Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы и технологии генерации системного знания

.pdf
Скачиваний:
46
Добавлен:
03.02.2021
Размер:
1.37 Mб
Скачать

Т. Л. КАЧАНОВА Б. Ф. ФОМИН

МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ГЕНЕРАЦИИ

СИСТЕМНОГО

ЗНАНИЯ

 

КМ

Оценка

Слово

Символ

Носитель

 

Система

ОМ

МС

Факт

Состояние

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––——————————–––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

————————————————————

Т. Л. КАЧАНОВА Б. Ф. ФОМИН

МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ГЕНЕРАЦИИ СИСТЕМНОГО ЗНАНИЯ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров "Управление в технических системах"

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2012

УДК 519.7 + 681.51 ББК32.817

К30

К30 Качанова, Т. Л., Фомин, Б. Ф.

Методы и технологии генерации системного знания: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 132 с.

ISBN 978-5-7629-1197-9

Содержит основные сведения о физике систем – новой посткибернетической парадигме системологии. Дается обзор методов и технологий автоматической генерации знаний о состояниях, механизмах изменчивости и об эмерджентных свойствах открытых систем. Приведены примеры производства и применения знаний в системных проектах из естественнонаучной, гуманитарной и технической областей.

Предназначено для магистров и аспирантов в области системного анализа и информационных технологий интеллектуального анализа данных.

УДК 519.7 + 681.51 ББК 32.817

Рецензенты: факультет инноватики СПбГПУ (декан, д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ И. Л. Туккель); д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ А. И. Яшин (ОАО «Информационные телекоммуникационные технологии»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

 

© Т. Л. Качанова, Б. Ф. Фомин, 2012

ISBN 978-5-7629-1197-9

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое издание посвящено вопросам производства научного системного знания о природных, общественных и техносферных системах. В качестве исходных представлений таких систем при производстве знания используются их эмпирические описания. В эмпирическом описании система дана в актуальных состояниях. Полное представительное эмпирическое описание системы является единственным источником объективной информации об ее естественных масштабах и реальной сложности.

Научное знание о системах не может быть получено из эмпирических описаний чисто логическим путем. Для производства знания на основе эмпирических данных нужна научная теория. Такой теорией является физика открытых систем. Научное понимание и рациональное объяснение сущности систем, заданных эмпирическими описаниями, основаны на применении методов и технологий физики открытых систем.

В пособии изложена системологическая концепция физики систем. Согласно этой концепции, система является объектом фундаментального исследования, цель которого – познание, понимание и объяснение сложности системы. В рамках данной концепции система имеет конструктивное определение, а физика систем выступает в качестве новой посткибернетической парадигмы системологии. В пособие включен обзор методологических оснований, метатехнологии, конструктивной теории и информационной технологии физики систем.

Главное внимание в пособии уделено информационной технологии физики систем. Эта технология автоматически производит достоверное знание об открытых природных, общественных и техносферных системах. При генерации знания она использует научные методы физики систем и представления систем в виде их эмпирических описаний. Знание экспертов при этом не требуется.

Технология физики систем имеет четыре компонента – дескриптивный, конструктивный, проективный компоненты и аналитическое ядро. Основой технологии является ее аналитическое ядро. В нем реализуются ключевые стадии производства знания – онтологическое моделирование (познание системы), коммуникативное моделирование (понимание системы), моделирование состояний (объяснение системы). Дескриптивный компонент технологии обеспечивает представление исследуемой прикладной проблемы как систем-

3

ного проекта и трансформацию этого проекта в исходное интерпретированное нормативное представление системы как объекта исследования. Конструктивный компонент преобразует системное знание, сгенерированное аналитическим ядром, в ресурсы решений прикладных проблем. Проективный компонент технологии использует ресурсы решений для создания эффективного предметного интерфейса, наработки схем решения прикладных задач, построения сервис-ориентированных решателей этих задач.

Задачи аналитического ядра реализуются технологиями системных реконструкций, системной экспертизы, системного дизайна. Назначению, содержанию и возможностям этих технологий в пособии уделено большое внимание.

Задачи конструктивного компонента решают технологии оформления закономерностей и предметной экспертизы. В пособии приведены только описания их назначения. Работу этих технологий раскрывают примеры конкретных системных проектов. Технология оформления закономерностей проиллюстрирована системным проектом из области природных систем. Речь идет об автоматическом производстве ресурсов решения актуальной задачи системной биологии – исследовании экспрессии генов по геномным данным. Технологию предметной экспертизы иллюстрирует системный проект из области производственных систем. В этом проекте ресурсы решений созданы в целях обеспечения качества продуктов и технологий в металлургии. Полный цикл производства системного знания и ресурсов решений демонстрирует пример системного проекта из области общественных систем. В этом примере рассмотрена цепь генераций информационного, интеллектуального, когнитивного и технологического ресурсов решений проблем социальной напряженности в округах и регионах РФ.

Данное пособие служит введением в физику открытых систем и в новые технологии автоматической генерации достоверного системного знания на основе эмпирических описаний сложных систем.

Авторы благодарны своим коллегам за их внимание и поддержку при подготовке данного издания. Разделы 6.2 и 8 пособия написаны в соавторстве с В. О. Агеевым, раздел 7.2 – в соавторстве с О. Б. Фоминым.

Авторы

4

1.ВЫЗОВЫ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

1.1.Открытые природные, общественные, техноcферные системы

Открытые системы обмениваются с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Природные, общественные и техносферные системы необходимо рассматривать как открытые.

Природные системы представляют собой совокупность функционально взаимосвязанных живых организмов и окружающей их среды, характеризующуюся определенными закономерностями энергетического состояния и круговорота веществ.

Примеры природных систем высших уровней организации

Популяция Совокупность особей одного вида, более или менее длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в большом числе поколений.

Биогеоценоз Устойчивая саморегулирующаяся экологическая система, в которой органические (животные, растения) и неорганические (вода, почва) компоненты неразрывно связаны между собой в пределах одной территории круговоротом веществ и потоками энергии.

Биосфера Части атмосферы, гидросферы и литосферы, взаимосвязанные сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.

Геосфера Атмосфера, гидросфера, литосфера, земная кора, мантия и ядро Земли.

Общественными (гуманитарными) системами называют обособившиеся от природы части материального мира, представляющие исторически развивающиеся формы жизнедеятельности людей, формирующие социальные институты, регулирующие экономические, политические, правовые, нравственные и иные отношения.

Примеры общественных систем

Социосфера Человечество с присущими ему на данном этапе развития производственными и общественными отношениями, а также освоенная человеком часть природной среды.

Территориальная Множество конкретных общественных групп, жизнедеятельность ко- система торых отображается в рамках географического аспекта (поселение,

регион, округ, страна, часть света).

Социально- Совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих социальных и экономическая экономических институтов и отношений, рассматриваемая с позиций система распределения и потребления материальных и нематериальных ресурсов, производства, распределения, обмена и потребления товаров и

услуг.

5

Производственная Система, функционирующая с целью изготовления и реализации про- система дукции для получения прибыли, охватывающая средства труда, предметы труда, труд и элементы технической и организационной упоря-

доченности.

Техносферные системы могут рассматриваться как эпицентры техногенных аномалий (химических, тепловых, электромагнитных и др.), оказывающие существенное воздействие на природные системы. Они возникают в результате преобразования людьми регионов биосферы в целях достижения наилучшего соответствия своим материальным и социально-экономическим потребностям прямым или косвенным воздействием технических средств.

Открытые системы сопротивляются анализу путем разложения на части и исследования свойств целого через свойства частей. Неадекватность существующих математических и вычислительных методов исследования открытых систем усугубляют системные иерархии, из-за которых при изменении уровней представления систем меняются их свойства и масштабы. В настоящее время отсутствуют методы, способные преодолеть сложность этих систем. Требуются новые научные идеи, новые математические структуры, новые технологии.

Получение ответов на вызовы природных, общественных и техносферных систем связывают с успехами современной математики, физики и наук о системах. Ключевой вопрос – производство научного знания об открытых системах, применение которого обеспечит научное понимание и рациональное объяснение свойств, состояний и эволюции таких систем в их естественных масштабах и реальной сложности. От успеха на этом направлении исследований зависит решение глобальных проблем будущего:

прогноз и предупреждение опасностей природного, социального и техногенного происхождения (землетрясения; техногенные катастрофы; экономические кризисы; климатические сдвиги; демографические изменения; глобализация; урбанизация);

анализ пространственных и временны́х масштабов влияния новых технологий на качество жизни и структуру мировой экономики (генная инженерия; нанопродукты; композитные материалы; новые виды производства энергии; информационно-коммуникационные технологии);

генерация, интеграция и эксплуатация научного знания о жизни и человеке (геномика; протеомика; метаболомика; лекарственные препараты; нейропсихология; нейробиология; нейрохимия; экология; «биоэкономика»);

6

анализ стратегических рисков стран, регионов, цивилизаций (ценности; смыслы; предпочтения; стратегии; межстрановые политические, экономические и технологические альянсы);

научное предвидение и поддержка усилий в направлении совершенствования и реализации концепции устойчивого развития (доходы стран и граждан; права человека; гражданское общество; общество знания, экономика знания, регионы знания; инновационная экономика; среда выживания);

противодействие угрозам безопасности (производство, хранение, утилиза-

ция и распространений оружия; терроризм; этнические, национальные и конфессиональные претензии).

Открытые природные, гуманитарные и техносферные системы рассматриваются как слабоструктурированные, уникальные, заведомо сложные. Главными особенностями таких систем являются [1]–[3]:

фундаментальная роль необратимости и случайности;

пространственные, временны́е и пространственно-временны́е макроскопические масштабы взаимодействий;

кооперативное поведение;

множественность неустойчивых состояний;

мультиустойчивость;

высокая чувствительность к окружающей среде;

неравновесные ограничения;

равновесия и стационары в условиях неравновесных ограничений;

изменение фазового объема;

производство энтропии.

Для этих систем характерны [1]:

взаимозависимость свойств и организации;

бесперспективность применения линейных аппроксимаций;

возможность возникновения динамического хаоса;

невоспроизводимость поведения по начальным данным;

невыводимость свойств системы как целого из свойств составляющих ее элементов (эмерджентность);

нелинейность динамики, вызываемая неустойчивостью при очень малых возмущениях;

неопределимость и логическая недоказуемость законов причинности;

самоподобие, саморазвитие.

7

Научная парадигма исследования природных, гуманитарных и техносферных систем должна нести в себе идеи целостности и нелинейности, иметь своей главной задачей поиск общих закономерностей, отображающих глубокое понимание единства природы. Такая парадигма должна давать исследователям возможность вплотную подходить к фундаментальному барьеру понимания сложности систем.

Сложность открытых систем тесно связана с ростом их масштабов и гетерогенностью возникающих структур. Взаимозависимость гетерогенных компонентов стала главной проблемой понимания сложности. Нужна технология научного понимания, преодолевающая барьеры сложности, обращенная на реконструкцию глобального системного поведения и объяснение закономерностей формирования системных свойств и состояний.

Организацию и жизнедеятельность природных, общественных (гуманитарных) и техносферных систем определяют фундаментальные законы, пока еще неизвестные науке. Механизмы действия этих законов называют «механизмами сборки» [1]. Свойства системы как единого целого, формируемые механизмами сборки, не выводятся из известных свойств и заданных структур взаимосвязей компонентов системы никакими процедурами, имеющими конечное число шагов. Исследователи открытых систем остро ощущают проблему эмерджентности, истоки которой лежат во взаимодействии компонентов систем. Неадекватность существующих математических и вычислительных методов исследования открытых систем усугубляют системные иерархии, благодаря которым при изменении уровней представления систем меняются их свойства и масштабы.

1.2. Базовое научное знание

Базой для построения общесистемной методологии являются философия, физика и математика. Философия создает учение о мире через абстракт- но-синтетические предельно общие понятия и категории. Физика раскрывает присущие реальному миру общие закономерности конкретно-эмпирических явлений и процессов. Математика строит универсальный конкретносимволический абстрактный мир. Философия формирует высшие универсальные понятия, содержание которых раскрывается через принципы, понятия и законы физики и математики. Физика и математика задают две разные в своей сущности методологии познания мира. Во взаимодействии этих трех наук рождаются все другие науки.

8

Философия. Философская наука категориальна и априорна в своих основаниях, по существу она – воплощенный метод становящегося допарадигмального знания, базирующийся на универсальной онтологии. Философия утверждает, что в основе всего сущего лежат общие начала, выражающие главные смыслы реального мира. Изучение общих принципов природы связано с проникновением в ее внутреннюю лабораторию, где предрешается все многообразие ее явлений, насыщенное гармоническим единством. Все принципы природы связаны между собой, соподчинены и взаимно отражены один

вдругом. Каждый принцип несет в себе способность до конца выразить некое частное единство, индивидуальную субстанцию при всех гармонизирующих обстоятельствах.

Всеобщей закономерностью объектов природы и познания является симметрия, отражающая гармонию на уровне категорий части и целого, проявляющая себя как единство тождества и различия, сохранения и изменения. Процесс познания понимается как открытие все более глубоких и всеобщих симметрий. Восхождение от симметрии одного уровня к другому связано с выявлением элементов диссимметрии и осознанием фактов диссимметрии как источников разнообразия, подчиненных иным более глубоким и общим симметриям.

Системы выступают в качестве формальных образов, способных передавать смыслы явлений, процессов, объектов реального мира. Системы возникают как абстракции, отображающие реальность. Каждые объект, процесс и явление несут в себе множество систем. Объект исследования представляется

всистеме вместе с той частью внешней среды, которая определяет необходимые условия проявления его сущности.

Категориальный аппарат философии определяет логику познания систем и выражения смыслов объектов реальности в наиболее концентрированной и универсальной форме. Предмет познания мыслится как одно целое. В процессе познания раскрывается природа этого целого. Исследование предмета познания осуществляется поэтапно восхождением от самого простого и общего его представления к детальному и всестороннему проявлению его сущности. Процесс познания строится как индуктивный вывод, имеющий своим исходным пунктом единое нерасчлененное представление системы. Конечная цель познания состоит в раскрытии принципов и механизмов самоорганизации систем, глубоком проникновении в общесистемные законы и расшифровке скрытых смыслов явлений реального мира.

9