Θεωρία Συστημάτων Μαρία Καρύδα mka@aegean.gr ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 3η Διάλεξη: Αρχές Γενικής Θεωρίας Συστημάτων

Η έννοια του συστήματος Ένας από τους πολλούς ορισμούς: Ένα σύστημα ορίζεται ως ένα σύνολο αντικειμένων, μαζί με τις σχέσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των αντικειμένων αυτών και μεταξύ των ιδιοτήτων των αντικειμένων καθώς και με το περιβάλλον τους, ώστε να σχηματίσουν μια ολότητα. «A system is defined as a set of objects together with relationships between the objects and between their attributes related to each other and to their environment so as to form a whole». Schoderbek, Schoderbek, Kefalas (1990) Ποια από τα ακόλουθα είναι συστήματα; Windows XP Πανεπιστήμιο Αιγαίου Οι φοιτητές σε μία τάξη Η Εθνική Παιδεία Η εθνική Ομάδα Ποδοσφαίρου

Αντικείμενα και γνωρίσματα Αντικείμενα: Μας ενδιαφέρει η λειτουργία (συμπεριφορά) των αντικειμένων ενός συστήματος. Τα γνωρίσματα χαρακτηρίζουν τόσο τα αντικείμενα όσο και τις σχέσεις μεταξύ τους.

Σχέσεις μεταξύ των αντικειμένων Ως σχέση μεταξύ των αντικειμένων ορίζεται η αλληλεξάρτηση μεταξύ τους, η οποία μπορεί να είναι: 1ου βαθμού: Συμβιωτικές σχέσεις. Μια σχέση συμβιωτικής μορφής μπορεί να είναι παρασιτικού ή αμοιβαίου τύπου. Παρασιτική: το ένα μέρος δε μπορεί να λειτουργήσει ανεξάρτητα Αμοιβαία: κανένα μέρος δε μπορεί να επιβιώσει αυτόνομα (π.χ. προμηθευτής – πωλητής) 2ου βαθμού: Συνεργατικές σχέσεις Από τις σχέσεις συνεργατικής μορφής προκύπτουν οι αναδυόμενες ιδιότητες. 3ου βαθμού: Σχέσεις με επαναλαμβανόμενα στοιχεία Με την ύπαρξη πλεοναζόντων στοιχείων υπάρχουν επαναλαμβανόμενες σχέσεις, που συμβάλλουν στην αξιοπιστία του συστήματος (π.χ. σύστημα ελέγχου πτήσεων).

Σκοπός Η αλληλεξάρτηση των στοιχείων συνεισφέρει στην επίτευξη κάποιου σκοπού ή κάποιας τελικής σταθερής κατάστασης ή κάποιας κατάστασης ισορροπίας. Τα τεχνολογικά συστήματα κατασκευάζονται για κάποιο σκοπό. Τα κοινωνικά συστήματα ομοίως επιδιώκουν κάποιους στόχους. Τα φυσικά συστήματα τείνουν σε μια σταθερή κατάσταση (κατάσταση ισορροπίας). Ένα σύστημα μπορεί να έχει διαφορετικούς δηλωθέντες και πραγματικούς στόχους. Εάν οι στόχοι αυτοί δε βρίσκονται σε συμφωνία έχουμε απόκλιση.

Επίτευξη στόχου Μονοτερματικότητα: Ορισμένα ανοικτά συστήματα, ξεκινώντας από διαφορετική αρχική κατάσταση και ακολουθώντας διαφορετική πορεία εξέλιξης, μπορούν να φθάσουν μόνο σε μια τελική κατάσταση. Πολυτερματικότητα: Η επίτευξη διαφορετικών στόχων ξεκινώντας από την ίδια αφετηρία και χρησιμοποιώντας τα ίδια μέσα.

Περιβάλλον Στο περιβάλλον ανήκουν όλα τα στοιχεία που βρίσκονται έξω από τον έλεγχο του συστήματος, αλλά επηρεάζουν τη συμπεριφορά του. Το περιβάλλον προσφέρει τα δεδομένα εισόδου και δέχεται τα αποτελέσματα της εξόδου. Ανοικτά συστήματα: αυτά που επικοινωνούν με το περιβάλλον. Τα κλειστά συστήματα δεν έχουν εισαγωγή ενέργειας για αυτό και δε μπορούν να ζήσουν. Η Γενική Θεωρία Συστημάτων ασχολείται με τα ανοικτά συστήματα. Το τι ανήκει στο σύστημα και τι στο περιβάλλον, είναι θέμα της υποκειμενικής αντίληψης του παρατηρητή!

Όρια συστήματος Νοητός διαχωρισμός που οριοθετεί (ξεχωρίζει) το σύστημα από το περιβάλλον του. Για να καθορίσουμε τα όρια ενός συστήματος πρέπει να απαντήσουμε στα ακόλουθα ερωτήματα (κριτήριο Churchman): Έχει το συγκεκριμένο στοιχείο άμεση σχέση με τους στόχους του συστήματος; Μπορεί το σύστημα να κάνει άμεσα κάτι για το συγκεκριμένο στοιχείο; Εάν η απάντηση είναι θετική και στις δύο ερωτήσεις, τότε το στοιχείο ανήκει στο σύστημα. Εάν η απάντηση στο πρώτο ερώτημα είναι θετική και στο δεύτερο αρνητική τότε το στοιχείο ανήκει στο περιβάλλον. Τα όρια δεν είναι συμπαγή.

Είσοδος, Επεξεργασία, Έξοδος Όλα τα (ανοικτά) συστήματα εξαρτώνται από τα στοιχεία εισόδου, τα οποία μετασχηματιζόμενα σε έξοδο βοηθούν το σύστημα να επιτύχει το σκοπό του. Είσοδος: εισαγωγή ενέργειας. Επεξεργασία: μετασχηματισμός εισόδου σε έξοδο. Έξοδος: αποτέλεσμα επεξεργασίας προσέγγιση (ή απόκλιση) του στόχου του συστήματος. Η έξοδος ενός συστήματος χρησιμοποιείται ως είσοδος άλλων συστημάτων. Στα ζωντανά συστήματα η διαδικασία αυτή είναι επαναληπτική.

Έλεγχος και αυτορρύθμιση Όλα τα συστήματα έχουν ένα σκοπό. Τα συστήματα χρησιμοποιούν μηχανισμούς ελέγχου (feedback από το περιβάλλον) για να ελέγξουν τη συμπεριφορά τους ώστε να επιτύχουν το στόχο τους. Έλεγχος αποτελεσμάτων εξόδου και σύγκριση με τα αναμενόμενα αποτελέσματα (αναμενόμενη συμπεριφορά η επίτευξη του σκοπού). Εντοπισμός και διόρθωση αποκλίσεων. Ο έλεγχος αποτελεί εσωτερική διαδικασία του συστήματος. Υπάρχει αρνητικός (negative feedback) και θετικός έλεγχος (positive feedback) Εάν ένα σύστημα πάψει να παράγει τα αναμενόμενα αποτελέσματα εξόδου, τότε μπορεί να συμβούν τα ακόλουθα: Προσαρμογή του συστήματος Αλλαγή προσδοκιών του περιβάλλοντος Κατάργηση του συστήματος

Αρχές ελέγχου 1η αρχή: Ο έλεγχος του συστήματος πρέπει να είναι άμεσος και να γίνεται βάσει σύγκρισης με κάποια πρότυπα. Συνέπεια: Η λειτουργία του έλεγχου πρέπει να είναι συνεχής και εσωτερική. 2η αρχή: Ο έλεγχος είναι συνώνυμο της επικοινωνίας Συνέπεια: δε μπορεί να λειτουργήσει ο έλεγχος χωρίς επικοινωνία και αντίστροφα.

Δομή Συστημάτων και Αρχή της Ιεραρχίας Τα σύμπλοκα φυσικά φαινόμενα είναι οργανωμένα σε ιεραρχίες οργανωμένης συμπλοκότητας, όπου κάθε επίπεδο αποτελείται από διαφορετικά συστήματα. Συνέπεια: Ο διαχωρισμός σε συστήματα, υποσυστήματα και υπερσύστημα είναι σχετικός, ανάλογα με το αντικείμενο του ενδιαφέροντος κάθε φορά. Ένα σύστημα μικρότερης συμπλοκότητας αποτελεί πάντα υποσύστημα συστήματος μεγαλύτερης συμπλοκότητας. Μέσα σε ένα σύστημα υπάρχει μια ιεραρχία υποσυστημάτων, ενώ το σύστημα μπορεί να ανήκει σε ένα υπερσύστημα. Η διάκριση γίνεται με βάση το επίπεδο συμπλοκότητας (άτομο, μόριο, κύτταρο, ιστός, όργανο, κ.λπ.) και δεν εκφράζει επίπεδα εξουσίας αλλά επίπεδα συμπλοκότητας.

Ιεραρχία Παράδειγμα ιεραρχίας σε κοινωνικά συστήματα.

Διαφοροποίηση Διαφοροποίηση ρόλων: Στα ανοικτά συστήματα αναπτύσσεται εξειδίκευση των στοιχείων τους. Τα μικρότερα υποσυστήματα μπορεί να εκτελούν ειδικές λειτουργίες.

Εντροπία Είναι το μέτρο της αταξίας και δείχνει την τάση των αντικειμένων του φυσικού κόσμου να βρίσκονται σε αταξία. Ένα απομονωμένο σύστημα αυξάνει ή διατηρεί την εντροπία του αλλά δεν τη μειώνει. Όλα τα συστήματα τείνουν στην αταξία όταν αφήνονται να λειτουργήσουν από μόνα τους. Η εισαγωγή ενέργειας από το περιβάλλον είναι προϋπόθεση επιβίωσης του συστήματος. Συνέπειες για τα Π.Σ. και τους οργανισμούς: ένας κλειστός οργανισμός δε μπορεί να αυξήσει την οργάνωση, η οποία τελικά μειώνεται. Χωρίς εισροές από το περιβάλλον, ένας οργανισμός δε μπορεί να επιβιώσει, να αναπτυχθεί ή να αλλάξει.

Αναδυόμενες ιδιότητες Σε κάθε επίπεδο προκύπτουν κάποιες νέες ιδιότητες, οι οποίες δεν υφίστανται στα κατώτερα επίπεδα και τις οποίες ονομάζουμε ανακύπτουσες ή αναδυόμενες ιδιότητες (emergent properties). Οι αναδυόμενες ιδιότητες είναι το θεμελιώδες χαρακτηριστικό της ολιστικής και κατ’ επέκταση της συστημικής θεώρησης.

Αναδυόμενες ιδιότητες Παράδειγμα: Το νερό Η δομή του νερού είναι γνωστή (H2O) και τα χαρακτηριστικά του εξηγούνται πλήρως από τη μοριακή του δομή. Όμως, το νερό έχει ιδιότητες που δεν έχουν το υδρογόνο και το οξυγόνο (δηλ. είναι υγρό, άοσμο και άγευστο). Αυτές ονομάζουμε αναδυόμενες (emergent) ιδιότητες. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να γνωρίζουμε πλήρως τα χαρακτηριστικά (και τη συμπεριφορά) του υδρογόνου και του οξυγόνου, πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και πώς συνδέονται δομικά για να σχηματίσουν ένα μόριο νερού. Π.χ. το κάρβουνο και το διαμάντι διαφέρουν μόνο στη δομή τους.

Νόμος της συμπληρωματικότητας Δύο διαφορετικές θεωρήσεις (μοντέλα) του ίδιου συστήματος μπορεί να διαφέρουν. Συνέπειες: Χρειάζεται να εξετάζουμε διαφορετικά μοντέλα του ίδιου συστήματος. Δεν εξετάζουμε εάν έχουμε το «σωστό» μοντέλο, αλλά εάν έχουμε το «πιο χρήσιμο» μοντέλο.

Η σημασία της χρήσης μοντέλων Η χρήση μοντέλων μας βοηθά να κατανοήσουμε τον πολύπλοκο κόσμο που μας περιβάλλει. Tα μοντέλα αναπαριστούν επιλεγμένα στοιχεία μιας πραγματικότητας και δημιουργούνται για ένα συγκεκριμένο σκοπό. Τα μοντέλα προσφέρουν ένα «προνομιακό» και ταυτόχρονα ένα «περιοριστικό» τρόπο προσέγγισης. Προνομιακή προσέγγιση: περιέχουν απλούστευση και καθοδηγούνται από θεωρία. Περιοριστική προσέγγιση: στερεί από το χρήστη τη δυνατότητα δημιουργικής προσέγγισης. (Mark Twain: 'To a man with a hammer, everything looks like a nail.')

Βασικές κατηγορίες μοντέλων Γραμμικά μοντέλα Δημιουργούνται με βάση συγκεκριμένους κανόνες, βήματα. Κριτήριο επιτυχίας: η πιστή εφαρμογή των οδηγιών Εφαρμόζουν αναλυτική προσέγγιση και είναι χρήσιμα στην αντιμετώπιση οργανωμένης πολυπλοκότητας. Σκοπός: η πρόβλεψη Μη γραμμικά μοντέλα (ενσωματώνουν την ανάδραση – κυβερνητικά / συστημικά μοντέλα) Ενσωματώνουν τη λογική της ασάφειας και της αβεβαιότητας Ο σχεδιαστής δεν προσπαθεί να απεικονίσει όλες τις πιθανές αιτιακές αλυσίδες, αλλά να ενσωματώσει πιθανούς κόμβους ανάδρασης. Μέσα από διαδοχικές διαταραχές των μεταβλητών, προσπαθεί να αποκαλύψει τα κρίσιμα σημεία. Σκοπός: να καταλάβει πώς λειτουργεί το σύστημα ώστε να βελτιώσει την αλληλεπίδραση μαζί του. Οι δύο κατηγορίες δεν είναι κατ’ ανάγκη ανταγωνιστικές, αλλά, με προϋποθέσεις, θα μπορούσαν να συνυπάρξουν, ιδίως για την αντιμετώπιση υψηλής πολυπλοκότητας προβλημάτων.

Προβλήματα στη δημιουργία και χρήση μοντέλων Τα μοντέλα ενσωματώνουν τον τρόπο σκέψης και τη γλώσσα περιγραφής του ερευνητή. Πόσο πολύπλοκο/απλουστευμένο πρέπει να είναι; Θα ενσωματώσουμε την ανάδραση; Θα εντάξουμε τον παρατηρητή μέσα στο μοντέλο (αυτοαναφορικά μοντέλα);

Νόμος της απαιτούμενης ποικιλίας Ποικιλία: πλήθος πιθανών καταστάσεων στις οποίες μπορεί να βρεθεί ένα σύστημα. Νόμος απαιτούμενης ποικιλίας “Variety kills Variety” : «Ο μηχανισμός ελέγχου πρέπει να διαθέτει τόσους εναλλακτικούς τρόπους δράσης, όσα και τα ενδεχόμενα γεγονότα που μπορεί να συμβούν.» Έστω ότι ένα σύστημα (Σ) διαθέτει μηχανισμό ελέγχου (R), που στοχεύει στην επίτευξη του στόχου (G) και υφίσταται διαταράξεις (D) από το περιβάλλον. Ο στόχος G μπορεί να επιτευχθεί μόνο αν ο μηχανισμός ελέγχου έχει ικανή ποικιλία και χωρητικότητα (καναλιού) τουλάχιστον τόση όση οι διαταράξεις D. Συνέπεια: Ένας μηχανισμός ελέγχου χρειάζεται να έχει τόσους διαφορετικούς τρόπους δράσης, όσες οι διαφορετικές καταστάσεις του συστήματος. Για τα Π.Σ.

Αρχή της ενιαίας ολότητας Ένα σύστημα αποτελεί ενιαία ολότητα και εμφανίζει συμπεριφορά (ιδιότητες) που δε μπορούν να αποδοθούν σε κανένα από τα επιμέρους στοιχεία του ξεχωριστά.

Αρχή της αβεβαιότητας Δεν υπάρχει σύστημα το οποίο γνωρίζουμε πλήρως. Συνέπειες: Εξετάζοντας ένα σύστημα «από μέσα», τα στοιχεία του συστήματος μπορούν να έχουν γνώση για τα επιμέρους στοιχεία και τις σχέσεις τους, αλλά όχι για τη συμπεριφορά του ως ολότητα. Εξετάζοντας το σύστημα «από έξω» μπορούμε να καταλάβουμε τη συμπεριφορά του, μέσα από την αλληλεπίδραση με το περιβάλλον, αλλά όχι τα επιμέρους στοιχεία του. H ταινία του Möbius

Αρχή πλεονασμού των πόρων Η διατήρηση της κατάστασης ισορροπίας σε ένα σύστημα κάτω από κατάσταση διαταραχής απαιτεί την ύπαρξη πλεοναζόντων στοιχείων σε κρίσιμους πόρους.