Системный анализ

Системный анализ

Курс лекций

Формализацией подобного поведения может быть дис­

Такой подход оказывается эквивалентным формализации процесса оценки и прогнозирования поведения сложного объ­ екта, который применяется экспертами в различных областях естествознания. В этом случае абстрактное понятие «состоя­ ние» соответствует понятию «типа» (например, в географии), а изменение объекта (например, биогеоценоза) во времени представляется как переход от одного типа к другому. Во­ площением данного подхода являются, в частности, такие распространенные понятия, как «заболачивание», «опустыни­ вание» и т. п.

Другим примером реализации абстрактного понятия «со­ стояния» является диагноз в медицине. Если здоровье есть одно из состояний (к счастью, пока наиболее распространен­ ное), то заболевания представляют собой другие состояния. При этом они достаточно четко выделены по критериям. Человек болен не вообще, а болен каким то конкретным за­ болеванием (либо здоров).

Скажем больше. Очень много классификаций в естествен­ ных науках и, пожалуй, больишнство классификаций в науках о Земле есть классификация состояний. Эволюция системы во времени представляется в этом случае переходом из одного состояния в другое.

Вышеупомянутая схема формального представления слож­ ных объектов фактически реализуется в экспертных систе­ мах, где поведение объекта представляется как некая траек­ тория «в пространстве состояний» [30].

Заметим, что как и всякая схематизация, предложенная последовательность страдает некоторой ограниченностью. Рассмотрим, в чем она заключена.

52

Особенности поведения сложных систем

Лекция 3

Использование концепции состояний «в чистом виде» ос­ тавляет нерешенными по крайней мере две проблемы.

Во-первых, остается без внимания динамика системы в пределах одного и того же состояния. А между тем, даже если эта динамика достаточно проста, она не может быть описана в терминах концепции траектории в пространстве

состояний.

Во-вторых, остается нерешенным вопрос о самых общих механизмах смены состояний. Между тем понимание доста­ точно общих причин возникновения дискретной смены со­ стояний позволит определить границы применимости соот­ ветствующих методов формального описания и оценить воз­ можность их сочетания с другими методами моделирования в рамках одной модели.

Мы не касаемся в этой лекции проблем моделирования сложных систем (что будет сделано в последующих лекциях). Однако из вышесказанного можно сделать вывод, что идеаль­ ным формализованным представлением для сложной системы все же представляется некая модель, опирающаяся на изуче­ ние реальной структуры системы и имитирующая в общих чертах реальные процессы массо-, энерго- и информационно­ го обмена между компонентами системы.

Однако эта модель должна быть достаточно компактной, не претендовать на разложение системы на элементы «до по­ следнего гвоздя». И главное, эта модель должна адекватно передавать эффекты смены состояний системой. Иными сло­ вами, при имитации режима поведения системы при смене состояний результаты моделирования и результаты работы экспертной системы, описывающей данный объект, должны быть идентичными.

Позже мы покажем, что использование системных свойств того или иного объекта позволяет решать проблемы матема­ тического моделирования и прогнозирования его поведения

53

Лекция 4

Возможности и ограничения применения традиционных методов моделирования и прогнозирования к исследованию поведения сложных систем

На предыдущей лекции мы рассмотрели главное свойство сложных систем, заключающееся в дискретности их поведе­ ния и способности находится в стационарных состояниях в широком диапазоне внешних воздействий.

Эти свойства обычно не оспариваются большинством ис­ следователей. Однако их целенаправленное и конструктивное использование в прогнозировании и моделировании прово­ дится далеко не всегда. Между тем совершенно очевидно, что существует много традиционных методов прогнозирования и моделирования, которые применяются по большей части к исследованию сложных систем.

Вот эти методы, имеющие отношение к исследованию сложных систем, но вместе с тем недостаточно использующие в процессе своего создания системные свойства объектов, нам необходимо рассмотреть. Это целесообразно по двум причинам.

55

Системный анализ

Курс лекций

Во-первых, при работе со сложными системами, используя результаты предыдущих исследований, мы должны пред­ ставлять, какими методами они получены.

Во-вторых, мы должны осознанно подойти к изучению спе­ цифических методов системного моделирования и про­ гнозирования, которые будут рассмотрены позже. Мы должны понимать, что эти методы не есть некий палли­ атив, а являются единственным приемлемым способом количественного исследования поведения сложных си­ стем.

А для этого мы должны сначала рассмотреть методы тра­ диционные.

Известно высказывание К. Маркса о том, что наука только тогда становится наукой, когда начинает использовать матема­ тические методы — «дорастает до использования математики».

На самом деле это известное выражение не что иное, как конкретизация гораздо более общего принципа. А имен­ но, область знания только тогда можно назвать наукой, когда появляется возможность предвидеть ранее не наблюденное. И в этой связи предвидение, опирающееся на количествен­ ные оценки исследуемого явления, представляется наиболее убедительным.

Аналогичное замечание можно сделать относительно уп­ равления. Управление тем и отличается от спонтанных дей­ ствий, что имеет целью достижение совершенно определен­ ных результатов. При этом выработка управленческих реше­ ний опирается на прогноз последствий этих решений.

Подобное, достаточно очевидное, утверждение находит корректное подтверждение в строгой теории. Известная тео­ рема гласит, что управляемые системы являются одновремен­ но и наблюдаемыми. Математическое понятие наблюдаемо­ сти, несколько упрощая, можно трактовать как возможность

56

Возможности и ограничения традиционных методов моделирования

Лекция 4

для внешнего наблюдателя получать информацию о прошлом поведении системы и на ее основе предвидеть ее поведение в будущем.

Таким образом, без возможности прогноза того или ино­ го процесса не мыслимы ни строго научная теория этого процесса, ни управление им (последнее утверждение может показаться несколько категоричным, однако в следующих лек­ циях мы еще вернемся к данной проблеме).

Как мы говорили в первой лекции, системный анализ возпик как методология и методика построения строгих научных теорий и решения управленческих задач именно в тех пред­ метных областях, которые не обладали собственным универ­ сальным инструментарием прогнозирования. Были сделаны попытки заимствовать подобный инструментарий у классиче­ ской физики и механики, обладающих развитым математи­ ческим аппаратом, позволяющим проводить количественные расчеты, результатами которых, в частности, могли быть и со­ ответствующие прогнозы.

Однако, как мы показали выше, такие попытки, опира­ ющиеся на последовательный редукционизм, оказались несо­ стоятельными.

Поэтому в науках о Земле, экономике, биологии, медици­ не, военном деле и т. п. сложились собственные методы про­ гнозирования, многие из которых не были количественными, большинство «классических описательных» наук использова­ ли до недавнего прошлого в основном качественные методы.

В данных науках применение качественных методов зави­ сит от той концептуальной базы, на которой основываются взгляды конкретных исследователей. Поэтому, хотя в биоло­ гии, медицине, науках о Земле и т. п. есть некоторые общепри­ нятые концепции, существует большая разница в представле­ ниях различных научных школ по целому ряду важнейших вопросов.

57

Системный анализ

Курс лекций

Отсюда неизбежны отличия в исходной концептуальной базе при применении качественных методов прогнозирова­ ния. Конкретные же исходные концепции выбираются иссле­ дователями на основе их собственного опыта, т. е. интуитивно. Поэтому вполне правомерно применительно к прогнозирова­ нию в упоминаемых науках считать качественные и интуи­ тивные методы синонимами.

Хотя имеются и другие мнения по данному вопросу, од­ нако всегда в той или иной форме выделяется некая группа видов прогноза, которую условно можно противопоставить количественным методам прогнозирования. В каждой из на­ учных дисциплин можно встретить различные названия мето­ дов качественного прогнозирования, однако по сути их можно свести к трем группам:

1)морфологический анализ;

2)аналогии;

3)экспертные оценки.

Морфологический анализ включает в себя целый ряд приемов, объединенных по одному принципу — систематизи­ рованному изучению объекта с целью выявить его структуру и основные закономерности развития. При этом структура восстанавливается на основе наблюдения и описания ком­ плекса каналов массо-энергообмена, связывающих отдельные элементы и компоненты системы.

Эти каналы обычно локализованы в пространстве. Они наблюдаемы и их сочетание придает системе определен­ ный облик, или морфологию. Именно наблюдение, описание и классификация морфологии системы является в данном слу­ чае методом познания ее структуры и функциональной среды. Морфология объекта позволяет исследователям отнести его к тому или иному типу, или состоянию.

58

Возможности и ограничения традиционных методов моделирования

Лекция 4

Морфологический анализ, таким образом, опирается на общесистемные теоретические положения, изложенные нами выше. Но эта связь морфологического анализа и системной теории не постулируется. Потому что морфологический ана­ лиз возник значительно раньше системной теории.

Морфологический анализ лежит в основе целого ряда на­ ук о Земле, например геоморфологии, когда изучая строение рельефа поверхности Земли делаются выводы о ее внутреннем строении и динамике (т. с. по существу на основе морфоло­ гии прогнозируются прямо не наблюдаемые в данное время явления).

По существу морфологический анализ является основой целого ряда приложений в биологии и медицине. В данном случае по внешнему виду (живых организмов, клеток, органов и тканей и т. д.) делаются выводы о состоянии организма, что в свою очередь содержит элемент прогноза дальнейшего развития того или иного процесса.

Важную роль в морфологическом анализе играет выде­ ление реакций каждого из структурных элементов объекта па то или иное воздействие. Это дает возможность, учиты­ вая взаимное влияние элементов друг на друга, построить цепочку реакций объекта в целом на внешнее воздействие.

Всовременной прогностической терминологии это называет-

ся построить «дерево» или «список» неких событий.

Морфологический анализ дает возможность использовать всю сумму имеющейся информации об объекте. Однако этот метод имеет существенный недостаток, он не позволяет оце­ пить «скорость реагирования» объекта на внешнее воздей­ ствие, т. е. сроки наступления реакции на воздействие.

Метод экспертных оценок характеризует само его назва­ ние. Действительно, этот метод основан па анализе мнений и выводов различных экспертов о будущем состоянии изу­ чаемого объекта. Оставим в стороне способы организации

59

Системный анализ

Курс лекций

экспертиз и согласования мнений экспертов. Отметим пока лишь один очевидный недостаток этого метода — субъектив­ ность оценки.

Метод аналогий основан на поисках объектов-аналогов, о которых известен их отклик на те или иные воздействия. Метод предполагает допущение, что изучаемый объект будет вести себя при данном типе воздействия адекватно объектуаналогу. В географии это широко распространенный метод районов-аналогов.

Фактически аналогии есть наиболее часто встречающий­ ся прием не только в географии и геоэкологии, но и в естество­ знании в целом, а также медицине, военном деле и т. п. Дей­ ствительно, большинство соответствующих учебников опи­ рается на описание неких «классических» случаев (течения той или иной болезни, развития ситуации на поле боя, раз­ вития экономических кризисов и т.п.). Предполагается, что наблюдаемый объект, коль скоро он более или менее похож на «классический», «эталонный», будет вести себя аналогично.

Частным случаем данного метода является простая экс­ траполяция тенденций развития некоего объекта в будущее при сохраняющемся воздействии. В данном случае, например, некий район (если речь идет о геоэкологических исследова­ ниях) предполагается аналогичным самому себе в прошлом. Очевидно, что это верно лишь в случае, если природные территориальные комплексы в результате рассматриваемо­ го воздействия не потерпят существенной структурной пере­ стройки.

Метод аналогий можно считать характерным приемом применения на практике выводов классического для природо­ ведения сравнительно-описательного метода. Достоинством его является хорошая методологическая разработанность, воз­ можность привлечения традиционной качественной инфор­ мации, накопленной в рамках соответствующих наук.

60

Возможности и ограничения традиционных методов моделирования

Лекция 4

Но очевидны и недостатки метода. Далеко не во всех случаях можно найти объекты-аналоги, подвергшиеся данным чипам воздействий (ситуации-аналоги) и при этом наблюдав­ шиеся исследователями.

Можно подвести некоторые итоги краткому обзору каче­ ственных (интуитивных) методов прогноза. Общими чертами всех этих методов являются:

1.Относительная методологическая разработанность. Фак­ тически комплекс этих методов является конструктивным аппаратом классического описательного естествознания

иряда гуманитарных наук. В любых достаточно полных описаниях того или иного объекта исследования в тра­ дициях упомянутых научных дисциплин давать хотя бы беглые упоминания о генезисе (предыстории) развития этого объекта и современных тенденциях его эволюции.

2.Возможность использования качественной информации, накопленной в рамках традиционных описательных наук, что позволяет реально применять эти методы в практике составления соответствующих прогнозов.

3.Связь с системной методологией. Но связь, зачастую не формализованная, без стремления опереться на си­ стемную теорию, использовать ее для создания собствен­ ной теоретической базы соответствующих наук. Базы, которая обладала бы высокой степенью абстракции.

Выводы пункта 2 одновременно характеризуют существен­ ную ограниченность возможностей традиционных качествен­ ных методов прогнозирования на данном этапе. Среди этих ограничений важнейшие: описательность, большой объем и сроки исследования. По единому мнению специалистов, преодоление указанных проблем возможно только путем при­ менения количественных методов.

61