Лекции у Макаровой и Хасановой+вопросы к экзамену / Л1_введение

ЛЕКЦИЯ 1

Введение

Цель, задачи и содержание дисциплины

Бурное развитие науки и техники за последние 50 лет привело к появлению новых научных направлений. Последние, как правило, появляются в связи с необходимостью изучения новых классов объектов, создания новых теорий и новых технологий (способов, приемов) проектирования, исследования, производства и эксплуатации этих объектов.

Одним из таких объектов явились большие и сложные системы, состояние которых характеризовалось огромным количеством переменных, а поведение во времени таких систем было далеко не предсказуемым. Сложные системы стали объектом исследований почти во всех отраслях человеческих знаний: в технике, в медицине, в социологии, в психологии, лингвистике, в экономике, в экологии, в биологии, в физике, математике, механике, электронике, кибернетике, информатике, в военном деле, политологии, в прикладных науках и т.д.

внешняя среда

план

решения

проба

принятие решения

исполнение

проблема

технология

решения

внешняя среда

внешняя среда

план

решения

проба

принятие решения

исполнение

проблема

технология

решения

изучение проблемы

Несмотря на большое различие в физической природе сложных систем, на различных абстрактных уровнях они имеют множество общих свойств и закономерностей, которые отражают системность вообще и системность человеческого познания и практики в частности.

На философском уровне эти свойства и закономерности изучает диалектический материализм (диалектика материального мира и диалектика мышления),

на общенаучном уровне  ОТС, системология, (системотехника),

на естественнонаучном уровне  кибернетика (в разных областях), теория управления, информатика, прикладная системотехника (системология), (системный анализ). (По отрасли).

материальный мир

практическая деятельность научное познание

С целью обобщения методов проектирования и исследования сложных систем появилось новое научное направление  ОТС (системология, системотехника). Причем в разных отраслях под разным названием: (в военном деле  исследование операций); а также системный анализ, теория организаций и т.д.

Что такое система?

Определение №1. Система (systema (греч)  целое, составленное из частей; соединение)  множество элементов (объектов), находящихся в отношениях (связях) друг с другом и образующих целостность (единство). Эта целостность обладает такими свойствами, которых нет ни у одного из элементов.

Примеры. Система: солнечная, образования, уравнений, организационная. Оборонная, показателей, знаний, техническая (ЛА), муниципальная, общественно-политическая, экономическая, экологическая, управления, планирования, контроля, зашиты, развития и т.п.

ОТС  научная дисциплина, изучающая наиболее общие закономерности в строении, функционировании, планировании, развитии, проектировании и т.д. различных классов систем (сложных систем различной физической природы) с целью их анализа и проектирования.

Системология  наука о системах (СЛ  ОТС).

Системотехника  научное направление, изучающие общесистемные свойства сложных технических комплексов, процессы их создания (проектирования), совершенствования, использования и ликвидации в целях получения максимального социального эффекта. (Только технических комплексов) (в практических целях)

Изучаемые ОТС законы и закономерности не зависят от конкретного типа систем т.к. они рассматриваются на достаточно абстрактном уровне. В то же время применение результатов ОТС к конкретным системам требует глубоких знаний предметной области.

Цель дисциплины ОТС  развитие у слушателей системного мышления и выработки некоторых практических навыков в области системы: исследований для использования их в процессе обучения и познания.

Предметом изучения ОТС являются:

 освоение старых и получение новых знаний;

 законы, принципы, закономерности в строении (структуре), планировании, проектировании, функционировании (поведении), моделировании, развитии и т.д. сложных систем различной физической природы (ССРФП);

 (способы) технологии (методы) целенаправленного формирования общесистемных свойств у сложных систем; анализа свойств С.С.; составление различных видов моделей; проведения оптимального планирования и управления, прогнозирования развития систем, разработка технологий обучения, методов адаптации и организации систем.

В результате прослушивания краткого курса по ОТС трудно стать высококвалифицированным специалистом в области системных исследований. Несмотря на это данный курс позволяет решить следующие задачи:

 развить в той или иной степени системное мышление,

 совершенствовать свои знания в любой области познания,

 расширять свою эрудицию,

 раскрепостить мышление, развить фантазию,

• дать толчок к творчеству, в большей степени раскрыть свои возможности,

• приобрести умение самостоятельно соединять крупицы знаний в единую систему;

• ставить системные проблемы и намечать пути их решения,

• приобрести умение проводить системные исследования, создавать организации и управлять ими.

ОТС как любая теория должна быть способной к:

1. обобщениям,

2. предсказаниям,

3. объяснениям,

4. постановке новых вопросов и проблем,

5. связями с важнейшими научными теориями и принципами,

6. ОТС должна быть истинной и правильно построенной (полной, непротиворечивой, независимой – критерии),

7. давать новые знания!

1.2. Связь ОТС с другими дисциплинами

Одной из проблем высшего образования является преодоление недостатков узкой специализации. Эти недостатки приходится преодолевать в процессе практической деятельности после окончания вуза: изучать самостоятельно то, чему не научили в вузе. Чаще всего это достигается большой ценой (через ФПК)! (В США - платят за дополнительные знания). При узкой специализации у человека с годами вырабатывается комплекс. Примеры старого подхода к обучению: нет конкретных знаний в прикладных областях.

Преодоление этого недостатка может быть осуществлено за счет усиления междисциплинарных связей в процессе обучения. Достигается это двумя путями:

1. путем введения дисциплины, не основных (не профилирующих) для данной специальности, например, для технологов читают курсы по информатике, электротехнике, для двигателистов – по информатике, ВТ, управлению; для электронщиков – технологию и конструирование.

2. путем введения наддисциплинарных курсов. Среди этих курсов центральное место занимает дисциплина ОТС. В некоторых случаях в учебный план вводят эквивалентные курсы: системология, системный анализ, системотехника, исследование операций. Цель у всех этих курсов одна – обучать студентов системному мышлению и основам грамотного проведения системных исследований, умению ставить и решать системные проблемы.

В частности, вы можете ответить на вопрос: как объединить знания, даваемые в отдельных дисциплинах, в единую систему знаний, способную помочь вам достичь высокого профессионального уровня в той или иной области человеческой деятельности?

После изучения основ системологии мы вернемся к рассмотрению специальности РС как некоторой системы знаний. Сейчас же отмечу, что специальность РС одна из немногих, которая объединяет столь большое количество дисциплин:

а) фундаментальные [математика, физика: (механика, электроника, оптика, электротехника)]

б) общетехнические: ТАУ, ТОЭ, прикладная механика, информатика, ВТ, технология, конструирование

в) специальные: автономные роботы, РТС спецназначения, САУ АД, ЛА, Роботами, Системы искусственного интеллекта, система технического зрения, приводы, информационно-измерительные системы и т.д.

Таким образом, в образовании четко проглядывается общая тенденция к движению от узких специализаций к универсализации, интеграции знаний, т.е. к подготовке специалистов широкого профиля.

1.3. Краткая история развития системных представлений.

Возникновение теории систем

Системные представления о мире, системный подход к изучению явлений и процессов складывались у человека с незапамятных времен, с момента начала его осмысленной практической деятельности. Под системным подходом мы будим понимать такой подход к исследованию объекта (явления, процесса), когда последний рассматривается как система.

Имеются три объективные причины развития системных представлений у человека:

1. системность строения и развития самого материального мира,

2. системность практической деятельности (эмпирическая),

3. системность мышления (познания, как основная форма научной деятельности)

Системность строения и развития материального мира является всеобщим свойством материи, формой ее существования и изучается подробно в диалектике как раздел философии.

Системность практической деятельности человека как активного и целенаправленного воздействия на окружающую среду проявляется:

• в наличии цели (все действия человека или группы людей преследует какую-либо цель);

• в наличии взаимосвязанных частей (сложные действия состоят из множества более простых действий, выполняемых в определенной последовательности для достижения поставленной цели) (сборка – разборка);

• в наличии структуры, т.е. все взаимосвязанные простые действия образуют вполне определенную структуру, т.е. структурированы;

• в стремлении порождать искусственные системы и организации (например, создание сложных технических устройств и сооружений; объединение в сложные и большие организации: государство, армия и т.д.).

Системность мышления связана с системностью мироздания, являясь ее следствием. В то же время мышление достаточно самостоятельно, ибо может в воображении порождать нереальные, но системные фантастические образы и конструкции. Не системность – это хаос (рождается в голове сумасшедшего). При своей практической же деятельности человек должен согласовывать системность мышления с объективной системностью природы. Первая должна адекватно отражать вторую.

Системность процесса логического познания проявляется в его структурированности, в разделении его (декомпозиции) на два взаимосвязанных процесса: анализ и синтез.

Анализ – разделение (декомпозиция) целого на части, представление сложной системы знаний в виде совокупности взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов и изучение ее свойств с какой либо целью.

Синтез – (процесс, обратный анализу) – объединение (композиция) отдельных компонентов (частей) в единую систему знаний для достижения определенной цели.

В зависимости от первоначально взятых базовых компонентов в результате синтеза новых знаний образуются новые синтетические науки (“пограничные “ науки): биофизика (бионика), мехатроника, кибернетика, биохимия, физхимия, ОТС, теория организаций, дианетика (наука выживания, наука о душевном здоровье человека) и т.д.

Сами новые полученные знания как результат познания также системны.

Системные представления первоначально развивались в самых различных и далеких друг от друга областях знаний. Первоначально они сформировались в философии, а затем уже начали формироваться в научно-технических областях знаний, в естественных науках, Только в первой половине ХХ века практически все науки пересеклись в одной точке, породив новое научное направление – ОТС, которая пытается обобщить методы исследований, закономерности, носящие всеобщий характер.

Конечно, системность, системный подход – это методология любой науки. Без системного мышления невозможно построить не одну теорию. Развитие системных представлений в конкретных науках – это история этих наук. Но мы рассмотрим только те моменты развития наук, когда сама системность рассматривалась как объект исследования. При этом ограничимся перечислением некоторых ученых и их вкладом в теорию систем (середина 19в. – середина 20в.).

Первые попытки установления универсальных научных принципов (опуская древних ученых – Аристотеля) были сделаны в 19 веке.

1. Андре Мари Ампер (физик) “Опыт о философии наук, или аналитическое изложение классификации всех человеческих знаний”, ч.1-1834, ч.2-1843,

• выделил специальную науку об управлении государством, назвал её кибернетикой (искусство управления),

• выявил системные особенности управления государством: наличие цели, оценка ситуации, принятие решения (мер) с учетом особенностей государства как системы (народа, религии, законов, организаций, истории и т.д.).

2. Б.Трентовский – польский филосов-гегельянец в 20-30 годах 19 века во Фрайбурском университете читал курс лекций по кибернетике, а в 1843 году опубликовал книгу “Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом”.

Цель кибернетики – построение научных основ практической деятельности руководителя (“Кибернетика”). Некоторые выводы:

• эффективное управление должно учитывать все важнейшие внешние и внутренние факторы, влияющие на объект управления;

• принятия управленческого решения должно регулярно пересматриваться в пространстве и во времени в связи со сменой текущей ситуации;

• формализовать деятельность человека как элемента системы сложно, но четкая формулировка цели, программы управления, четкое использование, контроль, поощрение и наказание – все это могут повысить эффективность управления;

• общественная система рассматривается как единство противоречий (сил), разрешение которых и есть развитие (движение) системы. Здесь осознана необходимость алгоритмизации человеческой деятельности, системность человеческих коллективов, групп, формальных и неформальных образований, сложность управления людьми.

К сожалению, кибернетика как наука управления не была воспринята и была позабыта, т.к. в ней не было практической необходимости.

С другой стороны к системным представлениям подходили с позиции поиска структурных закономерностей разнородных явлений.

3. Спенсер Герберт (англ. философ, социолог) (1820-1903) “Основные начала” С-ПТ., 1899

• необходимо дать высшие обобщения новейшей науки, истинные не только для одного порядка явлений, но и для всех порядков и могущие служить для их объяснений,

• объединение знаний должно происходить путём подведения менее широких классов явлений под более широкие,

• принципы дифференциации и интеграции (стали одним из важных принципов ОТС)

4. Минеролог, кристаллограф акад. Е.С.Федоров (1853-1919) в 1891 году писал, что

• может существовать только 230 разных типов (групп симметрии) кристаллической решетки, хотя любое вещество при определенных условиях может кристаллизоваться, но отсюда вытекает вывод общесистемный: многообразие природных тел реализуется из конечного числа базовых (исходных) элементов. Этот вывод справедлив для языковых систем, архитектурных конструкций, строения вещества на атомном уровне, музыкальных композиций и других систем.

5. Е.С.Федоров (1906), В.Банкрофт (амер. химик) (1911) (статья “Перфекционизм”) (общие законы совершенствования в природе): Принцип Ле Шателье-Брауна в химии является универсальным. В физике он называется (теоремой Де Мопертюи или) принципом наименьшего действия. В биологии называется законом выживания наиболее приспособленных. В экономике называется законом предложения и спроса. Системное определение этого принципа таково: система стремится к изменению таким образом, чтобы свести к минимуму внешнее воздействие /Система стремится к положению равновесия при прекращения действия внешних сил, выведших систему из равновесия/

Принцип Ле Шателье-Брауна (закон смещения термодинамического равновесия): внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Принцип предложен в 1884 году французским физико-химиком и металловедом Анри Луи Ле Шателье (1850-1936 гг.) и термодинамически обоснован в 1887 немецким физиком Карл Фердинанд Брауном (1850-1918).

6. Джордж Дарвин в 1905- 1909 гг. показал, что многие законы эволюции (в частности, принцип отбора в биологии) являются универсальными и могут быть успешно использованы в других областях человеческих знаний (в физике, астрономии, а теперь и в технике, в организационных, экономических системах и т.д.) Эти законы лежат в основе, например, научно технический прогресс общества.

8. Людовик Больцман (1844-1906) – познание есть не что иное, как поиск аналогий (1905).

9. Михаил Петрович (1906) разрабатывает учение об аналогиях, а в 1921г. издает книгу “Механизмы, общие для разнородных явлений”. Автор раскрыл аналогию целых групп явлений, разнородных по своей физической природе. Показал важную роль аналогий в процессе познания. Далее усилиями других ученых учение об аналогиях легло в основу теории моделирования.

10. Эдгард Витцман (1934) (амер. биохимик) – статья “Мутация и адаптация как составные части универсального принципа”. Автор высказал мысль, что принцип адаптации (Ле Шателье-Брауна) и принцип периодичности (ритма) являются универсальными и применимыми во всех областях знаний.

11. А.А.Богданов (Малиновский) (медик, экономист, философ, революционер) (1873-1928), 1911 – 1т, 1917 – 2т, 1925 – 3т, книга “Всеобщая организационная наука (тектология)”. В книге разработана общая теория организации. Идеи Богданова были столь новы и противоречили складу мышления своего времени, что были не поняты и не восприняты. Помешало и то, что Богданов в свое время (1903-1905гг.) подвергался резкой критике со стороны В.И.Ленина в его книге “Материализм и эмпириокритицизм” за собственную философию-эмпириомонизм: “Мир – единый организованный опыт”. Многие стали смешивать философские взгляды Богданова с тектологией. Тем более что сам Богданов дал повод для этого, утверждая, что “по мере своего развития тектология должна сделать излишней философию, и уже с самого начала стоит над нею”. В то же время как преподаватель Коммунистической Академии написал “Краткий курс политэкономии”, создал первый в мире институт переливания крови, став его директором (1926). Пытаясь реализовать некоторые выводы тектологии на сложной системе – кровеносной, Богданов проводил опыты на себе, а его излишняя самоуверенность привела к трагедии. В 1928г. он погиб в результате очередных опытов.

Некоторые результаты тектологии:

• структурные отношения могут быть обобщены до такой же степени формальной чистоты схем, как в математике отношения величин, и на этой основе организационные задачи могут решаться способами, аналогичными математическим (алгебра структур);

• все существующие объекты и процессы имеют определенную степень (уровень) организации, которая тем выше, чем сильнее свойства целого (системы) отличаются от совокупности свойств его частей,

• существуют два общих и основных организационных механизма: формулирующий и регулирующий; стратегия и тактика; планирование и управление;

• “всякое изменение комплексов и их форм возможно представить как цепь актов соединения того, что было разделено, и разделения того, что было связано….” Существуют два основных способа преобразования структур организаций: композиция и декомпозиция.

Это и есть законы композиции и декомпозиции систем, все процессы рассматриваются как процессы: организации и дезорганизации.

В тектологии рассматриваются закономерности развития организации, раскрыто значение обратных связей и целей в организационных системах, а также роль подцелей отдельных элементов (частей). Раскрыта идея саморегулирования системы (с помощью бирегулятора, когда две подсистемы (части) помогают друг другу в поддержании равновесия (устойчивости). Богданов впервые раскрыл содержание таких понятий как структурная неустойчивость, как – кризис форм (структур) (смена организационной формы комплекса, ведущая к структурной перестройке), структурный прогресс и регресс (самоорганизация систем и их деградация, разрушение) и т.д. В тектологии много своих специфических терминов, что требует его самостоятельного и глубокого изучения.

А.А.Богданов несомненно является одним из создателей теории систем, оставил яркий след в науке, намного опередив своими идеями последующие поколения ученых, многие общетеоретические проблемы системного подхода разработана им полнее и более строго, чем в современной теории систем и кибернетике. Жаль, что тектология многие годы оставалась вне поля зрения ученых.

12. Г.Кроун в 1939-1963гг. разработал диакоптику (метод расчленений) как метод исследования сложных систем по частям. В основе диакоптики лежит системный подход. Модель (топологическая) сложной системы разделяется на некоторое число малых подсистем, затем частные решения соединяются шаг за шагом, пока не будет получено решение для всей системы. Теория демонстрируется на примерах и языке электротехники. Матаппарат – тензорный анализ.

13. Н.Винер (амер. матем.) (1894-1964) в 1948 г. опубликовал книгу ”Кибернетика, или управление и связь в животном и машине”, а позже – книгу ”Кибернетика и общество”. Опираясь на достижения в различных областях человеческих знаний (математики, механики, физики, электроники, автоматики, биологии, медицины и т.д.), Н.Винер наиболее полно осознал и раскрыл системность мира и происходящих в нем явлений и процессов, системность общества, человеческой деятельности и результатов этой деятельности.

Предметом изучения кибернетики являются системы (объекты и процессы) различной физической природы (технические, биологические, экономические, социальные и т.п.). Вначале это многих ученых смутило, а потому кибернетику отнесли не к науке, а к разряду искусства – искусства эффективного управления. (1 м/н конгресс, Париж, 1956), У нас кибернетику отнесли к разряду буржуазной лженауки за посягательство на создание “мыслящих машин”.

С годами стало ясно, что кибернетика – это самостоятельная наука, которая имеет свой предмет и свои методы исследования. Кибернетика – наука об оптимальном управлении сложными динамическими системами, а также о системах приема, хранения обработки и выдачи информации. Объекты изучения: САУ, ЭВМ, человеческий мозг, биопопуляция, человеческое общество, экономика и т.д. Теоретическая кибернетика включает разделы: теория информации, теория алгоритмов, теория автоматов, исследование операций, теория адаптации и оптимального управления, теория распознавания образов, теория систем искусственного интеллекта и т.д. Основные методы исследования: аналитические, моделирование на ЭВМ (“машинный эксперимент”), экспериментальные. Кибернетика выявила роль информации в управлении, возможность ее количественной оценки, роль принципа оптимальности в планировании, управлении, синтезе систем, роль типизации моделей элементов систем различной физической природы, позволила разработать ряд принципиально новых классов моделей (например, нейронные сети) и т.д. С развитием кибернетики начался невиданный размах компьютеризации во всех областях человеческой деятельности.

Недостатки кибернетики (постепенно ликвидируются):

1. слабо разработан учет качественной (смысловой) стороны информации,

2. при моделировании интеллекта учитывается только логический компонент мышления,

3. принцип оптимальности реализуется только в полноформализуемых задачах,

4. слабоформализуемые процессы и объекты трудно поддаются учету,

5. изучаются относительно простые, малоразмерные замкнутые системы,

6. учитывается только влияние внешней среды на систему.

Кибернетика – это важный этап в развитии системных представлений. Со временем она, по-видимому, сольется с ОТС.

14. Людовик фон Берталанфи (австрийский биолог-теоретик) (1901-1972) выдвинул в 1937 году (через 12 лет после тектологии!) обобщенную системную концепцию – общая теория систем – в лекциях, прочитанных в Чикагском университете. Но работы по ОТС публикует с 1947 года.

Концепция ОТС основывалась на структурном сходстве (идентичности, изоморфизме) законов в разных областях науки и в обобщении их в виде системных закономерностей. Л.Берталанфи несколько заблуждался относительно значимости своих обобщений:

1. работы А.Богданова (т.1.2.) были переведены на немецкий язык в 1925-1926гг.

2. принцип аналогий был широко известен: например, одни и теже дифуравнения описывают различные физические процессы. Л.Берталанфи считал, что он создал новую науку – ОТС. Он считал ее, во-первых, как логико-математическую область, содержанием которой является формирование и дедукция (вывод от общего к частному) принципов, действительных для систем любой физической природы; во-вторых, как эмпирико-интуитивную дисциплину, которая формально применима ко всем наукам, изучающим системы. Поэтому он предлагал ОТС разделить на две части: 1) теорию систем в широком смысле как совокупность методов прикладной математики и кибернетики, 2) теорию систем в узком смысле как теорию абстрактных систем, описывающую исследуемые объекты на различных уровнях абстракции: теоретико-множественном, топологическом, логико-математическом, символическом, информационном и эвристическом.