Специальные главы информатики и вычислительной техники. Учебник

ниц, Ф. Бэкон). Новый более высокий уровень познания представлял диалектический способ мышления – единство и борьба противоположностей в процессе развития (И. Кант, Г. Гегель, К. Маркс, В. Ленин). Сформулированные в это время законы классической механики (И. Ньютон) не являются примером системного подхода, так как они, отвечая на вопрос: «что это такое?», шли от рассмотрения частей к целому и не могли ответить на вопрос: «что делает?» сложная система.

До конца XIX века рассмотрение целостности ограничивалось живыми организмами, внутренняя целостность которых не вызывала сомнений. Идея системной организованности относилась лишь к знанию. Первым поставил вопрос о научном подходе к управлению сложными системами А.-М. Ампер, который выделил науку управления государством, назвав ее задолго до Н. Винера «кибернетика». В начале XX века встали проблемы организации и функционирования сложных объектов. Это привело к специальным исследованиям систем (в том числе и социальных). Работы В.И. Вернадского о биосфере ввели новый тип объектов исследования – глобальные системы. Системности как самостоятельному объекту посвящены работы А.А. Богданова, вышедшие в 1911 г. Он впервые ввел понятие обратных связей, говорил о важности моделирования, предвосхитив многие положения современных теорий. Его можно называть в ряду тех, кто обогнал свое время, как, например, О.В. Лосев, разработавший в 1921 г. кристадин, полностью предвосхитивший идею транзистора (1948 г.), за которую его авторы (Бардин, Браттейн, Шокли) были удостоены Нобелевской премии, или в радиотехнике – Х. Хюльсмайер, в 1904 г. предложивший идею современной радиолокации, реально воплощенную только в середине 1930-х гг.

Современный этап развития понятия системности открывает опубликованная в 1948 г. работа Н. Винера «Кибернетика (наука об управлении и связи в животных и машинах)». Идея построения общей теории систем принадлежит Л. Берталанфи (1950 г.). Большой вклад в развитие кибернетики внесли советские ученые А.И. Берг (развитие науки об оптимальном управлении динамическими объектами), А.Н. Колмогоров (наука о системах, воспринимающих, хранящих, перерабатывающих

и использующих информацию). Начало 1960-х гг. характеризуется следующими особенностями:

1)  резко усложнились создаваемые системы, произошла потеря возможности иметь о них полное и адекватное представление;

2)  возросло взаимодействие систем различной природы;

3)  стремительно увеличилась интенсивность информационных воздействий и информационных технологий, т.е. начался практический переход в информационную фазу развития общества.

Эти особенности способствовали началу системной революции. Библиография научных публикаций насчитывает сотни монографий, причем, по определению авторов, сработал «парадокс К. Линнея», когда каждый исследователь старался занять свободную нишу и предложить свою классификацию. Достаточно назвать несколько направлений:

––системотехника – Х. Гуд, Р. Маккол;

––теоретико-системный подход – М. Месарович, Я. Такахара, Ю.А. Урманцев;

––системология – В.В. Дружинин, Д.С. Конторов, Б.С. Флей­ шман, Дж. Клир;

––параметрическая системная концепция – А.И. Уемов;

––теория систем – М. Арбиб, Э.Дж. Мейнс.

Кэтому списку можно добавить работы бельгийской школы

И.Пригожина (И. Пригожин «От существующего к возникающему», 1986 г., И. Пригожин, И. Стенгерс «Порядок из хаоса», 1986 г.), удостоенных Нобелевской премии за изучение термодинамики неравновесных физических систем и их развития. Наука названа синергетикой и развивает идею самоорганизации систем. С этих же позиций были рассмотрены алгоритмы развития систем в работах Н.Н. Моисеева (1987 г.). В работах В.М. Глушкова были решены вопросы моделирования развивающихся систем (1983 г.). В.М. Глушковым была введена функция, описывающая развитие и воспроизводство внутреннего ресурса системы. Эти системы имеют «развивающиеся» виды обеспечения и применимы при решении задач, связанных с организацией широкомасштабного экологического мониторинга, оценкой уровня радиации при проведении ядерных взрывов

и катастрофах. Термин «самоорганизующаяся система» был впервые введен У.Р. Эшби в 1947 г., когда он начал заниматься моделированием на ЭВМ интеллектуальной деятельности человека. В 1955–1956 гг. Дж. Маккарти впервые употребил термин «искусственный интеллект». В 1986 г. вышла серия публикаций по инженерии знаний Ф. Хейеса-Рота, а также по искусственному интеллекту и экспертным системам Д. Уотермена (1987 г.), много лет проработавшего в университете Карнеги – Меллона (США). Необходимо отметить работы нобелевского лауреата Дж. Нэша в области теории игр (1980 г.), создавшие основы разработки теории активных систем (1990 г.), нацеленной на изучение свойств механизмов функционирования социаль- но-экономических систем. Свойства таких систем обусловлены проявлением активности участников систем.

Огромное число публикаций и накопление разнообразных результатов, на наш взгляд, не привело к созданию строгой методологической концепции общей теории систем. Из сказанного можно сделать два вывода:

1)  полученные принципы фиксируют недостаточность традиционных подходов к решению новых задач исследования; примером является идея сетевого компьютера, меняющая привычную идеологию пользователя;

2)  полученные принципы помогают строить новые объекты изучения, формируют новые исследовательские задачи; дают возможность соединить структуру системы и ее динамику, что приводит в итоге к появлению новых знаний.

2.2.  Иерархия системности

Рассмотрим иерархию системности, показанную на рис.  2.1. Системность среды I, окружающей человека, включает системность окружающей среды; системность человеческого общества; системность взаимодействия человека со средой, ведущая к возникновению проблем при проектировании и ис-

следовании.

Системность познавательной деятельности II включает анализ и синтез; диалектичность; системность результатов познания (духовная культура, модели).

Системность– всеобщее свойство

Рис.  2.1. Составляющие системности

Системность практической деятельности III состоит из целенаправленности, алгоритмичности и системности результатов деятельностивтехникеиматериальнойкультуре.Исследованиесистем на практике увязывается в один технологический процесс, структура и содержание которого определяется приведенными ниже этапами. Исследование систем основывается на достижениях современных математических методов, учитывает сферы взаимодействия со средой и все виды ресурсных ограничений. Данное исследование включает семантику, синтаксис и прагматику.

1.  Семантика – (греч. semanticos – обозначающая) включает принципы и свойства системного подхода, а также следующие базовые понятия:

а)  континуальные понятия: материя, пространство, время, отражение;

б)  структуры – комплекс, система, элемент, граница, среда; в)  процессы взаимодействия, обмена; г)  свойства структур и процессов.

Кроме того, в семантику входят модели, такие как имитационные, статистические, динамические, эволюционные.

2.  Синтаксис включает механизмы решения задач, которые состоят из моделирования (исследование статических и динамических свойств), синтеза вариантов (мозговой штурм, метод Делфи, стохастическая генерация, комбинаторые методы), оценивания (идентификация и распознавание образов, проверка статистических гипотез, оценка эффективности), принятия решений (скалярная оптимизация; методы субъективных измерений; методы принятия решений в условиях определенности, неопределенности, риска; теория игр; семантические сети; про-

2.3.  Сферы взаимодействия

Проблемы, возникающие в процессе проектирования систем любого класса, определяются в процессе взаимодействия со средой. Однако среда не является чем-то единым, а состоит из множества сфер, влияющих на систему одновременно. Принято рассматривать семь основных сфер, с которыми соприкасается человек. Каждая сфера подчиняется своим законам и принципам поведения, которые регулируют процессы обмена с проектируемой системой. Проекция системы в определенную сферу создает ситуацию. Тогда этап уяснения задачи состоит в выяснении, какие ситуации могут возникнуть и как их парировать

впроцессе проектирования. Общих процедур решения этой задачи в настоящее время не существует, и поэтому процесс проектирования во многом зависит от интуиции и опыта лиц, осуществляющих проектирование, и от набора средств и методов, которыми они располагают.

Рассмотрим каждую из сфер.

1.  Физическая сфера представляет собой установившееся

вглобальных масштабах движение, но должны быть учтены локальные изменения, зависящие от географического расположения проектируемой системы и характерных воздействий. Всеобщая информационная связь присуща всей физической сфере, поэтому воздействия в ней влияют и на поведение систем в других сферах.

2.  Биосфера. Исследования показали запрограммированность биологической жизни нашей планеты. Например, генетическая программа, заложенная в ДНК, едина для всего живого (в том числе и растений). Разнообразие же вызвано действием разных или несовпадающих участков генетических программ. Биосфера служит источником многих проблем при проектировании: создание защиты от загрязнения воздушного и водного бассейнов, создание природощадящих технологий, утилизация отходов промышленных производств и т.п.

3.  Психологическая сфера связана с человеком и влияет на результаты техногенной деятельности, которые влекут перепроизводство, безработицу, плохую экологию и т.п.

4.  Техносфера. Человечество в своем развитии создало искусственную среду – технологическую сферу, которая активно влияет на все остальные сферы. Информационная стадия характерна переходом от централизованного управления к децентрализованному, т.е. от иерархических структур к сетевым, к передаче управления непосредственно на рабочее место. Происходит интеллектуализация информационных обменов, переход на безотходные и наукоемкие технологии и т.д. Возникает перерастание научно-технической революции в системную. При этом растет рассогласование естественных и искусственной сфер.

5.  Экономическая сфера базируется на договорной основе между членами общества, поэтому ситуации в ней весьма чувствительны к ситуациям в других сферах. При этом распределяется не только полезный продукт, но и затраты с учетом прав собственности на них.

6.  Социально-политическая сфера – это сфера общественных договоров, регулирующих права и обязанности членов сообщества в разных сферах, поэтому человеческое сообщество имеет историю цивилизаций, а не историю популяций.

7.  Информационная сфера тесно взаимодействует со всеми названными сферами. Она является наиболее устойчивой по сравнению с другими рассматриваемыми сферами. Все эти сферы не только взаимодействуют, но и обладают свойством взаимопроникновения. Поэтому всякое механистическое разделение, подобно ньютоновской механике, недопустимо. Сами сферы и их взаимопроникновение системны по своей природе. Всякое выделение объекта из окружающей его среды достаточно условно.

Размытость, расплывчатость границ рассмотрения привело к созданию теории нечетких множеств, получающей все большее распространение в технических приложениях. Любая

из рассмотренных сфер может служить компонентами вектора

→

воздействий V (см. рис.  2.2).

Сами сферы представляют собой сочетание структурных компонентов базиса aij; структурных компонентов сферы bj

(i ≠ j) и объединяющего их общего пространства – сфероценоза. На рис.  2.3 дана условная структура сфероценоза.

Рис.  2.3. Структура сферы:

1 – сфероценоз; 2 – базис; 3 – сфера

В табл.  2.1 приведены компоненты базиса и сфер для всех рассмотренных типов сфер. Из данных этой таблицы видно, что компоненты базиса многих сфер являются общими, что резко усиливает степень их взаимопроникновения и осложняет задачу проектировщиков.

89 2.  ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

2.4.  Классификация систем

Развитие системного подхода привело к парадоксальной ситуации: основополагающее определение «система» стало отходить в тень. На самом же деле термин «система», безусловно, является одним из самых распространенных терминов, используемых в самых разных научных дисциплинах.

Этот термин оказался чрезмерно перегружен, он имеет различный смысл при различных обстоятельствах и для различных людей. В философии его определение звучит следующим образом: «совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которая образует целостность и единство». Это определение вводит понятия одного порядка общности и неправомерно пытается определить их одно через другое. По У. Эшби, система выбирается самим наблюдателем из параметров машины. В приведенной трактовке системы термин «отношение» используется в самом широком смысле, включающем весь набор родственных понятий, таких как ограничение, структура, информация, сцепление, связь, соединение, взаимосвязь, зависимость, корреляция и т.д. Скажем, система S представляет собой упорядоченную пару

S =(A,R),

где А – множество элементов;

R – множество отношений между элементами множества А.

Подобная концепция системы слишком обща и, следовательно, ее практическое значение невелико.

Академик В.С. Семенихин вообще считал систему словом-па- разитом и предлагал использовать понятие «комплекс». Можно привести еще и другие примеры, но вывод однозначен: сами системы – объективная реальность, а определения разнородны

ирасплывчаты. Причем большинство предлагаемых моделей структуроцентричны, т.е. рассматривают взаимодействия и связи – статику, и практически не рассматривают поведение и развитие – динамику.

На мой взгляд, определение системы должно включать все необходимые моменты, приведенные на рис.  2.2. Рассмотрим понятия, которые должны войти в определение системы. Оговоримся, что это определение касается только класса технических и хозяйственных систем. Оно не распространяется на социальные, глобально экономические и экологические системы.

1.  Противодействие среды. Одной из главных задач проектирования является уяснение противоречий «среда – система»

исоздание системы как средства снятия этих противоречий. 2.  Организация. Это понятие имеет множество значений:

структура, упорядоченность, аппарат принятия решений и т.д. Будем считать, что организация – это общая системная характеристика, рассматриваемая в двух аспектах:

––свойство системы, обусловливающее ее функциональность (статика);

––процесс, формирующий это свойство (динамика).

3.  Управление – ведущая часть организационного процесса, но не единственная. Организационный процесс включает:

––ресурсное и информационное обеспечение;

––управление, т.е. выработку управляющей информации, доведение ее до исполнительных систем и контроль исполнения;

––исполнение, т.е. преобразование управляющей информации непосредственно в функциональные эффекты.

4.  Целостность и селективность. Для выполнения поставленной цели (целей) система должна обладать набором компонентов не случайным, а специально выбранным (селективным) с учетом условий среды, задач и соединенных в функционально необходимой и достаточной структуре (целостность).

Тогда можно дать следующее определение.