség nélkül.
2.4. A rendszer határa és környezete
A rendszerek nem elszigeteltek, nem önmagukban léteznek.
A rendszer elemei között belső kapcsolat van. A rendszer határain kívül van a környezet, amivel a rendszernek - az elemein keresztül - szintén kapcsolata van.
A rendszer környezetének a rendszeren kívül lévő összes dolgot tekintjük. A környezetben levő dolgok tulajdonságai kihatnak a rendszerre. A környezetben levő dolgok tulajdonságainak változása megváltoztathatja a rendszer működését, megváltozik a rendszer viselkedése. A rendszer "viselkedése" is visszahat a környezetre. A rendszer a környezetével jelek segítségével kommunikál.
A külső kapcsolatok jeleinek két nagy csoportja:
az inputok - amelyek a rendszer működését alapvetően meghatározzák. Ezek lehetnek a rendszerrel "normális" kapcsolatban levő rendszerektől érkező, a működéshez szükséges jelek, a rendszerre ható, annak működését befolyásoló szabályozók, illetve olyan nem kívánt jelek, amelyek a rendszer működésében zavart okoz(hat)nak. az outputok - amely a rendszer "válasza" a környezet felé. (2. ábra)
A rendszer környezete
2. ábra
Összefoglalva:
A rendszer környezetén azokat az elemeket/rendszereket értjük, amelyek hatnak a rendszerre, de annak nem részei. A rendszer határán azt a közeget értjük, amely a vizsgálat tárgyát képező rendszert más rendszerektől különválasztja. A rendszer határa meghatározza magát a rendszert, és meghatározza a rendszer környezetét. A környezet hatásai a rendszer határán keresztül hatnak a rendszerre. Ez a határ (interfész) sok esetben szűri a rendszeren kívüli elemek rendszerre való hatását.
A vizsgálat tárgyát képező rendszer meghatározása:
A környezetből kiemeljük a bennünket érdeklő részeket. A rendszerhez, illetve vannak a rendszerkörnyezethez tartozás eldöntésében az alábbi kérdések megválaszolása segíthet: Fontos-e az adott objektum a vizsgált rendszer céljainak eléréséhez? Tudja-e a rendszer elemzője jelentősen befolyásolni az adott objektum paramétereit? Ha a válasz mindkét kérdésre igen, akkor az adott objektum a rendszer határain belül található, máskülönben a rendszeren kívül, annak környezetében. A fentiek alapján a környezetet is meg tudjuk határozni. Végül meghúzzuk - mesterségesen - a rendszer határait.
A kijelölt rendszer soha nem független a többitől, számos másikkal körkörösen átfed vagy pedig az egyik rész a másikat tartalmazza. A rendszer globális vizsgálatánál mindig ki kell térni tehát az átfedésnek és a tartalmazásnak az elvi kérdéseire, amelyek egyébként egymástól sem függetlenek.
2.5. interfész
A környezet hatásai a rendszer határain hatnak a rendszer működésére. Ez a határ az interfész, amely átengedi vagy szűri a környezetből érkező jeleket. Az interfész feladata, hogy "érthetővé" tegye, konvertálja környezetből érkező jeleket.
3. ábra
2.6. A struktúra
A rendszerek felépítésének és működésének egyik fontos jellemzője, illetve meghatározója a struktúra. A rendszer struktúráján a vizsgált rendszert alkotó részek, elemek kapcsolódási módját, formáját, elrendeződését értjük. (4. ábra) A rendszer struktúráját az elemei közötti, illetve az elemek és az egész közötti viszonyok összessége alkotja.
Az a mód, ahogyan az elemek elrendeződnek (azaz a struktúra) jellemzője az adott rendszernek, behatárolja képességeit és viselkedését.
A rendszer struktúrájának megadása a rendszer statikus leírását jelenti.
A rendszer struktúrája
4. ábra
A rendszer hierarchiája
5. ábra
2.7. A folyamat
A struktúra és a hierarchia a rendszer felépítését, szerkezetét mutatja meg, de nem ad információt a rendszer feladatáról, működéséről. Vannak természetesen nem működő rendszerek, de számunkra ezek érdektelenek. Az informatika olyan - ún. - ember-gép rendszerekkel (A fogalom magyarázatát ld. a 3. modulban!) foglalkozik, amelyek konkrét célt, feladatot látnak el, ezek vizsgálatánál nem csak a szerkezet, hanem a folyamatok, tevékenységek ismerete is fontos.
3. A rendszerfogalom speciális vetületei
Bár Bertalanffy biológusként az élő szervezetekkel foglalkozott, a rendszerelmélet ezen túlmutat, és az élettelen rendszerek ugyanúgy a rendszerelmélet részét képezik. Az alábbi felsorolás párba állít különböző rendszertípusokat, amelyek között felfedezhetünk mindkét kategóriába tartozó típust.
Fizikai rendszer - Absztrakt rendszer. Statikus rendszer - Dinamikus rendszer. Működő rendszer - Nem működő rendszer. Zárt rendszer - Nyílt rendszer. Természetes rendszer - Mesterséges rendszer. Determinisztikus rendszer - Határozatlan rendszer. Adaptív rendszer - Nem adaptív rendszer. Célorientált rendszer - Nem célorientált rendszer. Vezérelt - Szabályozott. ...
A fentiekből is látható, hogy a rendszer fogalom meglehetősen általános, gyakorlatilag magában foglalja az egész világmindenséget. Az informatikus munkája során viszont többnyire a rendszereknek egy speciális típusával foglalkozik, ez pedig az ún. gazdasági szervezet. (A tananyag későbbi részeiben természetesen még más összefüggésben is fogjuk használni a rendszer fogalmát - pl. számítógép-, információs-, kommunikációs- vagy éppen informatikai rendszer - de itt most a rendszerelmélet alapfogalmait tárgyaljuk.)
Ennek a megállapításnak csak látszólag mond ellent, hogy számos esetben tisztán gépi rendszerek is megjelennek, mivel ezek is a szervezet működését szolgálják.
A rendszerelmélet egy speciális rendszerként definiálja és szervezetnek nevezi az "élő" rendszereket.
A szervezet tehát egy olyan speciális rendszer, amely
életjelenséget mutat, aktív kapcsolata van a környezetével, önmaga fenntartására törekszik, konkrét cél megvalósítása érdekében jött létre, rendelkezik e célok végrehajtásához szükséges funkciókkal.
Beszélünk még az ún. gazdasági szervezetről, amely a szervezethez képest annyival "több", hogy:
emberi társulások, kifejezetten, meghatározott gazdasági célok elérése érdekében jön létre, kialakulásukat, működésüket és megszűnésüket társadalmi szükségletek határozzák meg, anyagi-, és szellemi erőforrások koordinálásával jönnek létre és működnek, belső vezérlőfunkciójuk a vezetés.
A szervezetek - és értelemszerűen a gazdasági szervezetek - ún. ember-gép rendszerek (lásd Kibernetikai modul).
Egyes szerzők különbséget tesznek a gépi- és a humán elemek szerepe tekintetében, de úgy véljük, hogy a mai technológiák mellett - MI, AI ... - ezek a nézetek már nem feltétlenül helytállók, így a későbbiekben csak akkor fogunk erre utalni, ha az feltétlenül szükséges.
4. Rendszerelmélet és rendszerszemlélet
Gyakran találkozunk a rendszerelmélet és a rendszerszemlélet fogalmakkal, amelyeket nagyon sokszor egymás szinonimájaként használnak. A két fogalom azonban a hasonlóság ellenére is teljesen mást jelent!
Mint azt a leckében tárgyaltuk, a rendszerelmélet:
Egy interdiszciplináris tudomány, amely az érzékelhető világ általános összefüggéseit vizsgálja, és a matematika nyelvén írja le a rendszerek szerkezetét és a környezettel kapcsolatát.
Ezzel szemben a rendszerszemlélet:
A rendszerelmélet elveit és módszereit a vizsgálódás középpontjába állító gondolkodásmód.
A rendszerszemlélet tehát egy "szemléleti forma", egy gondolkodásmód, amely a rendszerelmélet ismerethalmazára alapozva vizsgálja a rendszerek működést.
A rendszerszemléletű vizsgálat jellemzői a:
Bonyolult rendszerek absztrakciója. A problémák "egészként" kezelése. Lebontás átlátható részekre.
A lecke során többször előfordult a "rendszer leírása". A rendszerek vizsgálatához elengedhetetlen, hogy pontosan meghatározzuk a rendszert. Ezt a tevékenységet nevezzük a rendszer leírásának, és a már ismert "leírt" rendszert tudjuk vizsgálni.
Egy rendszer leírása:
elemek meghatározása, elemek közötti kapcsolatok meghatározása.
Elvileg minden rendszer leírható.
A rendszer vizsgálatának alapvető szempontjai:
Mi a rendszer rendeltetése? Mi a rendszer célja, milyen funkciói, feladatai vannak? Hogy viselkedik a rendszer? Milyen kölcsönhatások - anyag, energia, információ ... - figyelhetők meg a rendszer működése során? A rendszer szerkezete.
A vizsgálat menete:
A rendszer egészének és a környezeti hatásoknak a vizsgálata. Részekre tagolás - alrendszer, részrendszer - kapcsolatok vizsgálata. A részrendszerek leírása. A rendszermodell ellenőrzése.
A rendszerelmélet és a kibernetika két rendszer-vizsgálati módszert ismer, amelyekkel a 3. modulban ismerkedünk meg. Ezek a:
Feketedoboz-módszer és a Modell-módszer.
Összegzés
A rendszer fogalma napjainkban általánosan használt fogalom. Még azt sem lehet kijelenteni, hogy helytelenül használjuk, mivel - mint azt láttuk - valójában minden, körülöttünk levő dologra ráillik a fogalom.
Az informatikában is széles spektrumon fordul elő, így beszélünk:
adatbázisrendszerről, beágyazott rendszerről, információrendszerről, információ rendszerről, informatikai rendszerről, kommunikációs rendszerről, operációs rendszerről, programrendszerről, számítógéprendszerről, vállalatirányítási rendszerről, ... és szinte vég nélkül sorolhatnánk.
Tehát az informatikus rendszerekkel foglalkozik, azokat fejleszti, alakítja, üzemelteti. Alapvető követelmény, hogy bármely tevékenysége során "jelen legyen" a rendszerszemlélet.
A rendszerek felépítését, a fejlesztés és üzemeltetés módszereit, módszertanait meg lehet tanulni. Ezzel egyrészt a további modulokban, másrészt - és mélyrehatóan - a soron következő szakmai tantárgyakban fognak találkozni, megismerkedni.
A szemlélet egy kicsit más kérdés. Ezt nem lehet könyvből megtanulni, ezt el kell sajátítani. Ez leginkább a gyakorlati munka során lehetséges. El kell "lesni" a tapasztaltabb kollégáktól, hogy figyeljünk a részletekre, miközben az egészet látjuk.

| Ellenőrző kérdések
1. Határozza meg a rendszer fogalmát!
2. Melyek a rendszerek vizsgálati módszerei?
3. Mi a különbség a rendszerelmélet és a rendszerszemlélet között?
4. Mi a szerepe a rendszer-interfésznek?
5. Mit jelent a rendszer komplexitása, milyen összefüggéssel határozható meg?
6. Mit jelent a rendszer leírása?
7. Melyek a gazdasági szervezet jellemzői?
8. Melyek a rendszerszemléletű vizsgálat jellemzői?
9. Milyen környezetben dolgozta ki Bertalanffy az elméletét?
10. Mit értünk a rendszer környezetén?