Fundamentos de sistemas



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Fundamentos de Sistemas. Concepto de Sistema

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

CUADERNOS DE INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES
VOLUMEN 1

Tema:

FUNDAMENTOS DE SISTEMAS

Notas de apoyo para las asignaturas:




  1. Investigación de Operaciones I.

  2. Técnicas de Investigación de Operaciones


ING. BONIFACIO ROMAN TAPIA
ÍNDICE
I. Concepto de sistema

I.1 Definición

I.2 Clasificación
II. Evolución del estudio de los sistemas

II.1 Teoría General de los Sistemas

II.2 Corriente de los Sistemas
III. Método sistémico

III.1 Problema

III.2 Los diferentes enfoques

III.2.1 Metodología de los sistemas

III.2.2 Modelo conceptual

III.2.3 Método de los sistemas

III.3 Análisis de un sistema
Glosario
Bibliografía

FUNDAMENTOS DE SISTEMAS
CONCEPTO DE SISTEMA
1.1 .- Definición

En la actualidad el término sistema se aplica en forma genérica para designar casi a cualquier ente el cual esté formado por elementos físicos o no, y que estén agrupados y estructurados de determinada manera que forman un conjunto definido y específico. Así decimos: sistema escolar, sistema educativo, sistema de transporte, sistema político, sistema social, sistema numérico, etc. Al hablar de un sistema nos referimos a la forma como un conjunto de elementos llevan a cabo una función con un objetivo determinado. Es decir, que estos elementos interactúan entre sí, para un fin común.


La idea de sistema viene de las ciencias biológicas, debido a los trabajos del biólogo Ludwing von Bertalanffy, quien describiera este concepto en su obra “Teoría General de los Sistemas”.
En cada disciplina, acorde con los problemas que enfrenta, se tiene una concepción particular de sistema, con sus propias definiciones, principios, supuestos e hipótesis. Pero luego se da un movimiento que las reúne, y establece un parentesco mutuo.
El concepto de sistema ha tenido varias definiciones de acuerdo a la consideración del analista en su campo, aunque todas se relacionan y enfocan a lo mismo.
En años recientes surgieron dos tendencias en este sentido: una fue que cada disciplina reclamaba el concepto de sistema como parte de su campo, en tanto que la otra fue que se debería poder identificar, extraer y reformar algunos conceptos bastantes generales de sistemas, de forma relativamente fija con respecto a estas disciplinas. A continuación se anotan algunas de ellas. [6, p. 233]


  • Es una entidad que consiste de partes interdependientes (M. A. Cárdenas: 1978).




  • Un todo complejo, un conjunto de cosas o partes conectadas, un departamento de conocimientos o convicción, considerado como un todo organizado.(Oxford English Dictionary).




  • Conjunto ordenado de procedimientos, relacionados entre sí, que contribuyen a realizar una función.




  • Es una serie de funciones, pasos o procedimientos con una colocación tal, que permiten obtener un resultado predeterminado.







  • Forma o manera como un elemento o conjunto de elementos lleva a cabo una función con un objetivo determinado. (Ochoa Rosso: 1982).




  • Un sistema es un conjunto de elementos que interactuan entre sí, con el fin de alcanzar un objetivo común.

Donde:


  • Elemento.- Partes o componentes del sistema.

  • Interactuar.- Relacionarse entre sí (punto de enlace).

  • Objetivo.- Fin hacia el cual se dirige la actividad.




  • Un sistema es un conjunto de objetos, junto con sus relaciones entre ellos y entre sus atributos. Donde:

  • Los objetos son las partes o componentes del sistema ilimitados en su variedad (por ejemplo, son objetos abstractos de admitida validez, las variables matemáticas, ecuaciones, reglas, leyes y procesos). Los atributos son las propiedades de los objetos. Las relaciones son aquello que enlaza al sistema en su conjunto. (Hall y Fagen: 1956).

Stanford Optner (1956) define los conceptos de objeto, atributo y relaciones de la siguiente manera, complementando las de Hall y Fagen.




  • Objetos: Son los parámetros de los sistemas: Entrada, Salida, control del “feedback” y restricción. Cada parámetro del sistema puede tomar una variedad de valores para describir un estado del sistema.




  • Atributos: Son las propiedades de los parámetros objeto. Una propiedad es una manifestación externa de la forma en que el objeto se conoce, observa o introduce en el proceso. Los atributos caracterizan a los parámetros del sistema, haciendo posible la asignación de valores y una descripción dimensional. Los atributos de los objetos pueden alterar el resultado de una operación en el sistema.




  • Relaciones: Son los vínculos que enlazan objetos y atributos en el proceso del sistema. Se postulan relaciones entre todos los elementos del sistema, entre sistemas y subsistemas, y entre dos o más subsistemas.

Como se puede ver, las distintas definiciones de alguna forma están referidas a lo mismo, por lo que se puede adoptar cualquiera, sin embargo se propone la siguiente, por sencilla y fácil de entender:


SISTEMA: Es la integración de un conjunto de elementos u objetos (físicos o abstractos) que se relacionan entre sí con un propósito común.
La siguiente figura trata de ilustrar el concepto de sistema con sus elementos internos cuya naturaleza de éstos es diversa de acuerdo al medio donde pertenezca el sistema en cuestión..


SISTEMA

a

E

S

b


c

Fig. I.1. Representación esquemática de un sistema con la interrelación entre sus elementos.

Donde:

E = Entrada



S = Salida

a, b y c son los elementos del sistema.
Todo sistema tiene integridad, esto es, de alguna forma todo elemento del sistema se encuentra relacionado, al menos, con otro elemento, y esto tiene un efecto sobre el comportamiento general del sistema.
El comportamiento particular de un conjunto de elementos no explica el comportamiento general de todo el sistema.
Todo elemento del sistema tiene sus atributos, esto es, sus propiedades.
Cabe mencionar que existen principios generales que se mantienen para todos los sistemas, sin importar la naturaleza de sus elementos o bien la relación entre ellos; referente a esta última se puede describir al sistema como una relación “entrada a un proceso y su salida correspondiente”, en otras palabras, existe un flujo que atraviesa el sistema, dicho flujo puede ser de información, materia, energía, etc.(Fig. I.2)


Proceso


Entrada Sistema Salida
Flujo de información energía o materia
Fig.I.2. Representación esquemática de un sistema simple

De igual manera estas relaciones se pueden extender a los subsistemas (Fig. I.3)




Fig. I.3 . Representación esquemática de un sistema simple con sus elementos como subsistemas.




Fig. I.4 Representación esquemática de un sistema con retroalimentación


Fig. I.5 Representación esquemática de un sistema con control en la retroalimentación.


Se llama elemento de un sistema a la unidad básica que interactua con los demás elementos del sistema y que tiene una función dentro del sistema. A su vez esta unidad básica puede ser un sistema por si misma que al pertenecer a un sistema mayor se la denomina subsistema.





  • Subsistema.- Los objetos pertenecientes a un sistema pueden considerarse partes del ambiente de otro subsistema. La consideración de un susbsistema implica un conjunto nuevo de relaciones. Es posible que el comportamiento del subsistema no sea completamente análogo al del sistema original.




  • Bertalanffy (1950) se refiere a la propiedad del orden jerárquico de los sistemas: ésta es simplemente la idea antes expresada en cuanto a la partición de los sistemas en un subsistema, podemos afirmar que los elementos de un sistema pueden ser sistemas de orden inferior (Bertalanffy 1968).[2, p... ]



I.2. -CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS.
La forma como se lleva a cabo la función de un sistema la conforman los siguientes componentes:[7, p.31]


  1. Los elementos que intervienen en la función, ya sea en forma activa o pasiva.

  2. Los elementos que no intervienen en dicha función.

  3. Los elementos que se ven afectados directa o indirectamente por la actividad productiva.

  4. La liga entre los elementos que intervienen.

  5. El mecanismo utilizado para desarrollar la función.

  6. La bondad con que el sistema desarrolla la función.

  7. Los recursos que utiliza para la función.

A continuación se describen los diferentes conceptos en la clasificación de los sistemas:

De acuerdo a su cambio de posición en el tiempo: estático o dinámico
Estático

Sistema


Dinámico

Sistema estático:

Es definido por la geografía y anatomía del universo. Es una representación de un sistema en determinado punto en el tiempo [9, p.1189].


Sistema dinámico:

Aquellos que tiene ciertos movimientos necesarios. Es una representación de como evoluciona un sistema a través del tiempo.[9, p.1189]

De acuerdo a su discrecionalidad en: discreto o contínuo

Discreto


Sistema

Continuo


Sistema discreto:

Es aquel en el cual las variables de estado cambian sólo en puntos discretos o contables en el tiempo. Un banco es un ejemplo de sistemas discretos ya que las variables de estado cambian sólo cuando llega un cliente, o cuando un cliente termina sus trámites y se va. Estos cambios tienen lugar en puntos discretos en el tiempo.[9, p.1188]


Sistema continuo:

Es aquel en el que las variables de estado cambian en forma continua a través del tiempo. Un proceso químico es un ejemplo. En este caso, el estado del sistema varía continuamente a través del tiempo. Estos sistemas se modelan en general mediante ecuaciones diferenciales.[9, p.1189]


De acuerdo a su interacción con su medio ambiente: abierto o cerrado.
Abierto

Sistema

Cerrado

Sistema abierto:

La mayor parte de los sistemas orgánicos son abiertos, lo cual significa que intercambian energía con sus ambientes. Consideremos una computadora digital como un sistema abierto, éste existirá en estado si proveemos formas ”altas” de energía como la energía eléctrica, la energía humana para el mantenimiento, las piezas de repuesto, etc. y si eliminamos formas “bajas” de energía tales como el calor o las lámparas gastadas.


En esta condición como su insumo en forma de datos y un programa de direcciones, transformando los datos como lo especifique el programa y presentando los resultados como su producto.
Es un auxilio poderoso el análisis de lo sistemas abiertos mediante el reconocimiento de sus aspectos de red. Los sistemas de transporte, comunicación, tuberías y distribución de energía tienen características de una red.

Sistemas cerrados:
Un sistema es cerrado si no hay importación o exportación de información, calor o materiales físicos, y por ende no hay cambio de componentes. Un ejemplo es una reacción química que ocurre en un recipiente sellado o aislado; este ejemplo sugiere que uno de los usos del concepto de un sistema cerrado es la simplificación del modelo físico y su adecuación para el análisis. El que un sistema dado sea abierto o cerrado depende de la porción del universo que se incluya en el ambiente.
Por ejemplo la segunda ley de la termodinámica es universalmente aplicable a los sistemas cerrados; sólo parece ser violada por los aspectos orgánicos. Sin embargo, la segunda ley sigue aplicándose al sistema orgánico y su ambiente.

Por la certidumbre de sus resultados se clasifican en probabilísticos y determinísticos.

Probabilístico

Sistema


Determinístico

Sistema Probabilístico:

Los modelos de sistemas que se basan en las probabilidades y en las estadísticas y que se ocupan de incertidumbres futuras. Los sistemas probabilísticos no usan valores precisos y determinados, y se desconoce el resultado final que el sistema arrojará.


Sistemas Determinísticos:

Son modelos de sistemas cuantitativos que no contienen consideraciones probabilísticas. Los sistemas determinísticos usan valores precisos y determinados, y se conocen de alguna manera los resultados finales del sistema.

Otra clasificación es la de Stafford Beer (1959).

Determinista Simple

Sistema

Probabilista Complejo

De acuerdo a su origen se clasifican en naturales y humanos.


Naturales


Sistemas Sociales

Humanos Existentes

Productivos

No existentes
Sistemas naturales:

Son todos aquellos creados por la naturaleza.

Podemos llegar a pronosticar su comportamiento aplicando el método científico.

Ejemplos que utilizamos para ejemplificar estos sistemas son: la lluvia, las estaciones del año, el sistema planetario solar, etc. [ 7 ]


Sistemas humanos:

Son aquellos diseñados por el hombre. (El hombre con mentalidad sistemática, describe y explica los fenómenos, altera y predice su comportamiento y los crea).


Como se puede observar, los sistemas pueden caer en más de una clasificación.
Por ejemplo: un sistema puede ser humano, abierto y determinístico; o puede ser natural, abierto y probabilístico; etc., pero la clasificación más importante es la de sistemas humanos y naturales ya que todos los sistemas con los que tenemos contacto o están hechos por el hombre o están hechos por la naturaleza. Cabe mencionar que las otras clasificaciones se realizan cuando ya esta bien definido si el sistema es humano o natural.
Los sistemas pueden ser físicos o conceptuales; pueden incluir entes materiales y existir en el espacio-tiempo real, o pueden incluir conceptos como componentes. Los sistemas se pueden clasificar también en formas tales que describan el grado y tipo de compromiso humano implicados.
Los sistemas, sean físicos o conceptuales, se pueden considerar como poseedores de una estructura o morfología, es decir, de un ser soportando cambios internos (endógenos) en el tiempo; y en el caso de sistemas abiertos, soportando cambios irreversibles externos (exógenos) en el tiempo.
El sistema es algo más que la suma de sus subsistemas.
Un sistema se clasifica de acuerdo al interés de estudios y siempre se podrá subir o bajar el nivel de resolución para definir un sistema “mayor” o “menor”. Ahora bien, ¿qué supone el “tamaño de un sistema”?.


  1. El medio ambiente del sistema. Es el conjunto de todos los sistemas que se relacionan con él. El interés en su estudio debe ser mínimo que influya en el funcionamiento del sistema de interés, lo que lleva a considerarlos como parte del sistema mismo.




  1. El propio sistema definido en un determinado nivel de resolución.




  1. Los subsistemas del sistema. Son partes del conjunto que manifiestan una cierta riqueza de intercomunicación y que los distingue de las otras partes del sistema como un todo, pero claramente son parte del sistema “más amplio”.




  1. Los elementos del sistema (o componentes). Las “más pequeñas” partes del sistema, el “más bajo” nivel de detalle que se puede considerar: es de interés su conducta, pero no su estructura.

Boulding (1956) clasifica a los sistemas en orden de complejidad jerárquica, a saber; véase la siguiente gráfica donde el número uno es el nivel más bajo en complejidad y es definido por la morfología del universo hasta llegar al nivel nueve que comprende lo último, lo absoluto y lo no explicable o entendible.




Nivel































9




Trascenden tal




8




Social







7




Humano










6




Animal













5




Genético Social
















4




Abierto



















3




Mecanismo de control






















2




Dinámico






















1

Estático





























A continuación se da una breve explicación de cada sistema de acuerdo a su nivel.




  1. Sistema Estático. Es definido por la geografía y anatomía del universo.




  1. Sistema dinámico. Aquellos que tienen ciertos movimientos necesarios.




  1. Sistemas con Mecanismos de Control. La transmisión y la interpretación de información es parte esencial.




  1. Sistema Abierto. Aquí la vida comienza a diferenciarse de lo sin vida.




  1. Sistema Genético-Social. Es tipificado por las plantas y domina al mundo empírico de la botánica.




  1. Sistema Animal. Es caracterizado por una incrementada movilidad, por un comportamiento teolológico, y una expectación propia.




  1. Sistema humano. El individuo humano es considerado como un sistema.




  1. Sistema Social: Su universo empírico es la vida humana y la sociedad con su complejidad y riqueza.




  1. Sistema Trascendental: Comprende lo último, lo absoluto y lo inentendible.

La clasificación dada hasta aquí no pretende ser exhaustiva, pero sí ver que la clasificación que se haga de un sistema siempre va a estar influenciada por la formación del analista responsable del estudio, dependiendo además del grado de su capacidad de abstracción y del nivel de resolución que se necesite.


II EVOLUCIÓN DEL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS
En los inicios del siglo XX y sobre todo después de la Segunda Guerra Mundial surgen varias disciplinas que se agruparon y se bautizaron con nombres como sistemas, teoría de sistemas, investigación de operaciones, pensamiento sintético, enfoque de sistemas, etc. La aplicación de estas disciplinas se dió en un amplio campo del conocimiento, entre estos, la investigación biológica (donde tuvo sus inicios con Bertalanffy), la electrónica, administración, ingeniería, economía, psicología, entre otras.
En la literatura sobre sistemas se encuentran títulos como: Análisis de sistemas, enfoque de sistemas, ingeniería de sistemas, administración científica, teoría general de sistemas, investigación de operaciones, técnicas de simulación, teoría de la información, cibernética, etc. Como se puede ver hay una diversidad de nombres para las corrientes de sistemas, para muchos ésto crea confusión no sabiendo si algunas son disciplinas puras o bien son combinación de algunas otras o, incluso, cuál contiene a cuál. Ante esto surge la preocupación y necesidad de que quienes trabajen en estas corrientes hablen un mismo lenguaje para poder comunicarse en los mismos términos.
La teoría de los sistemas no surgió del esfuerzo de la última guerra sino que se remonta a mucho más atrás y tiene raíces muy distintas del “hardware” militar y cuestiones tecnológicas afines.
Buckey (1967) afirma que la moderna teoría de los sistemas, aunque surgida a partir del esfuerzo de la última guerra, puede verse como culminación de un basto cambio de punto de vista.
La Teoría General de los Sistemas (TGS) es también frecuentemente identifícada con la cibernética y la teoría de control. Esto es asimismo incorrecto. La cibernética, como teoría de los mecanismos de control en la tecnología y la naturaleza, fundada en los conceptos de información y retroalimentación, no es sino parte de una Teoría General de los Sistemas; los sistemas cibernéticos son un caso especial de los sistemas que exhiben autorregulación. [p 2 ]

2.1 Teoría General de los Sistemas
Bertalanffy, en los trabajos que llevó a cabo, clasificó y estructuró de tal manera a los “sistemas” biológicos en un todo organizado, y observó que en otras áreas del conocimiento (biología, psicología, sociología, etc.) se introducen también conceptos que dan la idea de un estudio de integralidad, totalidades, sistemas; lo que él denominó “organizaciones”. Observó también que leyes y modelos parecidos se presentan en áreas diferentes del conocimiento, de ésto surge el concepto de “isomorfismo”, explicando que si bien los factores y elementos causales difieren, tienen los mismos principios por los cuales están gobernados. Estas similitudes estructurales o isomorfismos en áreas del conocimientos distintas hacen que se piense en estructurar a los sistemas en La Teoría General de Sistemas(TGS).
Bertalanffy sustenta la legitimidad de una teoría ya no de sistema biológicos o de cualquier clase particular, sino una teoría de los principios universales aplicables a las organizaciones en general, sea cual sea la naturaleza de sus elementos.
En los años 50’s el comportamiento de la realidad se representaba mediante modelos puramente matemáticos o teóricos con resultados no del todo satisfactorios. Para remediar esto, Buolding (1956) propone también la Teoría General de Sistemas como un esqueleto de la ciencia que proporciona un marco o estructura a los sistemas.
La teoría de sistemas aparece en un momento donde las distintas disciplinas teóricas (Física, Biología. Sociología, etc.) se encontraban resolviendo problemas específicos, afectándose con esto el proceso del conocimiento, ya que la especialización se hacía más necesaria para poder resolver problemas particulares. Las subdivisiones interdisciplinarias crecían cada vez más y la pérdida de la comunicación entre ellas aparecía ocasionando disgregación del conocimiento.
La T.G.S. pretendía desarrollar un tipo general de percepción de información de tal manera que se pudiera crear una comunicación continua entre los distintos científicos y especialistas.
La T.G.S. surge inmediatamente después de un movimiento interdisciplinario el cual dio origen a disciplinas híbridas como la Psicología Social, Biofísica, Bioquímica, etc.
La inquietud de Bertalanffy y de Boulding se vio satisfecha cuando en 1956 tomaron parte en la fundación de la “Society for the Advancement of General Systems Theory”, que un año después tomó el nombre de “Society for General System Research”(Phillip E. Hicks, pag. 72).
La Sociedad para la Investigación General de Sistemas fue organizada para impulsar el desarrollo de sistemas teóricos aplicables a más de uno de los compartimentos tradicionales del conocimiento. Sus funciones principales son:


  1. Investigar el isomorfismo de conceptos, leyes y modelos en varios campos y fomentar provechosas transferencias de un campo a otro.




  1. Estimular el desarrollo de modelos teóricos adecuados en los campos que carecen de ellos.




  1. Minimizar la repetición de esfuerzos teóricos en diferentes campos.



Formas para obtener la estructura de un sistema.
Existen dos maneras de obtener la estructura para la T.G.S.:
a). Buscar en las distintas disciplinas fenómenos comunes en cada una de ellas y crear los modelos teóricos asociados a estos fenómenos. Para esto se manejarán conceptos como población, medio ambiente e individuo, crecimiento e interrelaciones entre individuos.
b). Dentro de un sistema analizar la estructura de organización de cada uno de sus elementos, y desarrollar un nivel de abstracción (tomar lo relevante) del elemento.

Existen aspectos académicos de la teoría de sistemas, de los cuales se podía enseñar en tres niveles de formalización:[4, p.239]


1. Principios

Desarrollar el análisis y diseño teniendo constantemente presente al sistema como un todo.


Suponer la existencia a priori de relaciones internas entre elementos, subsistemas y relaciones externas con el medio ambiente del sistema. Estar preparados para relaciones inesperadas o latentes, aparte de las sugeridas por la rutina, experiencia, simple sentido común e intuición.
Reconocer de manera explícita los postulados o acciones que influyen en el diseño de sistemas.
2. Métodos

Los métodos o procedimientos expresan un estilo relativamente normativo las reglas mejor conocidas del arte y a veces se expresan en manuales editados. Por lo que hace a los sistemas suele explicar cómo se distribuyen los distintos pormenores con respecto al tiempo, al espacio y a la administración.


3. Técnicas

Por tanto, se relacionarán las estructuras complejas con sus elementos e interacciones. Son típicas: los métodos de programación, la simulación con computadoras, las técnicas de confiabilidad, seguridad y de capacidad de mantenimiento.


Algunos de los términos y conceptos más usuales en la TGS son: sistemas abiertos y cerrados, organización, equifinalidad, homeostasia, estado estable, regulación, equilibrio, entropía e isomorfismo y consiste fundamentalmente en la clasificación de los sistemas, con un grado de integración a la organización que comprende cada sistema.


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