Enfoque de sistemas

El Enfoque de Sistemas (Teoría de sistemas, Pensamiento sistémico, Teoría General de Sistemas, Ciencia de los sistemas, Sistémica) es el estudio interdisciplinario que proporciona una visión general para la solución integrada y holística de problemas de diversa naturaleza (científicos, sociales, económicos, ecológicos, etc.) con un énfasis en los patrones de cambio y las interacciones, y la integración y transferencia de conocimientos, conceptos y principios de diversas áreas, reduciendo la duplicación del esfuerzo teórico. Este enfoque pretende encontrar reglas y métodos útiles para aplicarse a cualquier tipo de sistema, independientemente del área específica de estudio. De un enfoque no sistémico se dice que es reduccionista.

1. Dominios del enfoque de sistemas

El dominio filosófico, llamado pensamiento sistémico, comprende la ontología, epistemología y axiología de los sistemas. La pregunta clave es: ¿cómo se pueden entender los sistemas?

El dominio científico, llamado teoría general de sistemas, abarca el conjunto de conceptos y principios relacionados entre sí y que se aplican a todos los sistemas y que van más allá de sus fronteras.

El dominio tecnológico, llamado metodología de sistemas, incluye el conjunto de modelos, estrategias, métodos y herramientas que instrumentaliza la teoría de sistemas y el pensamiento sistémico.

La interacción de estos tres dominios permite su aplicación sistémica a sistemas vivos, sociología, biología sistémica, fisiología, literatura, organizaciones, computación, ingeniería de sistemas (en su significado correcto, no como ingeniería informática), dinámica de sistemas, teoría de los sistemas dinámicos o teoría matemática de los sistemas, entre otros. En la aplicación se validan o modifican los tres dominios anteriores.

2. Algunos conceptos sistémicos

Actuador

Dispositivo responsable de entregar una señal para manipular un sistema determinado a partir de una fuente de energía (eléctrica, neumática, hidráulica, magnética, térmica, piezoeléctrica o mecánica) y de acuerdo con una señal de actuación entregada por un controlador automático o manual.
Si los valores de la señal de actuación superan su capacidad, entonces se presenta un fenómeno de saturación del actuador, el cual debe tenerse en cuenta en el diseño del controlador.
Ejemplos de actuadores: motor eléctrico, cilindro hidráulico o neumático, servomecanismo, solenoide, válvula, fuente manipulable de calor, entre otros.

Adaptación

Cambio evolutivo que un sistema realiza para hacer frente a los cambios del entorno mientras mantiene su estructura (usualmente involucra una modificación progresiva de ciertas estructuras, interacciones o valores deseados).

Alopoiesis

Proceso por el cual un sistema produce algo diferente de lo que utiliza.
Ejemplos: línea de ensamblaje, procesos de manufactura.
Lo contrario es autopoiesis.

Análisis

Proceso de identificación y examen cualitativo o cuantitativo de los componentes y relaciones de algo (sistema, objeto, sujeto, sustancia, texto, situación, etc.) para lograr acceder a su interpretación.
En el análisis se separan los aspectos básicos, se someten a un examen y reflexión para describir sus propiedades y funciones, se resume la información básica obtenida (diagramas de flujo, mapas mentales, cuadros, gráficos) y se unen los resultados obtenidos a conocimientos previos dentro de un marco de conocimiento establecido.
A partir de un adecuado análisis se da respuesta a preguntas del tipo "porqué" y "cómo", es decir, da una interpretación o sentido a los resultados observados.
El análisis es un proceso de pensamiento "dentro de la caja" (inside-of-the-box), contrario a la síntesis.

Analogía

Proceso de establecimiento de correspondencia entre algunos aspectos de objetos o procesos que de otra manera serían diferentes.
Concluir algo por analogía entre dos cosas significa inferir de hechos conocidos otros aspectos aún no examinados.
En la teoría de los modelos, una analogía entre dos sistemas se explica por un sistema más simple que los modela a los dos, pero con diferentes homomorfismos

Asociación

Conexión cognitiva entre dos o más conceptos o ideas de manera que la presencia de uno tiende a evocar a los demás.

Autonomía

Condición de un sistema en la cual existe una independencia de un sistema superior que lo supervisa

Autoorganización

Proceso de redistribución interna de un sistema, sin participación y guía de un agente externo, que lleva a la formación de un sistema más complejo.
Los sistemas autoorganizados exhiben propiedades emergentes

Causalidad

Condición que relaciona dos o más acontecimientos de modo que uno causa o produce el otro (efecto).
Un acontecimiento es la causa de otro si el acontecimiento ocurre antes del efecto, hay una conjunción invariante de los dos acontecimientos y ninguna tercera variable controla a ambos o media entre ellos.

Cibernética

Ciencia dedicada al estudio de los métodos de comunicación, control y autoorganización comunes a máquinas y organismos vivos.

Complejidad y emergencia

Cualidad de un sistema en el cual las interacciones entre los elementos generan propiedades nuevas que no pueden explicarse a partir de las propiedades de los elementos aislados. Dichas propiedades se denominan propiedades emergentes.
Por ejemplo, la conciencia es un fenómeno emergente, ya que cada una de las neuronas por separado no tiene conciencia.

Comportamiento

Secuencia de estados de un sistema

Comunicación

Proceso de transmisión y recepción de información mediante un código común entre el emisor y el receptor.

Control

Proceso de selección del valor de las entradas de un sistema de manera que los estados o salidas tengan un comportamiento deseado.
Un sistema de control es un conjunto de sistemas (proceso, controlador) y dispositivos (actuador, sensor, computador, convertidores y adaptadores de señal, entre otros) que interactúan para el logro de un objetivo deseado.

Cooperación

Tipo de actividad entre dos o más subsistemas de un sistema que involucra un intercambio beneficioso para todos.

Coordinación

Proceso de comunicación que busca la organización de un sistema por medio del trabajo armónico de algunos subsistemas, independientemente de otro tipo de comunicación que pueda existir entre ellos.

Determinístico

Atributo de un sistema que describe un comportamiento que no depende del azar.
Lo contrario a determinístico es estocástico.
Un sistema es determinístico si se especifica sin probabilidades y es predecible sin incertidumbre una vez que las condiciones relevantes se conocen.
Aunque la mayoría de los sistemas incluyen señales estocásticas, una práctica común y exitosa consiste en considerar que los sistemas dinámicos son determinísticos y tratar las señales desconocidas e impredecibles como perturbaciones, las cuales se aproximan, cuando es necesario, como señales aleatorias de alta o baja frecuencia

Diseño

Concepción inicial de un sistema u obra, por medio de dibujos, esquemas, bocetos o modelos, para su futura implementación o producción, durante o posterior a un proceso de observación de alternativas.
El diseño requiere de consideraciones funcionales, estéticas y simbólicas, junto con un método, para integrar requerimientos técnicos, sociales, económicos, éticos, entre otros.
Se puede hacer diseño por análisis (se analizan los parámetros del sistema y se ajustan para lograr un comportamiento deseado) o diseño por síntesis (se introducen nuevos subsistemas).

Entorno

Conjunto de todos los factores externos o fuerzas que están más allá de la influencia de un sistema, pero que afectan las consecuencias de sus acciones.
Dependiendo del tipo de sistema, éste puede interactuar con el entorno por medio de un intercambio de masa, energía, momento lineal, momento angular, carga eléctrica, información u otras propiedades de conservación.
El entorno es generalmente ignorado en el análisis del sistema, excepto en lo que respecta a estas interacciones, las cuales se consideran perturbaciones.
Es un concepto útil en modelación y simulación de sistemas dinámicos.

Entrada

Variable exógena manipulable que se aplica a un sistema para modificarlo de alguna manera.
A una variable similar no manipulable se le denomina perturbación.

Entropía

Medida del desorden, desinformación, variación, dispersión, incertidumbre, diversidad o distribución aleatoria de un sistema.
En un sistema aislado la entropía tiende a crecer.
En la teoría de la información, la entropía mide la cantidad de información que se pierde antes que llegue al receptor.

Escenario

Conjunto de eventos hipotéticos y factores alternativos que se combinan para generar un resultado futuro.

Estabilidad

Condición en la cual las variables de un sistema se mantienen dentro de unos límites determinados cuando es sometido a perturbaciones externas.

Estado

Valor de un conjunto mínimo de variables internas de un sistema que permiten, junto con las variables de entrada, determinar totalmente el comportamiento futuro del sistema.

Estocástico

Atributo de un sistema que describe un comportamiento aleatorio o al azar.
Lo contrario a estocástico es determinístico.

Evento

Acontecimiento (resultado o subconjunto de resultados) en un conjunto de posibles resultados, al cual se le puede asignar una probabilidad.
Un evento ocurre en un instante determinado del tiempo y marca un cambio en el estado de un sistema.
Un evento puede ser un tipo de perturbación (externa) o puede ser considerado como un estado interno que puede o no cambiar con cierta probabilidad.
Ejemplos de eventos (ocurre o no): activación de un botón, encendido de la calefacción, temperatura máxima alcanzada, ruptura de un elemento, logro de un objetivo.

Evolución

Proceso de cambio continuo de un sistema desde un estado inferior a uno mejor o más complejo.
La evolución es un proceso esencialmente estocástico y se aplica a la interacción entre sistemas y sus entornos, y no a elementos particulares.

Holismo

Proceso de enfocar la atención directamente en el conjunto y sus características como un todo, sin ninguna consideración de sus partes.

Homeostasis

Proceso de autorregulación en un sistema mediante el cual puede mantener su condición esencial (estabilidad o estado estacionario, por ejemplo) dentro de límites aceptables cuando se enfrenta a perturbaciones o cambios en su estructura.
La homeostasis requiere de un mecanismo de control, por lo que es una característica de los sistemas autorregulados.

Homomorfismo

"Correspondencia no biunívoca entre dos estructuras algebraicas que conserva las operaciones" (DRAE).
Los homomorfismos son importantes para establecer si un sistema es un modelo de otro y cuáles propiedades del sistema original se conservan en el modelo.

Incertidumbre

Falta de certeza en la información, donde es imposible describir con exactitud el estado existente o un resultado futuro
Depende del observador y se origina por datos inexactos, errores en las mediciones, información incompleta o un contexto ambiguo.

Información

Conjunto de datos organizados y correlacionados que se generan, almacenan, analizan, interpretan o transmiten para formar un mensaje que reduce la incertidumbre y cambia el estado de conocimiento del receptor.
Un dato aislado no es información, como tampoco datos no relacionados.
Para que aparezca la información debe haber un enlace entre los fragmentos de los datos.

Isomorfismo

Delineamiento de una entidad en otra que tiene la misma estructura elemental, por lo cual los comportamientos de las dos entidades son idénticamente descriptibles.

Magnitud

Propiedad física que puede medirse
Puede ser un parámetro o una variable

Modelo

Representación mental, gráfica, a escala, analógica o matemática aproximada y simplificada de ciertos aspectos de un sistema o fenómeno a partir de ciertas suposiciones, y el cual es utilizado para su descripción, análisis, explicación, control o predicción
La modelación (modelización, modelado o modelamiento) es el proceso de construcción de cualquier tipo de modelo, bajo ciertas condiciones o suposiciones.

Morfostasis

Proceso que tiende a mantener determinada forma o estructura de un sistema, organización o estado, dentro del complejo sistema de interacción con el entorno.

Organización

Disposición de relaciones y procesos (comunicación, coordinación) que definen un sistema como una unidad diferente y determina la dinámica de la interacción y las transformaciones que puede sufrir como una unidad.

Parámetro

Magnitud constante que determina la estructura de un sistema mediante su valor numérico y que lo distingue de otro semejante, por lo que los parámetros determinan cómo las entradas se transforman en salidas; en un modelo matemático son los valores que no son variables.

Perturbación

Variable externa determinística o aleatoria, medible o no medible, no deseada y no manipulable, aplicada a un sistema y que afecta adversamente su comportamiento.
Ejemplos de perturbaciones: calor repentino generado por un incendio (evento), un voltaje adicional aplicado al proceso por un daño o error, cambio continuo de la temperatura ambiental (aleatoria).
La presencia de perturbaciones hace necesario la implementación de sistemas de control de lazo cerrado; si no hay perturbación no se requiere del control y es suficiente con aplicar unas reglas para alcanzar un objetivo, implementadas como un control en lazo abierto.
A diferencia de una perturbación (aplicada en el canal de entrada), un ruido afecta una medición de una variable (afecta directamente el canal de salida), mas no al sistema mismo.

Proceso

Operación o desarrollo natural progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en una forma relativamente fija y que conducen a un resultado o propósito determinados.
Ejemplos: procesos químicos, económicos y biológicos.
Tipos de procesos: continuo, por lotes (batch), semilote (combinación de los dos primeros).
Se le denomina proceso al sistema sobre el cual se concentra un estudio.

Realimentación

Mecanismo mediante el cual la salida de un sistema es reutilizada para controlar su comportamiento, formando un lazo cerrado.
La realimentación puede ser positiva (aumenta el error o desviación con respecto a un objetivo dado) o negativa (reduce el error o desviación con respecto a un objetivo dado).
La realimentación tiene efecto sobre la estabilidad, sensibilidad, rechazo de perturbaciones, entre otros comportamientos de un sistema dinámico.

Recursividad

Propiedad de un proceso real o abstracto por la cual un resultado suyo es utilizado de nuevo por el proceso.
Se habla de soluciones recursivas o recurrentes si se la solución se construye a partir de una solución anterior que se va mejorando progresivamente: $\mathrm{\hat{\theta}(}t)=\mathrm{\hat{\theta}(}t-1)+\Delta \mathrm{\theta (}t)$ .

Ruido

Información indeseada en un canal de comunicación de un sistema que no es parte del mensaje o señal deseados.
El ruido es una señal que se sobrepone a una señal conocida, generalmente una señal medida (salida), y afecta la medición de una variable, mas no al sistema mismo.
La relación señal/ruido es la relación que hay entre la potencia de la señal que se transmite y la potencia del ruido indeseado (también se puede dar como una relación ruido/señal); una relación ruido/señal pequeña minimiza el impacto negativo del ruido.

Salida (respuesta)

Variable de un sistema que representa un cambio observable y medible, generalmente como respuesta a una entrada.

Sensibilidad

Relación existente entre el cambio en un factor de un modelo y su efecto en el comportamiento que predice o explica (salida escalar o vectorial).

Sensor

Dispositivo sensible a una magnitud del entorno que entrega permanentemente una variable (generalmente una señal eléctrica) proporcional a dicha magnitud o a un cambio en su estado, y que un humano o una máquina puede interpretar.
Un sensor análogo o digital es parte fundamental de un sistema de control, dado que permite tener realimentación constante del comportamiento del sistema.
Características de un sensor: rango de medida, linealidad, precisión, resolución, sensibilidad, velocidad de respuesta.
Ejemplos de variables que miden los sensores: posición lineal o angular, velocidad lineal o angular, aceleración lineal, fuerza, torque, temperatura, humedad, presión, flujo, inclinación, presión sonora (sonido), acidez, intensidad luminosa, color, humo, gas, alcohol, movimiento.

Señal

Representación física de una variable.
A una señal le corresponde una variable y viceversa, por lo que en la mayoría de los casos pueden considerarse equivalentes y solo se diferencian por el contexto (señal en diagramas de flujo y variable en expresiones matemáticas).
Existen cuatro tipos de señales:

Señal de tiempo continuo: (1) Señal analógica (tiempo continuo, señal continua), (2) señal cuantificada (tiempo continuo, señal discreta).
Señal de tiempo discreto: (3) señal de datos muestreados (tiempo discreto, señal continua), (4) señal digital (tiempo discreto, señal discreta)

Sinergia

"Acción de dos o más causas cuyo efecto es superior a la suma de los efectos individuales" (RAE).
La sinergia se refiere a los beneficios de la cooperación en oposición a los esfuerzos individuales, es decir, una propiedad inherente a un sistema.

Síntesis

Proceso de obtención de un todo coherente (objeto, sustancia, texto, idea, situación, etc.) a partir de la combinación de componentes o elementos más sencillos y bien definidos, haciendo énfasis en la relación entre ellos.
En la síntesis primero se define todo el sistema y su entorno, luego se obtiene un esquema general de funcionamiento a partir de las conexiones de los componentes y, finalmente, se conectan para funcionar como un todo. La síntesis es un proceso de pensamiento "fuera de la caja" (out-of-the-box), contrario al análisis y más relacionado con el enfoque de sistemas.

Sistema

Conjunto de elementos unidos y en interacción (no necesariamente con un objetivo definido).
El concepto puede aplicarse a fenómenos materiales o abstractos, tales como fenómenos físicos, químicos, biológicos, ecológicos, económicos, sociales, matemáticos, entre otros.
Todos los sistemas están compuestos por elementos, tienen una estructura, tienen sinergia e interactúan con su entorno.

Sistema abierto

Sistema que interactúa con el entorno con un intercambio de materia, energía, información u organización (estructura).

Sistema cerrado

Sistema en el que no se considera su interacción con el entorno y, por lo tanto, su comportamiento puede explicarse completamente desde adentro a partir de las variables y parámetros del mismo sistema.

Sistema dinámico

Sistema de tiempo continuo o discreto con un número finito de grados de libertad y que puede representarse matemáticamente por medio de ecuaciones diferenciales (o en diferencias) que dependen del tiempo.
La existencia de una ecuación diferencial (o en diferencias) asociada a un sistema, la necesidad de especificar ciertas condiciones iniciales o la dependencia de los valores pasados de las variables, son indicios de que el sistema es dinámico; se dice en estos casos que el sistema tiene memoria.
Un sistema dinámico se caracteriza por su modelo matemático, diferentes tipos de variables, parámetros, condiciones iniciales y perturbaciones.
Lo contrario a un sistema dinámico es un sistema estático.

Sistema estático (función matemática)

Sistema continuo o discreto que se puede modelar matemáticamente por medio de ecuaciones algebraicas (funciones) que relacionan directamente las salidas con las entradas.
Si no hay necesidad de especificar condiciones iniciales ni una dependencia de los valores actuales de las variables de sus valores pasados, entonces el sistema es estático; se dice en estos casos que el sistema no tiene memoria. Lo contrario a un sistema estático es un sistema dinámico.

Variable

Magnitud que cambia con el tiempo y puede tomar un valor cualquiera de un conjunto dado.

Variedad

Medida del número de distintos valores que una variable puede tomar.
A mayor variedad de la entrada de un sistema, mejor su control (ley de variedad necesaria).

3. Algunas leyes y principios sistémicos

Un principio es una proposición o verdad fundamental aceptada a partir de la cual se empieza a estudiar las ciencias o las artes. Los principios científicos son leyes de la naturaleza que no se pueden demostrar explícitamente, pero que se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen. Cada ciencia establece el tipo de principios o causas que determinan su investigación, sobre los cuales establece su método. Los principios no son universales e irrefutables, sino un punto de partida.

Principio de autoorganización

Todos los sistemas aislados, obedeciendo a leyes inmutables, desarrollará entidades que se adaptan a sus entornos.
Implicación: un poco de caos o conflicto es bueno para promover el crecimiento y el aprendizaje

Principio de jerarquía

Un sistema siempre está contenido en otro sistema

Principio de mínimo esfuerzo

Un sistema tratará de adaptarse a su entorno o cambiarlo para satisfacer sus necesidades, lo que sea más fácil.

Principio de parsimonia (o "navaja de Ockham", siglo XIV)

En igualdad de condiciones, al explicar un fenómeno se debe elegir siempre la explicación más simple, es decir, la que requiere el menor número de suposiciones no probadas y que, por lo tanto, tiene la mayor probabilidad de ser correcta.
Por supuesto, si la explicación es sencilla, pero con muchos supuestos no demostrados, no se debería aceptar sobre otra explicación más compleja, pero con suficientes pruebas demostradas.

Principio de subsidiariedad

Los problemas se resuelven mejor en el subsistema de donde surgen, sin necesidad de informar a una autoridad superior

Principio de suboptimización

La optimización de cada subsistema independiente no conduce, en general, a un sistema óptimo.

Principio del conocimiento incompleto

El modelo incorporado en un sistema de control es necesariamente incompleto.
Este principio es una consecuencia de que un modelo sea una simplificación del sistema real que representa.

Principio de eventos de baja probabilidad

El propósito fundamental de un sistema no debe ponerse en peligro, ni sus objetivos fundamentales deben comprometerse de manera significativa, con el fin de dar cabida a eventos de probabilidad extremadamente baja.

Ley de variedad necesaria (ley de Ashby)

A mayor variedad en la salida de un controlador, mayor es la variedad de las perturbaciones que puede compensar.

Ley de los modelos de regulación

Todo buen regulador de un sistema debe contener un modelo de ese sistema.
Es decir, todo regulador exitoso y simple debe ser isomórfico con el sistema que está siendo regulado, por lo que se hace necesario un modelo del sistema.
Implicación: esta ley impulsa a considerar y crear un modelo de lo que se está regulando.