Lý thuyết hệ thống và điều khiển học

Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG1.1 Quan niệm về hệ thống Hệ thống không phải là khái niệm nguyên thuỷ, nghĩa là chúng ta có thể dùng những khái niệm đã biết để định nghĩa th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

KHOA HỆ THỐNG THÔNG TIN KINH TẾ

BÀI GIẢNG LÝTHUYẾT HỆ THỐNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

HỌC

Biên soạn: Nguyễn Văn Huân

Vũ Xuân Nam Nguyễn Thu Hằng

TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ - 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 5

LỜI MỞ ĐẦU 7

Chương 1 8

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG 8

1.1 Quan niệm về hệ thống 8

1.2 Mô tả hệ thống 11

1.2.1 Phần tử của hệ thống 11

1.2.2 Liên kết giữa các phần tử của hệ thống và tính trội của hệ thống 13

1.2.3 Hệ thống con và sự phân cấp của hệ thống 14

1.2.4 Môi trường và hệ thống 15

1.2.5 Mục tiêu và chức năng của hệ thống 17

1.2.6 Tính cưỡng bức của hệ thống và hệ thống bị cưỡng bức 18

1.3 Các đặc trưng của hệ thống 19

1.3.1 Cấu trúc của hệ thống 19

1.3.2 Hành vi của hệ thống 22

1.3.3 Quan hệ giữa cấu trúc và hành vi 23

1.4 Các bài toán cơ bản về hệ thống 24

1.4.1 Bài toán phân tích hệ thống 24

1.4.2 Bài toán tổng hợp hệ thống 25

1.4.3 Bái toán chiếc hộp đen 26

1.5 Một số hệ thống quan trọng trong tin học và quản lý 27

1.5.1 Hệ thống máy móc 27

1.5.2 Con người và xã hội 28

1.5.3 Hệ thống kinh tế xã hội 28

1.5.4 Hệ thống thông tin quản lý 28

1.5.5 Hệ thống người máy 29

1.5.6 Ôtômát hữu hạn 29

1.5.7 Ngôn ngữ hình thức 30

1.6 Kết luận 31

Chương 2 33

TIẾP CẬN CÁC HỆ THỐNG PHỨC TẠP 33

2.1 Đặt vấn đề 33

2.2 Thế nào là một hệ thống phức tạp 34

2.3 Tiếp cận các hệ thống phức tạp 36

2.3.1 Mục đích nghiên cứu 37

2.3.2 Nội dung nghiên cứu 37

2.3.3 Mức độ nghiên cứu về hệ thống 37

2.3.4 Phương pháp nghiên cứu 38

2.4 Các nguyên lý tiếp cận hệ thống 38

2.4.1 Nguyên lý 1 38

2.4.2 Nguyên lý 2 – Nguyên lý phân cấp 46

2.4.3 Nguyên lý 3- Nguyên lý cân bằng nội 48

2.4.4 Nguyên lý 4 – Nguyên lý bổ sung ngoài 53

2.5 Kết luận 55

Chương 3 57

ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ CÁC HỆ THỐNG PHỨC TẠP 57

3.1 Thông tin và điều khiển học 57

3.1.1 Thông tin là gì? 57

3.1.2 Khái niệm về thông tin kinh tế 60

3.1.3 Phân loại thông tin kinh tế 60

3.1.4 Cách đánh giá thông tin kinh tế 65

3.1.5 Điều khiển học là gì? 66

3.1.6 Nội dung của điều khiển học 68

3.1.7 Ứng dụng của điều khiển học 68

3.1.8 Điều khiển học kinh tế là gì? 69

3.1.9 Các hình thái của chủ thể quá trình kinh tế 70

3.1.10 Các nguồn lực được sử dụng trong quá trình kinh tế 71

3.2 Hệ thống điều khiển 73

3.2.1 Định nghĩa 1 73

3.2.2 Định nghĩa 2 73

3.3 Quá trình điều khiển 75

3.3.1 Xác định mục tiêu điều khiển 75

3.3.2 Nghiên cứu các đặc trưng của đối tượng điều khiển 75

3.3.3 Chọn tác động điều khiển 76

3.3.4 Điều chỉnh 77

3.4 Các nguyên lý điều khiển hệ thống phức tạp 77

3.4.1 Nguyên lý thông tin phản hồi 77

3.4.2 Nguyên lý đa dạng tương xứng 78

3.4.3 Nguyên lý phân cấp 79

3.4.4 Nguyên lý dự trữ 80

3.4.5 Nguyên lý bổ sung ngoài 81

3.5 Một số loại hình điều khiển 82

3.5.1 Điều khiển theo mục tiêu cố định 82

3.5.2 Điều khiển theo chương trình 82

3.5.3 Điều khiển săn đuổi 83

3.5.4 Điều khiển tối ưu 84

3.5.5 Điều khiển trực tiếp và gián tiếp 84

3.6 Kết luận 85

Chương 4 87

MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUAN TRỌNG 87

4.1 Đặt vấn đề 87

4.2 Điều khiển tối ưu của hệ động cỡ lớn nhiều bước 89

4.3 Điều khiển tối ưu mờ 92

4.3.1 Vấn đề 92

4.3.2 Một số khái niệm cơ bản trong lý thuyết mờ 92

4.3.3 Bài toán tối ưu mờ 96

4.4 Bài toán tối ưu mờ trong quản lý 101

4.4.1 Bài toán tối ưu đa mục tiêu 103

4.4.2 Tìm tập Pareto 104

4.4.3 Xử lý tập Pareto 104

4.5 Tối ưu đa mục tiêu của một hệ phân cấp 106

4.6 Kết luận 107

4.6.1 Về bài toán cỡ lớn và nhiều bước 108

4.6.2 Về bài toán tối ưu mờ 108

4.6.3 Về bài toán tối ưu đa mục tiêu 109

Chương 5 110

TỔ CHỨC XÂY DỰNG VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG KINH TẾ 110

5.1 Khái niệm về quản lý hệ thống 110

5.1.1 Đặc điểm chung nhất của các hệ thống quản lý 111

5.1.2 Quy trình quản lý 111

5.2 Khái niệm hệ thống kinh tế 112

5.3 Mô hình tổng quát nền kinh tế quốc dân 113

5.3.1 Mô tả về mô hình 113

5.3.2 Mô tả tổng quát mô hình của Ezaki 115

5.4 Thị trường cung và cầu 117

5.4.1 Thị trường 117

5.4.2 Các yếu tố cơ bản của hệ thống thị trường 118

5.4.4 Sự cạnh tranh trên thị trường 121

5.5 Quản lý kinh tế 123

5.5.1 Các khái niệm cơ bản 123

5.5.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống quản lý kinh tế 123

5.5.3 Nội dung quản lý - các nguyên tắc và phương pháp quản lý kinh tế 124

5.5.4 Kế hoạch hóa 128

5.5.5 Vận dụng các quy luật trong quản lý kinh tế 132

5.5.6 Vài nét về sự phát triển của nền kinh tế Việt Nam trong thời kỳ đổi mới(1986- 2004) 135

5.5.7 Chu trình phát triển dự án 137

5.5.8 Chu trình và môi trường dự án 138

5.6 Hệ thống quản lý 139

5.7 Hệ thống điều khiển tự động hóa 139

5.8 Hệ thống kinh tế mở 140

5.9 Hệ thống thông tin 140

5.9.1 Hệ thống thông tin quản lý 140

5.9.2 Quản lý dự án phát triển một hệ thống thông tin 142

5.10 Kết luận 145

TÀI LIỆU THAM KHẢO 147

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Quan hệ gữa môi trường và hệ thống 14

Hình 1.2: Liên kết nối tiếp 18

Hình 1.3: Liên kết song song 19

Hình 1.4: Liên kết ngược 19

Hình 1.5: Cấu trúc của một hệ gồm 3 phần tử 20

Hình 1.6: Hệ input – output 24

Hình 2.1:Mô hình Harrod – Domar 39

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống kinh tế 2 khu vực 41

Hình 2.3 : Cơ cấu dân số theo độ tuổi và giới tính 44

Hình 3.1 Dạng (1): hàm lồi ; Dạng (2): hàm tuyến tính; Dạng (3): hàm lõm 57

Hình 3.2: Hệ thống điều khiển 73

Hình 3.3 Hệ thống điều khiển theo nguyên lý thông tin phản hồi 77

Hình 3.4: Quá trình săn đuổi 82

Hình 3.5: Điều khiển đón đầu 83

Hình 4.3: Thỏa hiệp dần từng bước 104

Hình 4.4: Điểm gần lý tưởng nhất 105

Hình 5.5: Hệ thống quản lý 110

Hình 5.6: Mối quan hệ cung - cầu – giá cả 118

Hình 5.7: Hệ thống quản lý kinh tế 123

Hình 5.8: Các thành phần của môi trường 128

Hình 5.9 :Chu trình phát triển dự án 137

Hình 5.10: Chu trình phát triển hệ thống 137

Hình 5.11: Sơ đồ các bộ phận cấu thành của hệ thống thông tin quản lý 140

Hình 5.12:Quản lý dự án và thực hiện dự án 142

Hình 5.13: Các bước quản lý dự án công nghệ thông tin 144

Hình 5.14: Các giai đoạn của dự án ứng dụng công nghệ thông tin 144

Bảng 3.1: Thông tin – Khách hàng 65 Bảng 5.1 Quản lý 109 Bảng 5.2: I/O 115

LỜI MỞ ĐẦU

Lý thuyết hệ thống và điều khiển học là một thành phần cốt lõi trong mảng kiến thức của công nghệ thông tin Lý thuyết này mang ý nghĩa quan trọng, không thể thiếu đối với các kỹ sư phần mềm trong quá trình phát triển hệ thống mới Các khái niệm về hệ thống, hệ thống thông tin cùng cách tiếp cận, quản lý, điều khiển một hệ thống phức tạp, các lược đồ nghiên cứu, cách thức tổ chức, phát triển và quản lý hệ thống thông tin là những nội dung mang ý nghĩa vô cùng quan trọng Quan điểm hệ thống đối với nền kinh tế quyết định sự thống nhất nội dung và đặc điểm nghiên cứu của điều khiển học kinh tế Việc nghiên cứu này giúp ta xây dựng được một cách phức hợp những biện pháp để hoàn thiện quản lý kinh tế quốc dân và đặc biệt làm cơ sở lý luận xây dựng các hệ thống quản lý tự động hóa và hệ thống xử lý dữ liệu trong nền kinh tế quốc dân

Bài giảng cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản về lý thuyết hệ thống và điều khiển học Nội dung bài giảng gồm năm chương:

Chương 1: Những khái niệm cơ bản về hệ thống

Chương 2: Tiếp cận các hệ thống phức tạp

Chương 3: Điều khiển và quản lý các hệ thống phức tạp

Chương 4: Một số bài toán điều khiển tối ưu quan trọng

Chương 5: Tổ chức xây dựng và quản lý hệ thống kinh tế

Mặc dù đã cố gắng trong quá trình biên soạn nhưng chắc chắn vẫn còn có rất nhiều thiếu sót Rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các bạn để bài

giảng được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Quan niệm về hệ thống

Hệ thống không phải là khái niệm nguyên thuỷ, nghĩa là chúng ta có thể dùng những khái niệm đã biết để định nghĩa thế nào là hệ thống, nhưng hệ thống là khái niệm được nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau nên việc nêu lên một định nghĩa hình thức hoá về hệ thống, có đủ tính khái quát có thể áp dụng trong những lĩnh vực khác nhau là một công việc vô cùng khó khăn Vì lẽ đó và để

có thể thấy được hết những khía cạnh phức tạp và những vấn đề tinh tế trong quá trình xác định một hệ thống, thay vì định nghĩa hệ thống, chúng ta mô tả hệ thống là một giải pháp thích hợp Chúng ta sẽ đưa ra một vài ví dụ để thấy rõ điều đó Trước hết ta hãy xét một hệ thống nhân tạo, nghĩa là một hệ thống do con người thiết kế và chế tạo ra, chẳng hạn một chiếc đồng hồ, một chiếc xe máy, một chiếc ti vi, thì định nghĩa về hệ thống sau đây là hoàn toàn thích hợp:

“Hệ thống là tập hợp những phần tử liên kết với nhau một cách rất chặt chẽ thành một nhất thể, nhằm thực hiện một số chức năng nhất định ”

Trong quá trình tìm hiểu hệ thống nói chung, có những điều cần lưu ý sau đây:

- Khi xác định một hệ thống, điều quan trọng đầu tiên là khi đưa ra một đối

tượng thì ta phải khẳng định đối tượng ấy có thuộc vào hệ thống hay không, nghĩa

là nó có phải là phần tử của hệ thống hay không Đối với chiếc đồng hồ nói riêng và

hệ thống máy móc nhân tạo nói chung, điều này rất rõ ràng đến mức không cần quan tâm và bàn cãi; ai cũng dễ dàng chấp nhận mỗi chi tiết máy là một phần tử, nhưng như sẽ thấy sau này, có rất nhiều hệ thống, việc phân định đối tượng nào thuộc hệ thống và đối tượng nào không thuộc hệ thống cũng như việc xác định cái

gì là phần tử của hệ thống, lại là những vấn đề vô cùng phức tạp, không dễ dàng nhận ra, cũng không dễ dàng thống nhất ý kiến

- Điều quan trọng tiếp theo là phải chỉ rõ những liên kết giữa các phần tử của

hệ thống Đối với hệ thống máy móc nhân tạo, các liên kết này là rõ ràng, vừa là liên kết định vị, vừa là liên kết chức năng nghĩa là chi tiết nào nào lắp đặt ở đâu và móc nối với các chi tiết khác như thế nào Những chi tiết này do các nhà thiết kế hoạch định thông qua một sơ đồ đựơc hình thành từ những nguyên lý khoa học rất chặt chẽ về cơ học, vật lý, hoá học, thuỷ động học, khí động học, sóng điện từ

…Chính nhờ những liên kết này mà từ những phần tử (chi tiết hoặc linh kiện) rời

rạc đã tạo nên một nhất thể (tức là hệ thống) có thể thực hiện được những chức năng nhất định Sự liên kết này chặt chẽ đến mức nếu ta bỏ đi một phần tử nào đó, chẳng hạn bỏ đi chiếc bugi của xe máy thì máy không nổ được, xe không chạy được, hệ thống không còn là xe máy nữa, khi ấy ta nói rằng “Hệ thống tan rã” theo nghĩa không thể thực hiện được chức năng của nó nữa Tuy nhiên trong thực tế có rất nhiều hệ thống mà giữa các phần tử của chúng có nhiều loại liên kết khác nhau, thể hiện dưới nhiều hình thái khác nhau và với nhiều mức độ chặt chẽ khác nhau nên việc lựa chọn những liên kết để đưa vào hệ thống không phải một vấn đề đơn giản Hãy xét một xí nghiệp, ông Giám đốc là người quan trọng nhất vì ông ta có quan hệ mật thiết với mọi người trong xí nghiệp, nhưng ông ta có thể vắng mặt 1 tuần lễ mà

xí nghiệp vẫn hoạt động bình thường Điều đó chứng tỏ mối liên kết giữa những người trong một xí nghiệp khác rất xa với mối liên kết giữa các chi tiết máy của một chiếc đồng hồ

Mỗi hệ thống thực hiện một số chức năng nhất định Đối với hệ thống máy móc thì các chức năng này do con người đề ra và từ đó người ta tìm cách thiết kế và chế tạo hệ thống có khả năng thực hiện được những chức năng đó Tuy nhiên đối với những hệ thống tự nhiên (được hình thành một cách tự nhiên ngoài ý muốn của con người) thì chức năng của chúng cũng được hình thành một cách tự nhiên Việc nghiên cứu để biết được tất cả các chức năng của một hệ thống để sử dụng và điều khiển nó theo những mục tiêu của con người là những vấn đề có nội dung rất phong phú và phức tạp

Bây giờ chúng ta hãy xem xét một hệ thống nhân tạo khác mà những vấn đề nêu trên rất khó để đưa ra kết luận Ví dụ “Một Trường Đại học” nào đó là một hệ thống nhân tạo vì nó được thành lập theo quyết định của “con người” Chức năng của hệ thống này được quy định trong những văn bản pháp quy, mà ở đây ta chỉ đề cập đến 2 chức năng nổi trội, đó là đào tạo và nghiên cứu khoa học Có một số vấn

đề cần giải pháp như dưới đây:

- Các cán bộ giảng dạy và viên chức có tên trong danh sách lĩnh lương của trường, đương nhiên là những người thuộc vào hệ thống; nhưng sinh viên của trường có thuộc vào hệ thống không? Những người quản lý nhà trường có thể có 2 luồng ý kiến khác nhau:

+ Luồng ý kiến cho là không; với sự diễn giải có vẻ hợp lý Sinh viên thi đỗ vào trường cũng như nguyên liệu đủ tiêu chuẩn chất lượng để đưa vào một xí nghiệp sản xuất, trong thời gian học tập ở trường học giống như bán thành phẩm của xí nghiệp Khi tốt nghiệp họ trở thành kỹ sư hoặc cử nhân họ giống như các

thành phẩm đạt tiêu chuẩn xuất xưởng của xí nghiệp, những sinh viên bị đuổi học hoặc trượt tốt nghiệp được ví như những phế phẩm trong quá trình sản xuất

Khi nghiên cứu xí nghiệp sản xuất với tư cách như một hệ thống thì nguyên liệu được coi là input( đầu vào) của xí nghiệp chứ không phải là thành phần cấu tạo nên bản thân xí nghiệp.Vì vậy sinh viên của một trường đại học cũng có thể coi như input của nhà trường đó, chứ không phải là một bộ phận cấu thành của nhà trường với tư cách là một hệ thống

+ Luồng ý kiến thứ hai xuất phát từ một góc nhìn khác Đào tạo là chức năng quan trọng nhất của bất kỳ nhà trường nào Nhưng quá trình đào tạo không phải là quá trình giảng dạy mà là quá trình tổ chức giảng dạy, tổ chức học tập và tổ chức các phong trào kết hợp cho việc hỗ trợ giảng dạy, học tập và nghiên cứu Nếu giảng dạy tốt nhưng sinh viên lười học, ít đào sâu suy nghĩ, nghỉ học nhiều thì cũng không thể hy vọng có nhiều sinh viên tốt nghiệp giỏi Nói cách khác chất lượng của sinh viên tốt nghiệp không chỉ phụ thuộc vào chất lượng giảng dạy mà còn phụ thuộc vào quá trình tự thân vận động của sinh viên Coi họ là thành phần của nhà trường

đề cao trách nhiệm của chính bản thân họ trong quá trình vận động đó Vấn đề ở đây chính là việc coi sinh viên là thành phần của hệ thống hay không phải là thành phần của hệ thống sẽ dẫn đến những quan niệm khác nhau về hệ thống, điều này dẫn đến những cách quản lý hệ thống khác nhau và tất nhiên hiệu quả của công tác quản lý cũng khác nhau

- Giả sử chúng ta coi tất cả các cán bộ giảng dạy, viên chức và sinh viên đều là các thành phần của hệ thống, vậy thì mỗi người trong số này có phải là phần tử của

hệ thống không Nếu coi mỗi người là một phần tử của hệ thống thì ta sẽ có một hệ thống có rất nhiều phần tử, có thể tới hàng chục ngàn phần tử, một hệ thống như thế là hệ thống phức tạp Sự phức tạp sẽ tăng lên gấp bội khi chúng ta nghiên cứu sự liên kết các phần tử đó để tạo thành hệ thống Có thể có những liên kết nào đó xác định được, nhưng bên cạnh đó lại còn rất nhiều liên kết mơ hồ và mong manh dẫn đến tình trạng “lỏng lẻo” trong cấu trúc của hệ thống, điều này kéo theo hàng loạt khó khăn trong quá trình tiếp cận và quản lý hệ thống

Ngược lại nếu ta không coi mỗi người là phần tử của hệ thống thì vấp phải tình huống: họ là đối tượng thuộc vào hệ thống nhưng lại không phải là phần tử của

hệ thống, vậy họ là cái gì của hệ thống? Rõ ràng ở đây khái niệm về “phần tử của hệ thống” cần được xem xét kỹ hơn là lý giải chi tiết hơn

- Bất kỳ một trường đại học nào cũng gắn liền với cơ sở vật chất của nó bao gồm phòng học, giảng đường, nhà xưởng, tọa lạc trong một khuôn viên nhất định cùng với những thiết bị phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu khoa học Những đối tượng này thuộc vào hệ thống, chúng có là các phần tử của hệ thống không? Dù

có hay không cũng có những vấn đề cần phải bàn cãi

Qua những ví dụ và bàn luận nêu trên, một vấn đề toát lên là không thể nêu lên một định nghĩa hình thức hóa, ngắn gọn về hệ thống nhưng đủ bao quát và được tạo được những nhận thức thống nhất khi đối mặt với những hệ thống khác nhau trong thực tế Đó là chưa kể đến khi đi vào thế giới vĩ mô và vi mô chúng ta còn gặp phải hàng loạt vấn đề chưa được đề cập đến trong các ví dụ trên, nhưng không thể bỏ qua khi nghiên cứu về hệ thống Vì những lẽ đó các tác giả biên soạn cuốn sách này đã lựa chọn việc “mô tả hệ thống” thay cho việc định nghĩa hệ thống, mặc dù hệ thống không phải là khái niệm nguyên thủy của toán học nói riêng và của khoa học hệ thống nói chung

bị quang học mà chúng ta có Trong đời thường, nếu ta muốn nghiên cứu hoạt động của một chi bộ Đảng thì chi bộ được coi là hệ thống, mỗi đảng viên của chi bộ được coi là phần tử của hệ thống; rõ ràng không thể chia nhỏ các phần tử này Còn khi ta nghiên cứu hệ thống giáo dục phổ thông của một tỉnh nào đó thì mỗi trường phổ thông của tỉnh ấy có thể coi như phần tử của hệ thống do chúng ta chỉ muốn nghiên cứu những đặc trưng cơ bản của hệ thống này nên việc chia nhỏ các trường này là một điều không cần thiết mặc dù việc chia nhỏ ấy ta có thể làm được, chẳng hạn chia trường này theo các khóa hoặc các lớp

Trong rất nhiều trường hợp việc xác định phần tử của hệ thống lại khó khăn và phức tạp hơn rất nhiều so với việc xác định hệ thống

Việc xác định phần tử của hệ thống một cách hợp lý và đúng đắn sẽ làm cho vấn để mà chúng ta nghiên cứu về hệ thống trở nên rõ ràng và nhiều khi đem lại những kết quả bất ngờ Trường hợp ngược lại có thể làm cho chúng ta mất nhiều thì giờ, hao tốn nhiều phương tiện mà không đem lại kết quả gì Vì vậy xác định đúng đắn phần tử của hệ thống là vấn đề vừa có tính khoa học, vừa mang tính nghệ thuật

Ta hãy xét một ví dụ sau đây Giả sử đối tượng mà ta muốn nghiên cứu là hệ thống kinh tế của nước Việt Nam

- Nếu coi mỗi người tham gia vào quá trình sản xuất hoặc cung ứng dịch vụ là một phần tử của hệ thống thì ta sẽ được một hệ thống với số lượng phần tử lên tới hàng chục triệu, không những thế việc xác định những liên kết kinh tế giữa các phần tử là vô cùng phức tạp nhưng lại không có ý nghĩa gì đáng kể

- Nếu ta coi mỗi tỉnh hoặc một thành phố là một phần tử của hệ thống thì ta có một hệ thống kinh tế vùng lãnh thổ Mối liên kết kinh tế giữa các phần tử này là sự giao lưu cung ứng, tiêu thụ sản phẩm, dịch vụ giữa các phần tử với nhau lại có một

ý nghĩa quan trọng, cho phép chúng ta biết được điểm mạnh, điểm yếu của mỗi địa phương cũng như vai trò và vị trí của mỗi địa phương đối với các địa phương khác

và đối với toàn bộ nền kinh tế quốc dân Điều đó giúp cho chúng ta thấy được những vấn đề mấu chốt mà chúng ta cần tìm giải pháp tối ưu cho chúng ta trong quá trình xây dựng một chiến lược phát triển kinh tế vùng lãnh thổ

- Còn nếu ta coi mỗi ngành sản xuất là một phần tử của hệ thống như quan niệm của nhà toán kinh tế Leontief, nghĩa là mỗi ngành chỉ sản xuất một sản phẩm tượng trưng thì ta được một hệ thống kinh tế liên ngành, mà việc nghiên cứu nó có

ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình hoạch định một chiến lược kinh tế ngành Qua ví dụ trên ta thấy việc xác định phần tử của hệ thống có ý nghĩa như thế nào trong quá trình nghiên cứu hệ thống Ví dụ vừa nêu là một tình huống mà cái nhất thể (tức toàn bộ hệ thống) thì chúng ta thấy rõ, nhưng các chi tiết(tức là các phần tử) tạo nên cái nhất thể lại chưa rõ Trong thực tế chúng ta có thể gặp tình huống ngược lại: các đối tượng chi tiết mà chúng ta có thể lựa chọn để đưa vào hệ thống thì thấy rõ, nhưng tổng thể hệ thống thì lại không rõ, nghĩa là không biết nên lựa chọn đối tượng nào để đưa vào hệ thống để tạo ra được một hệ thống vận hành hiệu quả nhất, nghĩa là nó có tính trội mạnh nhất Đây là bài toán thường gặp trong công tác tổ chức Chẳng hạn một bộ trưởng lựa chọn các cán bộ lãnh đạo cho một vụ: các vụ trưởng, phó vụ trưởng, các trưởng phó phòng Họ được chọn trong số những người có đủ tiêu chí về bằng cấp chuyên môn, về quá trình công tác Nhưng khi làm việc với nhau thì phát sinh mâu thuẫn, khó thống nhất ý kiến, hạn chế tính

hiệu quả tập thể Vấn đề ở đây là: từng phần tử một thì mạnh; nhưng ghép với nhau lại tạo nên một hệ thống yếu Vì vậy sự lựa chọn các phần tử không thể chỉ căn cứ vào các tiêu chí giản đơn mà còn có cách nhìn trên quan điểm hệ thống

Điều quan trọng cần nhấn mạnh là nhiều phần tử mới tạo nên hệ thống, một phần tử không tạo nên hệ thống Vậy về nguyên tắc hệ thống phải là một tập hợp gồm ít nhất 2 phần tử Tuy nhiên đây là điều kiện cần chứ không đủ Nhiều phần tử tồn tại độc lập với nhau, không có sự ràng buộc phụ thuộc lẫn nhau, không liên kết với nhau cũng không tạo nên hệ thống

1.2.2 Liên kết giữa các phần tử của hệ thống và tính trội của hệ thống

Nhiều phần tử liên kết với nhau tạo nên một nhất thể mới, nhất thể này có thể thực hiện được một số chức năng nhất định, nghĩa là nó có một số tính năng mà từng phần tử một không có, người ta gọi đó là tính trội của hệ thống; do đó trong quá trình nghiên cứu hệ thống, cho dù với mục đích nào chăng nữa: Phân tích thiết

kế hoặc điều khiển người ta đều rất quan tâm đến tính trội của hệ thống

- Khi nghiên cứu tính trội của hệ thống, người ta đặc biệt quan tâm đến “hệ thống người máy”, tức là ghép người và máy một cách hợp lý và chặt chẽ, tạo nên một nhất thể có tính trội vượt bậc Chẳng hạn một đội phi hành và một đội tiếp viên hàng không ghép vào một chiếc máy bay với những quy tắc hoạt động rất chặt chẽ(liên kết chức năng) đã tạo nên một hệ thống có khả năng đưa hàng trăm người với khối lượng vài chục tấn lên trên không và bay với tốc độ hàng ngàn km/h Tính trội này riêng lẻ từng người không có

-Trong thời đại hiện nay, máy vi tính rất phổ dụng Nhiều cơ quan trong đó có các cơ quan ngân hàng ở nước ta và nhiều nước trên thế giới, máy vi tính cùng với những phần mềm tương thích và các cán bộ thạo nghiệp vụ đã làm cho ngân hàng trở thành một hệ thống có khả năng giao dịch, xử lý các vấn đề thuộc nhiệm vụ chuyên môn rất nhanh chóng và có hiệu quả

Người ta cũng nghĩ đến và thiết kế một “hệ thống” người máy vi tính gọi là

”chính phủ điện tử ” Trong hệ thống này các quan chức trong chính phủ bắt buộc phải có trình độ nghiêp vụ cao và làm việc theo đúng quy trình cuả một hệ thống

Cần nói thêm rằng tính trội của hệ thống thể hiện không chỉ ở chỗ là hệ thống, với tư cách là một nhất thể mới đã tạo ra những tính năng mới mà từng phần tử không có; mà còn thể hiện ở chỗ nó làm mất đi “tính yếu”, “tính tiêu cực” của mỗi phần tử

Ví dụ:

- Người công nhân ghép với chiếc máy dệt, tạo thành một hệ thống người – máy, nó bắt buộc người công nhân phải luôn luôn lao động, tập trung tư tưởng vào công việc của mình Chính điều đó làm mất đi “tính yếu” của người công nhân như

“tản mạn trong lúc làm việc, hút thuốc lá hoặc gọi điện thoại tán gẫu trong thời gian lao động, v.v…”

- Một người đi đêm một mình ở trong rừng thường có tâm lý sợ sệt: “sợ bóng tối, sợ ma, sợ thú dữ, sợ rắn độc, sợ bọn lưu manh” Ta gọi chung đó là “tính yếu” Nhưng một tiểu đội thanh niên xung phong sống một đêm ở trong rừng thì vẫn đề lại hoàn toàn khác, họ phân công tuần tra, canh gác; những người còn lại vẫn có thể

có những cuộc vui chơi thoải mái hoặc giấc ngủ ngon lành; “tính yếu của mỗi người biến mất”

Trong lý thuyết hệ thống, ở đâu có hệ thống thì ở đó tính trội được nghiên cứu Ngôn ngữ tiếng Việt là một hệ thống, các chữ cái là phần tử của hệ thống Sự liên kết các chữ cái thành từ, liên kết các từ thành, mệnh đề theo quy tắc mà ta gọi là văn phạm

1.2.3 Hệ thống con và sự phân cấp của hệ thống

Có những hệ thống trong đó các phần tử liên kết trực tiếp với nhau tạo nên hệ thống, ví dụ như các đảng viên trong một đơn vị nào đó liên kết với nhau bằng các nguyên tắc của điều lệ Đảng tạo nên một tổ hợp Đảng; tổ chức này đủ tư cách là một hệ thống được gọi là hệ thống đơn Nhưng cũng có những hệ thống trong đó một số phần tử liên kết với nhau tạo nên một bộ phận nhất thể Bộ phận này đầy đủ

tư cách là một hệ thống, nhưng nó lại liên kết với các bộ phận khác với tư cách như

là phần tử để tạo nên một hệ thống, nên nó được gọi là một hệ thống con Ví dụ như trong một đảng bộ phường nào đó; các chi bộ là các hệ thống con của Đảng bộ; các

tổ Đảng là hệ thống con của chi bộ…hệ thống chứa nhiều hệ thống con là một hệ phân cấp Tính phân cấp của hệ là một đặc trưng của độ phức tạp của hệ, số cấp càng nhiều thì độ phức tạp càng càng lớn Sự phân cấp cũng là điều phổ biến trong

hệ thống sinh học cũng như trong hệ thống quản lý Trong thế giới động vật có

sương sống mỗi một cơ thể sống, hầu như đều có sự phân cấp theo chức năng giống nhau: Hệ thần kinh, hệ tuần hoàn, hệ tiêu hoá, hệ hô hấp, hệ bài tiết v.v…

Còn trong hệ thống quản lý, chẳng hạn hệ thống các cơ quan hành chính của nước ta có 4 cấp: chính phủ, UBND tỉnh và thành phố, UBND quận huyện, UBND phường và xã Trong khoa học quản lý, vấn đề phân cấp luôn là vấn đề phức tạp Sự phân cấp chồng chéo sẽ làm cho các hệ thống con trong quá trình vận hành sẽ dẫm đạp lên nhau, cản trở lẫn nhau gây nên những rối loạn trong quản lý, sự phân cấp hợp lý cùng với việc tổ chức bộ máy thích hợp làm tăng hiệu quả của bộ phận quản

lý

1.2.4 Môi trường và hệ thống

Bất kỳ hệ thống nào cũng tồn tại trong không gian và thời gian Hãy tạm gác vấn đề thời gian sẽ nghiên cứu sau Chỉ xét vấn đề không gian Nếu ta gọi S là hệ thống thì S bao gồm tất cả những gì không thuộc hệ thống, ta gọi đó là không gian của hệ thống Nếu hệ thống có biên (boundary) thì phần ngoài biên là không gian của hệ thống Trong không gian của hệ thống có những đối tượng có quan hệ tương tác với hệ thống tức là đối tượng gây ra tác động đối với hệ thống và chịu tác động của hệ thống Tập hợp các đối tượng đó tạo nên môi trường của hệ thống Quan hệ giữa môi trường và hệ thống có thể biểu thị bởi sơ đồ hình 1.1

Sự đồng nhất giữa không gian của hệ thống và môi trường của hệ thống dễ dẫn đến những mơ hồ thậm chí sai lầm trong quá trình tiếp cận và điều khiển hệ thống

(1) Mũi tên biểu thị tác động của hệ thống lên môi trường

(2) Mũi tên biểu thì tác động của môi trường lên hệ thống

Hình 1.1: Quan hệ gữa môi trường và hệ thống

Nghiên cứu quan hệ tương tác giữa hệ thống và môi trường có ý nghĩa vô cùng quan trọng Điều kiện và tác động của môi trường luôn thay đổi: hạn hán, lũ lụt,động đất, sóng thần, thiên tai, dịch bệnh đều gây ra những tác động vào hệ thống kinh tế xã hội

Hệ thống nào vượt qua các thử thách đó - ta nói hệ thống thích nghi được với môi trường sẽ giữ vững được sự tồn tại và có cơ hội phát triển; hệ thống nào không thích nghi sẽ bị huỷ diệt Trong sinh học nói riêng và trong các hệ sinh thái nói chung đó là quy lụât đào thải và chọn lọc tự nhiên tạo nên quy luật tiến hoá và vô cùng phong phú của muôn loài Trong các hoạt động kinh tế xã hội cũng như thế Môi trường của một xí nghiệp sản xuất kinh doanh chính là thương trường sẽ có cơ hội phát triển; xí nghiệp nào thích ứng với thương trường sẽ có cơ hội phát triển; xí nghiệp nào không thích ứng được với môi trường – mà thực chất là cạnh tranh về chất lượng và giá cả của sản phẩm sẽ bị thua lỗ và phá sản, nghĩa là bị huỷ diệt

Hệ thống có mối quan hệ tương tác với môi trường như vậy được gọi là hệ thống mở, gọi tắt là hệ mở Có thể nói hầu hết các hệ thống trong sinh học và trong các hoạt động kinh tế xã hội đều là hệ mở; các hệ mở thường có tính năng động và

độ thích nghi cao vì đó là điều kiện cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của bản thân hệ mở đó

Khi nghiên cứu hệ thống, chúng ta có thế gặp một tình huống là mối quan hệ tương tác giữa hệ thống và môi trường rất yếu, thậm chí yếu đến mức có thể bỏ qua, nghĩa là giữa hệ thống và môi trường coi như không có quan hệ tương tác gì, trường hợp này ta gọi đó là hệ thống đóng gọi tắt là hệ đóng Không có hệ đóng tuyệt đối theo nghĩa hệ thống là cô lập với môi trường tại mọi thời điểm của quá trình Thường có các tình huống sau đây:

- Mối quan hệ tương tác giữa hệ thống và môi trường quá yếu, có thể bỏ qua nên coi hệ là đóng

- Đóng một phía, hoặc là môi trường có tác động lên hệ thống không gây ảnh hưởng gì hoặc là ảnh hưởng không đáng kể đối với hệ thống, ta nói đây là một hệ

“trơ”, hoặc là hệ thống có tác động lên môi trường nhưng cũng không gây ảnh hưởng gì đáng kể đối với môi trường, đó là hệ”yếu”

- Đóng ở lĩnh vực này, mở ở lĩnh vực khác

Đóng ở từng thời điểm, từng giai đoạn, nhưng mở trong toàn bộ quá trình Trong một khoảnh khắc nào đó hoặc trong khoảng thời gian ∆t khá bé, tác động của môi trường lên hệ thống lên hệ thống (hoặc ngược lại) chưa đủ để gây nên những biến đổi đáng kể đối với hệ thống, nên chưa đủ trong khỏanh khắc đấy hoặc trong khoảng thời gian đó hệ là một hệ đóng Hãy xét một công trình kiến trúc nổi tiếng, chẳng hạn tháp đôi ở Ma-lay-si-a, đó là một hệ thống Tác động của môi trường như thời tiết, khí hậu mưa nắng trong thời gian hàng ngày, thậm chí vài tháng đối với hệ

thống này chẳng có gì đáng kể, trong thời gian đó hệ là đóng (trơ); nhưng xét trong một thời gian dài; vài thập kỷ hoặc và thế kỷ, không thể nói tác động của môi trường không gây ra ảnh hưởng gì Vậy trong quá trình vài thập kỉ thì hệ thống lại là

mở vì có những biến đổi do tác động của môi trường

1.2.5 Mục tiêu và chức năng của hệ thống

Bất kỳ hệ thống nào, khi hình thành hệ thống thì đồng thời hình thành mục tiêu hoặc chức năng của hệ thống đó Các hệ thống máy móc không có mục tiêu, chúng chỉ có chức năng do các nhà thiết kế đề ra, chức năng đó không phải là cái gì khác với tính năng và công dụng của máy Các nhà chế tạo phải đảm bảo cho máy móc chế tạo ra có đầy đủ tính năng và công dụng do các nhà thiết kế đã chỉ định Đối với các hệ thống tự nhiên thì mục tiêu của hệ thống cũng hình thành một cách tự nhiên Đối với hệ sinh vật cho dù ở trình độ tiến hoá cao hay thấp thì mục tiêu của nó là sự tồn tại và phát triển của chính bản thân nó; con người là sinh vật có trình độ tiến hoá cao nhất, cũng không vượt qua ngoài quy luật đó Hoạt động của các hệ sinh vật này có khuynh hướng làm cho mục tiêu của nó đạt được ở mức càng cao càng tốt; người ta gọi các hệ này là hệ có hành vi hướng đích, gọi tắt là hệ hướng đích Trong các hệ thống kinh tế xã hội bao gồm nhiều người và có tổ chức phân cấp thì cũng xuất hiện một hệ thống mục tiêu đa cấp Hãy gác lại vấn đề mỗi cấp có nhiều mục tiêu, mà chỉ xét mỗi cấp chỉ có một mục tiêu, chẳng hạn là thu thập thì bài toán một mục tiêu trong hệ đa cấp cũng phức tạp hơn rất nhiều so với bài toán đa mục tiêu mà ta thường nói đến

Trong lý thuyết quy hoạch toán học thì bài toán đa mục tiêu là bài toán phức tạp và có nhiều phương pháp đề xuất giải quyết Thường là có 2 giai đoạn: Đầu tiên người ta tìm các phương án tối ưu Pareto (đã là bài toán khó) và sau đó xử lý các phương án tối ưu Pareto đó mà thực chất là sự thoả hiệp giữa các mục tiêu để lựa chọn ra một phương án thích hợp nhất Xét từ góc độ của lý thuyết quyết định thì bài toán này lại tương đối đơn giản bởi vì “chỉ có một chủ thể quyết định ” Phân tích đánh giá quan hệ giữa các mục tiêu và từ đó lựa chọn sự thoả hiệp giữa các mục tiêu đều do một chủ thể tự làm tự chịu Nếu phát hiện thấy sai lầm ở một giai đoạn nào đó thì giai đoạn sau họ tự sửa lại

Còn bài toán một mục tiêu đa cấp lại phức tạp hơn nhiều, mỗi cấp lại là một chủ thể tham gia vào quá trình quyết định Đạt được sự thoả hiệp hài hoà giữa các chủ thể quyết định (các cấp) là vấn đề phức tạp hơn rất nhiều so với sự thoả hiệp giữa các mục tiêu của một chủ thể quyết định Nếu quá trình nhấn mạnh vào mục

tiêu trên ở cấp cơ sở sẽ làm suy yếu tính nhất thể của hệ thống lớn, làm cho hệ thống lớn không kiểm soát nổi các hệ thống con của mình, từ đó xuất hiện nguy cơ tan rã hệ thống lớn Nếu quá coi trọng mục tiêu của hệ thống lớn mà coi nhẹ mục tiêu ở cấp cơ sở thì bản thân con người ở cấp cơ sở sẽ nhận thấy mục tiêu của họ không tương thích với mục tiêu của hệ thống lớn do bản thân mỗi người là một hệ hướng đích nên người ta có xu hướng tìm cách thoát khỏi hệ thống lớn làm cho hệ thống lớn tan rã Cũng đã có nhiều ý tưởng, thậm chí nhiều học thuyết nghiên cứu

để xử lý vấn đề này

Sự thoả hiệp hài hoà gữa các chủ thể quyết định là vấn đề phức tạp Để đạt được điều đó chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu đề cập sâu hơn ở phần sau:”Điều khiển

và quản lý hệ thống phức tạp”

1.2.6 Tính cưỡng bức của hệ thống và hệ thống bị cưỡng bức

Ở phần trên ta thấy tính trội của hệ thống chính là sự liên kết hài hoà giữa các phần tử của hệ thống, giữa các hệ thống con với nhau để tạo ra hệ thống lớn Sự liên kết giữa các bộ phận tạo nên cơ thể của một sinh vật nào đó đã đạt được sự hoàn hảo tuyệt vời Sự đồng thuận đến mức tuyệt đối giữa các bộ phận trong một cơ thể sinh học, làm cho sự trục trặc ở bất kỳ bộ phận nào cũng là sự trục trặc chung cho

cả cơ thể Sự tồn tại và ổn định của mỗi bộ phận trở thành điều kiện tồn tại và ổn định chung cho cả cơ thể và ngược lại

Tuy nhiên trong hệ thống kinh tế xã hội, vấn đề diễn ra lại hoàn toàn khác Một người tham gia vào một tổ chức kinh tế nào đó, sẽ trở thành một phần tử của

hệ thống Sự liên kết với các phần tử khác có thể tạo ra cho người đó một khả năng mới nào đó tạo nên tính trội của hệ thống, nhưng mặt khác do sự liên kết này đã

“hạn chế” hoặc làm mất đi ở một chừng mực nào đó “tính độc lập”,”tính tự chủ”;”tính tự quyết” và trong một số trường hợp nào đó làm yếu đi cả “tính sáng tạo” của người đó

Vấn đề đặt ra hoàn toàn tương tự khi một “hệ thống con” tham gia vào hệ thống lớn Như vậy một khía cạnh “đối ngẫu” với tính trội của hệ thống là tính cưỡng bức của hệ thống Sự liên kết giữa các phần tử tạo ra tính trội thì cũng tạo ra tính cưỡng bức của hệ thống Hệ thống lớn bắt buộc các hệ thống con và các phần

tử của mình hoạt động đúng quy chế Nếu quy chế hợp lý, các hệ thống con đều chấp nhận thì “sự cưỡng bức” theo quy chế là nguồn gốc tính trội của hệ thống Nếu quy chế không hợp lý, một số hệ thống con, thậm chí nhiều hệ thống con không muốn chấp nhận vì cảm thấy quyền lợi của bộ phận mình bị thiệt thòi, nhưng vẫn

phải chấp nhận và phải thực hiện Nếu tình trạng này diễn ra trên một diện rộng, và trong một thời gian dài thì tính trội dần dần triệt tiêu và hệ thống trở thành “hệ thống bị cưỡng bức ”(forced system) Khi đó các hệ thống con không những không nghiêm chỉnh chấp hành quyết định của hệ thống lớn, mà thông thường mỗi hệ thống con tìm cách thực hiện riêng cho đơn vị mình để cho quyền lợi riêng của họ không bị quá thiệt thòi; thậm chí có thể xảy ra trường hợp “báo cáo một đằng, làm một nẻo”, miễn sao đơn vị họ có lợi

Khi đó hệ thống lớn đã trở thành một hệ thống giả (pseudo system) Đó cũng chính là nguy cơ tan rã của hệ thống lớn Nguyên nhân dẫn đến tình trạng này có thể

là những chủ trương lớn thiếu tính khoa học và sự lạm dụng quá đáng nguyên tắc

“tập trung dân chủ ”: các nhân phục tùng tổ chức, cấp dưới phục tùng cấp trên Hi sinh quyền lợi cá nhân cho tập thể, hy sinh quyền; lợi cấp dưới cho cấp trên chỉ nên đặt ra trong tình huống thật khẩn cấp và cũng chỉ nên thực hiện trong một thời gian ngắn: Phải tạo ra sự đồng thuận thường xuyên giữa các loại lợi ích, chứ không nên tạo ra sự đối lập để rồi cái này phải hy sinh cho cái kia

Như vậy để hiểu được thế nào là hệ thống, chúng ta cần tìm hiểu cả 6 vấn đề

đã mô tả ở trên Rất khó có thể thâu tóm cả sáu vấn đề đó trong một định nghĩa ngắn gọn về hệ thống

1.3 Các đặc trưng của hệ thống

1.3.1 Cấu trúc của hệ thống

Giả sử hệ thống gồm n phần tử a1, a2, , an Sự sắp xếp các liên kết giữa các

phần tử để tạo nên hệ thống được gọi là cấu trúc của hệ thống Để hiểu rõ cấu trúc

của hệ thống, trước hết ta xét xem giữa 2 phần tử ai và aj có thể có những loại liên kết nào Có ba loại liên kết sau đây:

a)Liên kết nối tiếp

Liên kết nối tiếp giữa 2 phần tử ai và aj được thể hiện bởi sơ đồ hình 1.2:

Hình 1.2: Liên kết nối tiếp

u i

Các kí hiệu ở đây có ý nghĩa như sau:

- Liên kết vào tự do nếu uij=vi và uij#uj

b)Liên kết song song

Liên kết song song giữa hai phần tử ai và aj thể hiện bởi sơ đồ hình 1.3:

Hình 1.3: Liên kết song song

Nếu uki=ukj ta gọi đó là liên kết song song cân xứng; nếu uki#ukj thì gọi là không cân xứng

Bây giờ ta nêu lên một ví dụ về cấu trúc của một hệ gồm 3 phần tử

Hình 1.5: Cấu trúc của một hệ gồm 3 phần tử

Trong sơ đồ này a0 là môi trường; a1 là phần tử nhận tác động của môi trường gọi là phần tử vào, a2 tác động lên môi trường gọi là phần tử ra; a3 không có tương tác trực tiếp với môi trường gọi là phần tử trong của hệ thống

Cấu trúc của hệ thống S gồm n phần tử a1, a2, ,an được mô tả bởi ma trận W=(wij) (i=0,n) (j=0,n) được xác định như sau:

Wij=1 nếu Uij#0

Wii=0 nếu ai không có liên kết ngược

Wii=1 nếu ai có liên kết ngược

Theo quy tắc này thì cấu trúc của hệ trên là ma trận sau đây:

Một câu hỏi đặt ra; từ n phần tử có thể tạo ra bao nhiêu hệ thống Số hệ thống chính là số cấu trúc có thể có Mỗi cấu trúc là một ma trận nhị nguyên (n+1) dòng, (n+1) cột; mỗi dòng là dãy nhị phân độ dài (n+1), số dãy nhị phân có thể có là 2n+1

Tổ hợp mọi khả năng có thể có của (n+1) dòng sẽ có:

2n+1 x 2n+1 x x 2n+1 =2 (n+1)

2

cấu trúc Nhưng riêng phần tử a0 đại diện cho môi trường không có liên kết ngược nghĩa

Số này bao gồm cả hệ đóng Để tìm số hệ mở ta tìm theo cách khác

Trước tiên ta tìm số cấu trúc có thể có từ n phần tử; theo quy tắc đã nêu là 2n

Xét phần tử ai của hệ S, khi nó nhận input ui Ui nó sẽ cho ra một output vi

Vi Phép biến đổi fi: Ui →Vi( đôi khi viết vi= fi(ui)) được coi là hành vi của phần

tử ai Output vi lại trở thành input của các phần tử tiếp theo Tích hợp các phép biến đổi fi của các phần tử tạo nên hành vi của hệ thống

) , , , (

) , , , (

2 1

2 1 2 2

2 1 1

n m

m

n n

x x x F y

x x x F y

x x x F y

Hành vi của hệ như vừa mô tả, thực ra là một trường hợp đơn giản với giải thiết đó là một hệ tất định và phép biến đổi F là đơn trị Trường hợp tổng quát F có thể là ánh xạ đa trị, hoặc F là ánh xạ đơn trị, nhưng không chỉ phục thuộc vào input

mà còn phụ thuộc vào trạng thái của hệ khi nhận input, hoặc một dãy trạng thái của

hệ trước khi nhận input Ở đây ta cũng bỏ qua yếu tố thời gian Không phải khi hệ nhận input thì cho ngay ra output mà phải sau một khoảng thời gian ∆t nào đó hệ mới cho output còn nếu hệ là bất định thì F có thể là 1 đại lượng ngẫu nhiên nhiều chiều Một hệ đơn giản hóa như trên gọi là hệ input – output mô tả bởi sơ đồ hình 1.7

x y

y=Sx

Hình 1.6: Hệ input – output

1.3.3 Quan hệ giữa cấu trúc và hành vi

Nếu mỗi phần tử ai(i= 1 ,n) của hệ thổng S có hành vi tương ứng với mỗi ánh

xạ đơn trị fi thì cấu trúc của hệ thống quyết định hành vi của hệ thống, cấu trúc nào hành vi nấy; nghĩa là tương ứng với một cấu trúc cho trước thì có một hành vi duy

S

nhất; nói cách khác mỗi hệ có một hành vi Việc tìm hành vi đó như thế nào ta sẽ đề cập đến ngay trong mục sau Phần ngược lại thì khác Để đảm bảo một hành vi cho

trước thì có thể có nhiều hệ thống, nghĩa là tương ứng với một hành vi là một tập

cấu trúc Đặc điểm này quy định nội dung của bải toán thiết kế hệ thống mà ta sẽ đề

cập tới ở mục sau

1.4 Các bài toán cơ bản về hệ thống

Có 3 bài toán cơ bản về hệ thống mà ta sẽ nghiên cứu trong mục này là bài toán phân tích hệ thống; bài toán tổng hợp hệ thống (còn gọi là bài toán thiết kế hệ thống) và bài toán chiếc hộp đen (còn gọi bài toán sửa chữa hệ thống)

1.4.1 Bài toán phân tích hệ thống

Bài toán phân tích hệ thống là bài toán cho trước cấu trúc của hệ thống, hãy tìm hành vi của hệ thống, tức là biết cấu trúc, tìm hành vi Có 2 vấn đề đặt ra: thế nào gọi là biết cấu trúc, tìm hành vi Có 2 vấn đề đặt ra: thế nào gọi là biết cấu trúc

và sau đó tìm hành vi của hệ như thế nào

a) Biết cấu trúc ngữ nghĩa là biết hành vi của tất cả các phần tử có mặt trong cấu trúc, nghĩa là biết fi(i=1 ,n) và biết ma trận cấu trúc

W=(wij) (i=0 ,n, j=0 ,n) Trong đó a0 là phần tử đại diện cho môi trường

b) Tìm hành vi của hệ thức là tìm phép biến đổi F mà

Y=F(x) x X Trong đó x là input của hệ, X là tập các input chấp nhận được còn y là output của hệ Nhưng ta có:

x= vo: input của hệ là output của môi trường

y= uo: output của hệ là input của môi trường

Như vậy bài toán tìm hành vi của hệ chính là tìm phép biến đổi F sao cho

U0 = F(v0) v0 X

Ở đây X là tập các input của hệ được coi là dữ liệu cho trước của bài toán Để tìm F ta tiến hành tích hợp các phép biến đổi fi (i=1 ,n) theo vết của ma trận cấu trúc W(wij) bắt đầu từ các phần tử vào của hệ, qua các phần tử trung gian bên trong hệ

và cuối cùng đến các phần tử ra của hệ Sự phụ thuộc của output của các phần tử ra

của hệ, vào các input của các phần tử vào của hệ, chính là phép biến đổi F Thuật toán cho các bài toán này nói chung không phải là vấn đề quá khó Khi tìm được F thì với mỗi x X ta tìm được y=F(x) tức là tìm được output tương ứng; từ đó cũng tìm được tập các output Y=F(X) Một số nhà nghiên cứu hoặc các nhà quản lý chỉ quan tâm đến kết quả cuối cùng tức là tập các output Y nên đã đưa ra 1 định nghĩa khác về hành vi của hệ thống - coi hành vi của hệ thống là output của hệ thống đó Thực ra để thực hiện phép biến đổi X→Y có nhiều phép biến đổi, các kết luận quan trọng của bài toán phân tích muốn nhấn mạnh rằng với cấu trúc đã cho thì phép biến đổi ấy là duy nhất Để dung hòa sự khác nhau về các quan niệm trên và loại trừ các mâu thuẫn có thể phát sinh, chúng ta có thể sửa đổi chút ít và nêu lên quan niệm:

”Hành vi của hệ được thể hiện bởi output của hệ đó”

Sự xuất hiện quan niệm này là nguồn gốc thực tế Một nhà đầu tư trước khi quyết định có đầu tư vốn vào một xí nghiệp nào đó không, thì điều mà họ muốn biết trước tiên là với số vốn x bỏ ra (input của xí nghiệp) thì học sẽ có lợi nhuận y là bao nhiêu (output của xí nghiệp); nếu y nhỏ hơn mức yêu cầu tối thiểu của họ đề ra thì

họ sẽ quyết định ngay là không đầu tư và không cần bàn đến các vấn đề khác Nếu y lớn hơn hoặc vượt trội hơn nhiều so với yêu cầu của họ đề ra thì họ sẽ quyết định ngay là không đầu tư và không cần bàn đến vấn đề khác Nếu y lớn hơn hoặc vượt trội hơn nhiều so với yêu cầu của họ thì họ mới cử các chuyên viên xem xét dự án phát triển của xí nghiệp mà thực chất là kiểm tra xem quá trình thực hiện có khả thi không; có mức y như dự kiến của họ không, mà thực chất là phép biến đổi y = F(x)

có đúng không, nói cách khác khi đã có chủ ý đầu tư thì mới xem xét đến hành vi của hệ

1.4.2 Bài toán tổng hợp hệ thống

Nội dung bài toán này là: Cho trước một hành vi F: X→Y và n phần tử {

a1,a2, an} với các hành vi tương ứng {f1,f2, fn} Hãy tổng hợp các phần tử đã cho

để có 1 hệ S đáp ứng được hành vi đã cho; nói gọn hơn là tìm một cấu trúc đáp ứng được hành vi cho trước Bài toán này cũng gọi là bài toán thiết kế hệ thống Tuy nhiên người ta vẫn dùng cụm từ phân tích hệ thống (system analysis) và tổng hợp

hệ thống (system synthesis) với dụng ý đây là 2 bài toán ngược chiều nhau Để giải quyết bài toán này về nguyên tắc người ta làm như sau

- Ta tìm mọi cấu trúc mở có thể có từ n phần tử đã cho, số cấu trúc này như ta

đã biết là 2n

2

(zn- 1)2 Trong số cấu trúc này, nếu không có cấu trúc nào đáp ứng được hành vi đã đề ra thì ta nói rằng bài toán không giải được

- Tình huống thường xảy ra là có một số cấu trúc đáp ứng được hành vi đã đề

ra , khi đó người ta đưa thêm các điều kiện để lựa chọn cấu trúc: chẳng hạn như cấu trúc gồm ít phần tử nhất hoặc chi phí cho việc chế tạo hệ thống là ít nhất Vì vậy bài toán tổng hợp hệ thống được phát biểu chặt chẽ hơn: Tìm một cấu trúc (từ n phần tử

đã cho) thõa mãn một số điều kiện nhất định và đáp ứng được hành vi đã cho: F: X

→Y

1.4.3 Bái toán chiếc hộp đen

Bài toán chiếc hộp đen rất hay gặp trong thực tế thuộc các lĩnh vực khoa học:

cơ khí, điện tử, sinh học, vật lý, hóa học.v.v Bài toán được đặt ra như sau:

- Có một hệ thống S thực tế đang tồn tại mà ta không biết cấu trúc của nó,

nhưng lại có những hiểu biết nhất định về cấu trúc của nó: Giả thiết này rất quan

trọng, không có giả thiết này không có bài toán chiếc hộp đen Vấn đề là làm thế nào để xác định được một cách chính xác cấu trúc và sau đó là hành vi của hệ đó Trong hai bài toán phân tích và tổng hợp ở trên: chúng ta biết một trong 2 cái: cấu trúc hoặc hành vi và đi tìm cái còn lại: hành vi hoặc cấu trúc, còn trong bài toán chiếc hộp đen: ta biết một phần cấu trúc; do đó biết một phần hành vi, và đi tìm cả cấu trúc và hành vi của hệ thống

Để hiểu rõ hơn nội dung của bài toán ta hãy xét ví dụ sau đây: Một kỹ sư điện

tử viễn thông đứng trước một chiếc ti vi hỏng (nghĩa là nó có một hoặc vài linh kiện

bị hỏng ) Người kĩ sư hoàn toàn nắm vững cấu trúc W0 của chiếc ti vi cùng loại nhưng không bị hỏng Cấu trúc W của chiếc ti vi bị hỏng chính là cấu trúc W0 mà ta loại bỏ những linh kiện (phần tử) bị hỏng và các liên kết giữa các linh kiện bị hỏng với các linh kiện khác Người kĩ sư không biết linh kiện nào bị hỏng nên coi như không biết cấu trúc W và nhiệm vụ của anh ta là phải xác định rõ cấu trúc W đó Nếu thay người kĩ sư bằng một người khác không có chút kiến thức gì về ti vi thì bài toán trên không bao giờ giải được mặc dù chiếc ti vi chỉ bị hỏng rất nhẹ (ví dụ: cháy cầu chì).Vấn đề hoàn toàn tương tự khi một bác sĩ đứng trước bệnh nhân; một cán bộ đứng trước một xí nghiệp mà anh ta mới được bổ nhiệm làm giám đốc; ông thủ tướng vừa được bầu trước cơ quan chính phủ cũ, v.v vì vậy thuật toán giải bài toán “chiếc hộp đen có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong rất nhiều lĩnh vực Thuật toán

đó là gì?

Bước 1: Chọn các input thích hợp tác động vào hệ và quan sát output của hệ và

ghi lại kết quả quá trình thực nghiệm đó, ta được 1 biên bản

(x1, y1),(x2, y2) , , (xn, yn)

Trong đó yi là output tương ứng với input xi (i=1 ,n)

Bước 2: Phân tích dãy kết quả thực nghiệm, và dự đoán mối quan hệ phụ thuộc

giữa output và input, tức là dự đoán hành vi F: X →Y của hệ

Bước 3: Từ hành vi đã dự đoán F: X →Y, ta dự đoán cấu trúc W của hệ Bước 4: Tiến hành thực nghiệm để kiểm tra lại các dự đoán, nếu phù hợp thì

dừng, nếu không thì dự đoán lại, tức là quay về bước 2

Một nguyên tắc phải đảm bảo ở bước 1 là phải cô lập hệ với mọi tác động khác, để đảm bảo cho hệ chỉ nhận input do ta đưa vào Đối với các hệ thống máy móc thì điều này không mấy khó khăn, nhưng đối với hệ sinh học đôi khi đây cũng

là vấn đề phức tạp

Nếu hệ là hệ input – output thì thuật toán trên có hiệu quả cao; nhưng nếu hệ

có “hành vi dãy” tức là yi không chỉ phụ thuộc vào xi mà còn phụ thuộc vào các xk(1≤ k ≤i) thì việc dự đoán hành vi ở bước 2 là bài toán khá phức tạp

Trở lại ví dụ chiếc ti vi hỏng ở bước 3 người kĩ sư dự đoán các linh kiện bị hỏng, người ta có thiết bị để kiểm tra xem linh kiện đó có bị hỏng không, nếu đúng anh ta thay thế chúng, nghĩa là đã sửa được chiếc ti vi hỏng Trong tình huống này bài toán “black-box” có thể coi như bài toán sửa chữa hệ thống bị pan (hỏng)

1.5 Một số hệ thống quan trọng trong tin học và quản lý

Tổng quan về hệ thống hoặc phân loại hệ thống là việc làm đòi hỏi nhiều thời gian và kiến thức, chẳng hạn riêng trong sinh vật học, người ta đã phân loại thành hơn 20 loại hệ thống khác nhau, vì vậy trong cuốn sách này tác giả chỉ muốn điểm qua một số hệ thống quan trọng trong tin học và quản lý cùng với những đặc điểm của chúng nhằm giúp cho độc giả có hiểu biết tốt hơn về hệ thống và các khái niệm liên quan đến hệ thống

1.5.1 Hệ thống máy móc

Hệ thống này bao gồm tất cả các loại máy móc do con người chế tạo ra Hệ này có cấu trúc chặt chẽ Trong hệ không có sự sống (theo nghĩa của sinh học) các phần tử không có mục tiêu riêng, do đó hệ thống không có mục tiêu chung Tuy nhiên mỗi phần tử có chức năng riêng và tạo nên chức năng chung của hệ Chức năng chung của một chiếc đồng hồ là chỉ giờ, phút, giây, ngày, tháng, thứ trong tuần,.v.v Trong hệ thống máy móc thì Robot là hệ có tính năng đặc biệt có thể thay

thế con người trong môi trường lao động khắc nghiệt như: nhiệt độ quá cao, quá thấp hoặc có phóng xạ

1.5.2 Con người và xã hội

Con người là một hệ sinh học hoàn chỉnh và phức tạp nhất; cũng là động vật

có trình độ tiến hóa cao nhất thể hiện ở bộ não của con người có khả năng tư duy đồng thời lại có ngôn ngữ để trao đổi các tư duy nên đã sáng tạo ra nền văn minh qua các thời đại Con người là một hệ có hành vi đa dạng, có khả năng thích nghi cao với môi trường và khả năng cải tạo môi trường Con người cũng là hệ có mục tiêu đa dạng và hướng đích cao Những vấn đề liên quan đến con người như nguồn gốc xuất hiện, cấu tạo, sinh sản, di truyền, những vấn đề xã hội nhân văn, những vấn đề chính trị xã hội, những vấn đề kinh tế xã hội hầu hết đều là những vấn đề phức tạp

1.5.3 Hệ thống kinh tế xã hội

Xét trên phạm vi một nước, đó là hệ thống bao gồm rất nhiều người (hàng triệu hoặc chục triệu ), nên đó là một hệ thống lớn Hệ thống này có nhiều cấp quản lý, nên nó là một hệ phân cấp có nhiều cấp Hệ có hành vi hướng đích và là một hệ đa mục tiêu và mục tiêu đa cấp Hoạt động của hệ này rất đa dạng không chỉ thuần túy

về kinh tế nên cho dù đứng dưới góc độ nào đây cũng là một hệ thống lớn và phức tạp Đối với các loại hệ này, muốn tránh sai lầm khi tiếp cận hoặc quản lý chúng, chúng ta phải nghiêm túc tuân theo những nguyên lý rất chặt chẽ mà người ta gọi là các nguyên lý tiếp cận và nguyên lý rất chặt chẽ mà người ta gọi là các nguyên lý tiếp cận và điều khiển hệ thống Các nguyên lý này chúng ta sẽ đề cập đến trong các chương sau

1.5.4 Hệ thống thông tin quản lý

Trước hết nói về hệ thống thông tin Trong hệ thống kinh tế xã hội nếu chỉ xét

về hoạt động kinh tế thì mối liên kết giữa các phần tử hay giữa các hệ thống con là một liên kết kinh tế Đó là dòng sản phẩm và dịch vụ đi theo một chiều và dòng phương tiện tài chính được ghi lại dưới một dạng nào đó và gọi là thông tin kinh tế Như vậy hệ thống thông tin được định nghĩa như là một hệ thống mà mối liên hệ giữa các phần tử thuộc hệ đó cũng như liên kết của hệ đó với môi trường đều là các liên kết thông tin Hệ thống thông tin phục vụ cho công tác quản lý gọi là hệ thống thông tin quản lý, thiết kế hệ thống thông tin quản lý như thế nào để đảm bảo cho công tác quản lý đạt hiệu quả cao là những kiến thức rất quan trọng cho các sinh

viên ngành tin học quản lý Sinh viên được học tập theo một giáo trình riêng: phân tích và thiết kế hệ thống thông tin

1.5.5 Hệ thống người máy

Có thể gồm một người một máy hoặc một hệ thống các phần tử ”người máy”, đây là sản phẩm tuyệt vời của trí tuệ con người Con người có trí tuệ phong phú những năng lực vật chất rất hạn chế Máy móc liên kết với con người khắc phục được tình trạng đó Người công nhân ghép với chiếc máy dệt tạo nên hệ thống có năng suất cao hơn một tốp người ghép với chiếc máy bay hặc tàu thủy tạo nên một

hệ thống có khả năng vận chuyển một khối lượng lớn hơn với tốc độ nhanh hơn Đặc điểm chung của hệ thống người máy là cả người và máy phải vận hành theo các quy tắc nghiêm ngặt, nếu không cả người và máy đều bị phá hủy Ngày nay hệ thống “Người – Máy vi tính” xâm nhập rộng rãi vào nhiều lĩnh vực hoạt động của

xã hội: học tập, đào tạo, nghiên cứu, sản xuất, kinh doanh, quản lý ,.v.v tạo nên những chuyển biến mạnh mẽ và sâu sắc về quan niệm và tư duy và về cả phương thức sinh hoạt Chính vì vậy mà Công Nghệ Tin học ngày càng có vị thế cao trong nhiều lĩnh vực hoạt động của xã hội

- X là tập hữu hạn không rỗng các input

- Y là tập hữu hạn không rỗng các output

- Q là tập hữu hạn không rỗng các trạng thái

- q0Q là trạng thái ban đầu

- f là ánh xạ : f: Q x X → Q gọi là hàm chuyển trạng thái

- F là ánh xạ F: Q x X x Qf → Y gọi là hàm ra trong đó Qf=f(Q,X)

Ôtômát là một hệ động làm việc theo một quá trình thời gian rời rạc t= 0,1,2,

Ở thời điểm t=0, Ôtômát ở trạng thái ban đầu q0 Tại thời điểm t>0, Ôtômát nhận input xtX làm cho có chuyển từ trạng thái qt-1 sang trạng thái qt = f(qt-1,xt) và đồng thời ôtômát cho tín hiệu ra:

yt= F(qt-1,xt,qt) Tùy theo dạng của hàm ra F, người ta chia Ôtômát làm 2 loại:

a) Ôtômát loại 1 hay ôtômát Mealy nếu yt= F(qt-1, xt)

b) Ôtômát loại 2 hay ôtômát Moore nếu yt= F(xt, qt)

Nếu ta thay qt= f(qt-1,xt) thì mọi ôtômát loại 2 đều có thể đưa về loại 1, do đó người ta dùng ôtômát Mealy làm mô hình chính để xây dựng lý thuyết chung về ôtômát hữu hạn

Chú ý:

1) Nếu hàm chuyển trạng thái f là ánh xạ f : (Q, X)→ Q thì ta có ôtômát hữu hạn đơn định (DFA: Deterministic Finite Automaton) Nếu f : (Q,X)→ 2Q nghĩa là biến Q x X thành tập lũy thừa của Q (đó là tập các tập con của Q) thì ta có ôtômát hữu hạn không đơn định (NDFA: Nonderteministic Finite Automaton)

2) Trong định nghĩa của ôtômát hữu hạn nếu Y Q nghĩa là output là tập con của tập các trạng thái, thì ta gọi Y là tập các trạng thái ra hay tập các trạng thái cuối cùng , khi đó ta cần đưa vào khái niệm hàm ra F, vì F chính là hàm chuyển trạng thái và ta định nghĩa:

S= {X,Q,f,q0,Y}

Trong đó Y Q còn ý nghĩa của các ký hiệu X, Q, f, q0 vẫn như cũ

1.5.7 Ngôn ngữ hình thức

Bất kỳ một ngôn ngữ nào cũng gồm một số hữu hạn ký tự - gọi là chữ cái; các

ký tự ghép với nhau theo một quy tắc nhất định tạo thành một xâu ký tự - gọi là từ Trong ngôn ngữ thông thường, một từ có thể có nhiều từ hoặc nhiều từ có chung một nghĩa, nhưng trong ngôn ngữ giao tiếp giữa người và máy hoặc giữa máy với máy đòi hỏi mỗi từ chỉ có một nghĩa duy nhất, một ngôn ngữ như vậy là ngôn ngữ hình thức: Như vậy một ngôn ngữ hình thức có thể coi như một hệ:

I= (A, T) Trong đó A là tập hữu hạn không rỗng các ký tự, T là một tập hữu hạn không rỗng các xâu ký tự, đó là sự liên kết giữa các phần tử thực A, chức năng của một ngôn ngữ hình thức, chính là phương tiện giao tiếp giữa người và máy Quy tắc tạo

ra tập T từ các phần tử của A gọi là văn phạm Mỗi văn phạm tạo ra một tập T, nghĩa là tạo ra một ngôn ngữ, ta nói rằng mỗi văn phạm sinh ra một ngôn ngữ Ta

ký hiệu:

Người ta thường đoán nhận ngôn ngữ nhờ các ôtômát hữu hạn, và biểu diễn ngôn ngữ (vấn đề sinh) nhờ các văn phạm Những kiến thức về vấn đề này có thể tìm thấy trong các giáo trình về toán rời rạc

1.6 Kết luận

1 Hệ thống là một khái niệm rất tinh tế, đa dạng, phức tạp và được ứng dụng

trong rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu Trong mỗi lĩnh vực nghiên cứu cụ thể, người ta lựa chọn một định nghĩa thích hợp về hệ thống, lược bỏ đi một số khía cạnh không

có ý nghĩa hoặc không có ảnh hưởng lớn đến vấn đề nghiên cứu giúp cho việc trình bày và suy luận dễ dàng hơn và sáng sủa hơn Nhưng không bao giờ được ngộ nhận rằng đó là định nghĩa tổng quát hoặc duy nhất của hệ thống

2 Các yếu tố tạo nên hệ thống như các phần tử, hệ thống con, sự liên kết giữa

các phần tử hay một số vấn đề liên quan cũng là những khái niệm rất tinh tế, đa dạng và phức tạp không kém gì khái niệm về hệ thống, do đó để tránh những suy diễn lệch lạc có thể dẫn đến những nhận định sai lầm trong quá trình nghiên cứu, chúng ta cần tuân thủ nghiêm túc những nguyên tắc mà ta gọi là những nguyên lý tiếp cận hệ thống

3 Một vài điều cần lưu ý :

a) Khi nghiên cứu và viết về hệ thống, nhất là khi định nghĩa về hệ thống thì nên có những lời giải thích; nếu không, chúng ta định nghĩa hệ thống dựa trên những khái niệm mơ hồ thì cái định nghĩa ấy là mơ hồ Có tác giả định nghĩa hệ thống với không đầy hai dòng chữ nhưng đã dành hơn 2 trang để giải thích Đó là một giải pháp hợp lý Khi sử dụng ngôn từ thì nên tạo ra sự tương hợp giữa các sách Nếu từ ngữ khác nhau bao hàm nội dung khác nhau thì cần có sự giải thích Hãy xét hai cách diễn đạt khi định nghĩa hệ thống như dưới đây:

- Các phần tử tạo nên nhất thể (đa số các sách)

- Các bộ phận tạo nên chỉnh thể

Vậy giữa các phần tử và bộ phận có gì khác nhau, giữa nhất thể và chính thể

có gì khác nhau Theo ngôn ngữ thông thường thì đây là các khái niệm khác nhau Chẳng hạn chỉnh thể luôn là nhất thể, còn nhất thể chưa chắc đã là chỉnh thể Nếu

có sự khác nhau thì ắt có một cái chính xác hơn hoặc tổng quát hơn, đó là cái nào cần nêu rõ

Chương 2 TIẾP CẬN CÁC HỆ THỐNG PHỨC TẠP

2.1 Đặt vấn đề

Trong chương một, chúng ta đã đề cập đến những vấn đề cơ bản liên quan đến khái niệm hệ thống Chương 2 là những vấn đề phức tạp tiếp theo của chương 1 Vấn đề đặt ra là chúng ta đứng trước một hệ thống đang tồn tại Với những hiểu biết

đã có của chương 1, chúng ta phải làm gì và làm như thế nào để nhận thức được một cách đầy đầy đủ và chính xác tất cả những yếu tố liên quan đến hệ thống đó để

từ đó có thể sử dụng hoặc điều khiển được nó, và trong trường hợp nó bị “pan: hỏng” thì có thể “sửa chữa” và đưa nó trở lại trạng thái bình thường Hãy xét hai tình huống :

1 Nếu hệ thống đó là một chiếc máy bị hỏng (máy không bị hỏng thì chẳng

có gì đáng bàn); chẳng hạn một chiếc xe máy; chỉ cần một người học nghề sửa chữa

xe máy trong 6 tháng thì anh ta dễ dàng chỉ ra những bộ phận bị hỏng, nếu không sửa được thì thay thế bộ phận ấy; nếu hệ thống đó là chiếc ô tô thì cần có những người thợ có thời gian đào tạo dài hơn: chẳng hạn từ 1 đến 2 năm; nếu muốn sửa chữa máy bay thì thời gian đào tạo dài nữa Tóm lại việc sửa chữa một chiếc máy bị hỏng không phải là một vấn đề khó về nguyên tắc, thực chất chỉ là vấn đề thời gian

và chi phí

2 Chúng ta đứng trước một người bị ốm; nếu là bệnh nhẹ thông thường thì chỉ cần một y tá chăm sóc, bệnh nặng hơn một chút thì cần đến một y sỹ, nếu là bệnh nặng và nguy hiểm thì có khi cần đến những bác sỹ chuyên khoa Tuy vậy chúng ta vẫn có thể gặp tình huống chúng ta dù đã có đủ các giáo sư, tiến sỹ y khoa giỏi, có đủ phương tiện hiện đại, có đủ các loại thuốc đặc trị hiếm quý, có đủ kinh phí, nhưng người bệnh vẫn tử vong Vậy vấn đề ở đây là gì ? có hai khía cạnh đáng chú ý:

a) Chúng ta thiếu kiến thức Một chiếc máy dù tinh xảo và phức tạp đến đâu chăng nữa thì dưới góc độ lý thuyết tổng quát về hệ thống đó vẫn là một hệ đơn giản vì chúng ta biết đầy đủ và hoàn toàn chính xác cơ cấu và chức năng của nó (vì

nó do con người thiết kế và chế tạo ra ); nhưng con người là một hệ tự nhiên, mặc

dù kho kiến thức của chúng ta về mọi lĩnh vực liên quan đến con người rất là “đồ sộ” và phong phú nhưng vẫn còn nhiều lĩnh vực liên quan đến con người mà trong

một thời gian dài nữa không dễ gì có thể hiểu biết hết được Ví dụ như “cơ cấu gien” của con người, những khả năng tiềm ẩn của con người chẳng hạn như khả năng “nhân điện”, người ta có thể dùng nhân điện để chữa bệnh cho con người mà không động trạm đến bệnh nhân, cũng không dùng một loại thuốc gì, thậm chí có thể chữa bệnh cùng một lúc cho nhiều người mắc những bệnh khác nhau, ở những địa điểm khác nhau, có thể dùng nhân điện cung cấp năng lượng thay thế cho phân bón trên một cánh đồng lúa có diện rộng mà năng suất vẫn tương đương như là dùng phân bón, v.v… Điều đó đúng và chính xác đến mức độ nào, thì kiến thức của chúng ta hiện nay về lĩnh vực này còn rất nhiều , chưa thể khẳng định, cũng chưa thể bác bỏ

Trở lại tình huống trên, nếu bệnh nhân mắc một loại bệnh mà nguyên nhân của

nó thuộc vùng kiến thức mà ta chưa biết ? Chẳng hạn bệnh “rối loạn cơ cấu gien ” tức là bệnh ung thư thì với trình độ y học chứ không loại trừ được bệnh này, nghĩa

là trước sau thì bệnh nhân cũng sẽ biết

b) Cơ cấu của cơ thể con người quá phức tạp Cơ thể con người là một chỉnh thể ở trình độ tiến hóa cao, nhưng lại được cấu tạo từ các bộ phận ”không chỉnh thể”, theo nghĩa: tách một bộ phận nào đó khỏi cơ thể con người thì trong một thời gian ngắn, sự sống của bộ phận đó sẽ mất đi Việc thay thế một bộ phận nào đó trong con người bị bệnh đến mức không hồi phục được và không có điều kiện thay thế thì hoặc người đó sẽ chết hoặc trở thành người tàn phế hoặc tàn tật (mù, điên, què, cụt…) không còn là con người đúng theo nghĩa toàn diện của nó

Tóm lại vấn đề mà chúng ta quan tâm đến ở đây, đó là một hệ thống phức tạp Việc nghiên cứu và điều khiển các hệ thống phức tạp đòi hỏi phải có một quy trình

và phương pháp phù hợp, khác hẳn với quy trình và phương pháp nghiên cứu và điều khiển các hệ thống đơn giản Trước khi đề cập đến những vấn đề này, điều đầu tiên phải làm rõ như thế nào là hệ thống phức tạp

2.2 Thế nào là một hệ thống phức tạp

Nói một cách khái quát, hệ thống phức tạp là một hệ thống mà chúng ta không

thể hiểu biết một cách chính xác và đầy đủ về cấu trúc và hành vi của nó

Một hệ thống phức thường bao gồm một số đặc điểm sau đây:

1 Hệ phức tạp thường là hệ có nhiều phần tử Khi số phần tử tăng lên thì liên kết giữa các phần tử cũng đa dạng hơn và số cấu trúc của hệ tăng lên với tốc độ đáng kể Ta đã biết số cấu trúc mở Sn của hệ có n phần tử là:

3 Hệ phức tạp thường có hành vi hướng đích Con người là một hệ có hành vi hướng đích cao nhất so với các sinh vật khác, nên nói đến hệ có hành vi hướng đích

là có ý muốn nói đến hệ có bao hàm nhiều con người Hệ được quan tâm nhất trong loại hình này là hệ thống kinh tế xã hội Mỗi người thường có nhiều mục tiêu, mỗi

hệ thống con ở mỗi cấp là một hệ đa mục tiêu Toàn bộ hệ thống lớn là một hệ đa mục tiêu đa cấp Dung hòa mâu thuẫn giữa mục tiêu của các phần tử, của các cấp với hệ thống là bài toán cực kì phức tạp

4 Hệ phức tạp thường là hệ động, nghĩa là hệ thay đổi theo thời gian t theo nghĩa tổng quát nhất, không chỉ là thay đổi trạng thái mà còn thay đổi cả phần tử , cấu trúc, hành vi và mục tiêu của nó Theo thời gian t hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác; có những phần tử hoặc bộ phận bị hủy diệt hoặc bị loại trừ khỏi hệ thống, lại có những phần tử hoặc bộ phận mới sinh ra hoặc được tiếp nhận vào hệ thống Hệ có khả năng học tập và tích lũy kinh nghiệm nên có khả năng tự điều chỉnh mà trước hết là tự tổ chức lại cấu trúc của mình để có một cấu trúc mới, tiến bộ hơn, phù hợp với sự thay đổi của môi trường, và đương nhiên hành vi và mục tiêu của hệ thống cũng được điều chỉnh cho phù hợp với cấu trúc mới và môi trường mới

5 Hệ phức tạp còn là hệ mà chúng ta không thể tiến hành nghiên cứu nó bằng phương pháp thực nghiệm trên bản thân hệ đó hoặc trên mô hình vật lý của hệ đó

Không thể nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm không chỉ vì quá tốn kém do

hệ là một hệ lớn gồm rất nhiều phần tử; mà điều quan trọng nhất chính là chúng ta không thể cô lập hệ này sao cho nó chỉ nhận tác động thực nghiệm của chúng ta; và đây lại là 1 phương pháp cơ bản của nghiên cứu thực nghiệm Còn về mô hình vật

lý thì chưa ai có ý tưởng xây dựng một mô hình vật lý đẳng cấu hoặc đồng cấu với

hệ thống phức tạp như hệ thống kinh tế xã hội của một nước Đây cũng là điểm khác biệt cơ bản giữa phương pháp nghiên cứu hệ phức tạp và phương pháp nghiên cứu hệ thống thường khác

6 Hệ phức tạp thường là hệ không hoàn toàn điều khiển được, nói cách khác

đó là một hệ điều khiển được có mức độ; mức độ này tùy thuộc vào “lực lượng “

của cơ quan điều khiển Sự khác nhau giữa 2 khái niệm “hoàn toàn điều khiển được” và “điều khiển được có mức độ” là ở chỗ nào?

Giả sử Q là tập các trạng thái của hệ, Y Q là tập các trạng thái mong muốn của chúng ta Nếu ta có thể có thể tác động lên hệ để cho hệ có thể chuyển từ một trạng thái bất kỳ q Qđến một trạng thái y* Y một cách chính xác thì ta gọi đó là

hệ hoàn toàn điều khiển được Ví dụ như một chiếc ti vi đang vận hành với một kênh nào đó; ta có thể chuyển sang kênh khác theo ý muốn của ta Còn đối với nền kinh tế quốc dân, các chỉ tiêu kế hoạch 1 năm hay 5 năm là trạng thái y* mong muốn; không phải lúc nào cũng đạt được các chỉ tiêu kế hoạch một cách chính xác,

mà thường là đạt được ở một mức độ nào đó; đo đó nền kinh tế quốc dân là một hệ điều khiển được có mức độ

Trên đây là 6 đặc trưng cơ bản của một hệ thống phức tạp, không phải hệ nào

có đủ các đặc trưng trên mới gọi là hệ phức tạp, chỉ cần có một hoặc một vài đặc trưng nào đó trong các đặc trưng trên cũng có thể coi là hệ phức tạp rồi Nhưng riêng hệ thống kinh tế xã hội của một nước thì có đủ tất cả những đặc trưng trên, nên chúng ta coi đó là đối tượng chính để trình bày các nguyên lý tiếp cận hệ thống Điều này vừa tạo điều kiện thuận lợi cho chúng ta trong việc tìm kiếm những ví dụ thực tế, vừa có ý nghĩa thiết thực giúp chúng ta hiểu biết tốt hơn những vấn đề phức tạp trong hệ thống kinh tế xã hội đang diễn ra trong cuộc sống hàng ngày của chúng

ta

2.3 Tiếp cận các hệ thống phức tạp

Để cách trình được ngắn gọn từ đây về sau ta quy ước đề cập đến các hệ thống phức tạp cho nên khi nói đến hệ thống hiểu ngầm đó là hệ thống phức tạp, do đó tiếp cận hệ thống có nghĩa tiếp cận hệ thống phức tạp Vậy thế nào là tiếp cận hệ

thống? Có thể nói mọi quá trình nghiên cứu hệ thống nhằm bất kỳ mục đích nào, bất

kỳ nội dung nào, với bất kỳ mức độ nào và bằng bất kỳ phương pháp nào đều bao hàm trong khái niệm “tiếp cận hệ thống”

2.3.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu về lí luận và phương pháp luận, điều này đòi hỏi vấn đề đặt ra có tính khái quát cao, lập luận và tư duy phải chặt chẽ và tận dụng được thành tựu của các ngành khoa học có liên quan

Nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế, đòi hỏi quá trình nghiên cứu phải chi tiết

và tỷ mỉ hơn để có thể tìm được một quy trình áp dụng hợp lý

Mục đích nghiên cứu có thể bao gồm cả hai, đòi hỏi công phu và toàn diện hơn; cũng có thể chỉ là ở mức nghiên cứu để biết, tức là chỉ tìm hiểu một số khái niệm cơ bản về vấn đề này

2.3.2 Nội dung nghiên cứu

- Cấu trúc hoặc hành vi của hệ thống(hoặc cả hai)

- Mục tiêu hoặc chức năng của hệ thống

- Các phần tử hoặc các bộ phận của hệ thống

- Các liên kết giữa các phần tử hoặc giữa các bộ phận của hệ thống

- Các trạng thái quá khứ, hiện đại và tương lai của hệ thống

- Khả năng học tập và tự tổ chức lại cấu trúc của hệ thống

- Khả năng thích nghi với môi trường và khả năng cải tạo môi trường cho phù hợp với điều kiện tồn tại và phát triển của hệ thống

- Khả năng sinh sản và tính di truyền của hệ thống

- Sự phân rã hệ thống lớn thành các hệ thống nhỏ hơn và sự hợp nhất các hệ thống thành hệ thống lớn hơn

- Tính điều khiển được và mức độ điều khiển được của hệ thống

2.3.3 Mức độ nghiên cứu về hệ thống

Mức tham số: chỉ nghiên cứu một hoặc một vài tham số nào đó của hệ thống, chẳng hạn thu thập quốc dân theo đầu người, tỷ lệ tăng dân số ở năm t nào đó,.v.v… Mức tổng thể: Coi hệ thống như một nhất thể, chỉ nghiên cứu một số chỉ tiêu liên quan đến hành vi của hệ thống

Mức chi tiết: có nhiều mức chi tiết khác nhau, tùy theo ta nghiên cứu đến mức phân cấp nào, mà thực chất là đi sâu vào cấu trúc của cấp đó trong hệ thống

2.3.4 Phương pháp nghiên cứu

- Quan sát và thống kê

- Điều tra và phân tích

- Tổng hợp và khái quát hóa

Vì phương pháp thực nghiệm trên hệ thống bị loại trừ, cho nên người ta triệt

để sử dụng các công cụ toán học trong quá trình nghiên cứu: Các phương pháp phân tích và xử lý số liệu thống kê, xử lý dãy thời gian một chiều và nhiều chiều, lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên, lý thuyết tương quan nhiều chiều (trong lý thuyết xác xuất, thống kê) và một số các mô hình toán học thích hợp cho từng loại vấn đề Trong các trường hợp các dữ liệu là phi số thì có thể dùng phương pháp chuyên gia cùng với các hệ hỗ trợ thích hợp

Tất cả những nghiên cứu trên làm cho chúng ta ngày càng hiểu biết tốt hơn, rõ

hơn về hệ thống, nhưng không bao giờ hiểu biết đầy đủ và chính xác về hành vi và

cấu trúc của hệ thống, cho nên sau mỗi bước nghiên cứu chúng ta chỉ “đến gần” hệ

thống hơn mà thôi Chính vì lẽ đó người ta sử dụng khái niệm ”tiếp cận hệ thống” (system approximation) để nói lên đặc điểm đó của quá trình nghiên cứu hệ thống phức tạp

2.4 Các nguyên lý tiếp cận hệ thống

2.4.1 Nguyên lý 1

Quy trình tiếp cận hệ thống cần tiến hành theo những bước sau đây:

Xác định mục tiêu; lựa chọn nội dung và mức độ đáp ứng được mục tiêu, lựa chọn phương pháp (hoặc mô hình phù hợp với nội dung và mức độ), nghĩa là phải đảm bảo sự tương hợp giữa mục tiêu, nội dung, mức độ và phương pháp trong một quy trình chặt chẽ

Ví dụ 1:

Tìm hiểu mức nghèo và sự giảm nghèo của nền kinh tế của một nước nào đó Mức nghèo của một nước nào đó thể hiện bởi thu nhập quốc dân trên một đầu người của nước đó

Hai tham số quan trọng: thu nhập quốc dân y t và dân số st

Ở thời điểm t=0 ta có thu nhập quốc dân trên đầu người là :

a0=

0

0

s y

Gọi a là mức nghèo quy ước của thế giới

a0 <a thì nước đó là nghèo

Nếu a- a0 càng lớn thì nước đó càng nghèo

Mức độ tiếp cận là mức tham số Tốc độ giảm nghèo phụ thuộc vào tỷ lệ tăng thu nhập quốc dân và tỷ lệ tăng dân số

Nếu trong khoảng thời gian [0,t] luôn giữ được tỷ lệ tăng thu nhập quốc dân là 7% và tăng dân số khoảng 2 % thì ta có:

y

) 02 , 0 1 (

) 07 , 0 1 (

Mục tiêu của ta là nắm được những thông tin cơ bản về nền kinh tế quốc dân

để phục vụ cho việc lập kế hoạnh phát triển nền kinh tế quốc dân trong một thời kỳ nào đó (chẳng hạn 5 năm ) Vậy mục tiêu ở đây là nhằm điều khiển nền kinh tế quốc dân Trong điều khiển học thì điều khiển (hay quản lý) nền kinh tế quốc dân thực chất là điều khiển hành vi của nó; do đó nội dung cần làm đầu tiên là tiếp cận hành

vi của hệ ở mức tổng thể sau đó mới là tiếp cận cấu trúc của nó ở mức chi tiết hóa Tiếp cận hành vi trước, cấu trúc sau cũng là một trình tự mang tính nguyên tắc, khi biết hành vi của hệ thì ta cũng có thể dự đoán được phần nào cấu trúc của hệ, điều này rất có lợi cho việc chỉ đạo quá trình tiếp cận cấu trúc ở các bước sau Còn nếu ta tiếp cận cấu trúc trước thì từ những kiến thức thu thập được ở một bộ phận nào đó,

ta không thể nêu lên một nhận định gì về hành vi tổng thể của hệ thống

Khi tiếp cận tổng thể hành vi của hệ thống, mô hình hóa toán học là một phương pháp có nhiều lợi thế Vì cấu trúc của hệ chưa biết nên ta coi nó như là một hộp đen và nghiên cứu hành vi của hệ dưới dạng một vài chỉ tiêu chủ yếu nhất, do

đó người ta cũng gọi đây là mô hình chiếc hộp đen và có dạng như: mô hình input – output Ta giới thiệu sơ lược một vài mô hình này mà trong toán kinh tế thường gọi

là các macromodels (mô hình gộp lớn)