Этапы системного анализа-синтеза

Первым этапом системного моделирования является выделение реального объекта из окружающей среды. При этом выявляются взаимодействия системы с внешней средой, и, таким образом, определяются свойства системы, подлежащие рассмотрению и пониманию. Именно эти свойства и позволяют определить границы системы, отделяющие её от универсума.

Результатом первого этапа моделирования является структурная модель, называемая «черным ящиком».

Рисунок 3.1 – «Черный ящик» исследуемой системы

Вторым этапом системного моделирования становится выделение элементов системы, в предположении их взаимодействия, для обеспечения выявленных на предыдущем этапе свойств системы.

При выделении и соединении элементов устанавливается их взаимосвязь. Это производится мысленно, независимо от возможностей практического расчленения и воссоединения элементов и отражает логическую взаимосвязь элементов в системе.

«Подобно тому как, склеивая отдельные бифштексы, мы не получим теленка, но, разрезая теленка, можем получить бифштексы», так и «суммируя» отдельные элементы, нельзя получить целостной системы. Речь идет и о том, что анализ и синтез не должны разъединяться, и о том, что аналитическая деятельность переносится на модель, отделяясь от практической деятельности человека. Но этот перенос осуществляется только для того, чтобы стало возможным невозможное на практике аналитическое расчленение и синтез из выделенных элементов.

Рисунок 3.2 – «Серый ящик» исследуемой системы

На этом этапе системного моделирования возникают понятия целого и части, из которых происходят свойства целого (то есть результата взаимодействия его частей) и свойства частей в общем виде.

Важным результатом данного этапа системного моделирования является определение «уровня детализации», то есть установление атомарного уровня рассмотрения реальной системы. Выявленные элементы считаются «неделимыми» (атомами), нерасчленимыми, то есть неанализируемыми на данном уровне рассмотрения. Возможно, дальнейшее исследование потребует более подробной детализации, но это будут новые этапы моделирования.

Третьим этапом системного моделирования является установление взаимодействий выявленных элементов системы. Причем, оказывается, что элементы, представлявшиеся одинаковыми на момент выделения из системы, становятся различными по их месту в структуре взаимодействия и даже по выполняемым функциям. (В одном случае книга может служить источником информации, а в другом такая же книга исполняет роль груза при склеивании бумаги.)

Рисунок 3.3 – Структурно-логическая модель исследуемой системы

Таким образом, при анализе-синтезе определяется логическая структура системы. Причем каждый из входов (воздействий среды на систему) является входом (воздействием на) одного из элементов системы. Действительно, вход, не воздействующий ни на один из выявленных элементов системы, не вызывает взаимодействия системы с универсумом. С другой стороны, каждый выход (воздействие системы на среду) должен быть выходом ровно одного из выявленных элементов. Результатом данного этапа системного моделирования является установление логической структуры взаимодействия системы, как единства выявленных элементов, внутренних взаимодействий и взаимодействий с универсумом.

С диалектическо-философской точки зрения «часть» – внешне обособленный предмет, входящий в состав другого предмета («целого») и выполняющий в нем определенную роль», а «целое» – предмет, состоящий из различных частей и обладающий, в силу этого, определенными свойствами, «которых нет у отдельных частей и которые присущи лишь их координации... «Суммативных» целых (то есть таких, которые целиком сводятся к свойствам своих отдельных частей) вообще не бывает».

Четвертый этап системного моделирования заключается в том, чтобы, выявив элементы как различные и их взаимодействие как целостную систему, объяснить её свойства как целого.

Например, исследование какого-либо химического соединения должно раскрыть в нем его части и дать формулу его состава, объяснить его свойства как химического соединения. После установления, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, то есть из элементов, которые существуют в виде газов, из которых один горит, а второй способствует горению, требуется выявить свойство этого химического соединения, состоящее не только в негорючести, но и в предотвращении горения. Здесь требуется очередной этап системного моделирования – выявление свойств системы (целого), которые не только не сводятся к свойствам элементов (частей), но и не объясняются ими.

В химии, при рассмотрении реагирующих между собой соединений, вместо знания о свойствах соединений как целого используется знание о его отдельных частях и их количественных соотношениях. В приведенном примере с H₂O, новое знание используется нерасчлененно, как синтетическое, и представляет собой знание нового уровня, не химическое, а физико-химическое.

На этом этапе системного моделирования речь идет о выявлении эмерджентных свойств системы. Подчеркнем еще раз, что синтезированное знание никогда не является простым объединением знаний об элементах системы, но представляет собой новое знание о новом свойстве системы. И это возникшее (эмерджентное) свойство требуется осознать в рамках рассматриваемой системы, но с привлечением новых понятий. Таковыми будут выявляемые подсистемы.

Именно взаимодействие подсистем, а не элементов порождает эмерджентные свойства.

Но как только мы начинаем рассматривать свойства элементов как свойства подсистем, мы переходим на новый уровень детализации системы. И на новом уровне детализации эмерджентное свойство будет «объяснено», то есть «сведено к свойствам и взаимодействию элементов», образующих подсистему. Таким образом, эмерджентное свойство остается таковым ровно до того момента, когда оно становится «объясненным».

На рисунке представлена структурно-логическая модель системы, в которой выделены подсистемы a и b. Подсистемой называется подмножество элементов системы, логически связанное общей функцией или взаимодействием. При этом некоторые элементы одной подсистемы не взаимодействуют непосредственно с элементами другой подсистемы.

Рисунок 3.4 – Подсистемы в структуре исследуемой системы

Например, элементы Эл.1 a, Эл.3 a не связаны с подсистемой b, а элементы Эл.3 b, Эл.4 b не связаны с подсистемой a. Подсистемы взаимосвязаны через взаимодействие отдельных элементов: подсистема a воздействует на подсистему b через взаимодействие Эл.5 a и Эл.2 b, а подсистема b воздействует на подсистему a через взаимодействие Эл.1 b и Эл.4 a. Но именно результатом реакций подсистем на эти взаимодействие и являются эмерджентные свойства EP₁ и EP₂.

“Условием выделения какого-то знания отдельно является определенное соединение имеющихся знаний и такая их переработка, которая позволяет их расчленить и поставить разъединенные элементы нового знания в соответствие с частями предмета. Знание о части как специфическое по своему содержанию возникает именно в этом процессе. Анализ предмета осуществляется, таким образом, посредством синтеза частей» (М.К.Мамардашвили).

Эмерджентное свойство – свойство исследуемой системы S, проявляющееся в рамках некоторой метасистемы, в которой система S рассматривается как элемент. Например, монгольфьер (элемент метасистемы «монгольфьер-атмосфера») взлетает в воздух. Для объяснения эмерджентного свойства требуется детализировать (анализ) систему S, чтобы выявить её компоненты, результатом взаимодействия которых является рассматриваемое свойство. Атмосферный газ – воздух, обладающий своим удельным весом, монгольфьер, обладающий суммарным весом и объемом. Но для объяснения того, почему эти взаимодействия порождают эмерджентное свойство системы S, требуется детализация и этих компонентов, то есть определение их структуры и состава элементов. Соотношение веса и объема монгольфьера показывают, что его «удельный вес» меньше удельного веса воздуха. Это в свою очередь, объясняется тем, что в состав монгольфьера входит источник тепла (1-я подситема системы S), который нагревает воздух (2-й элемент нижнего уровня) внутри оболочки монгольфьера (3-й элемент нижнего уровня). Детализация источника тепла представляет его в виде системы своих элементов. Детализация воздуха объясняет причину его расширения при нагревании. Детализация оболочки объясняет её непроницаемость для воздуха. Таким образом, компоненты, взаимодействие которых порождает и позволяет объяснить эмерджентное свойство (оболочка, воздух внутри неё, нагреватель) должны рассматриваться как подсистемы исследуемой системы S.

В рассматриваемом примере S=<оболочка Å воздух внутри неё Å нагреватель>).

Следует различать совокупность свойств и эмерджентное свойство. Совокупность одновременно проявляемых свойств или действий есть синергия, но не эмерджентность. Аналогией синергии может служить сложение векторов. Набор свойств, моделируемых компонентами вектора, при этом остается тем же. Эмерджентность векторного пространства проявляется в таких операциях как векторное произведение, при котором возникает (emergence) новый вектор, выходящий из плоскости векторов-сомножителей.

Как показано на рисунке 3.4 эмерджентные выходы (свойства), вообще говоря, могут не являться выходами элементов или подсистем, но являются свойствами системы как целого, то есть как элемента некоторой метасистемы, для которой рассматриваемая система будет являться элементом нижнего уровня детализации. При рассмотрении взаимодействия подсистем изменяется уровень детализации модели и, таким образом, система, синтезированная из подсистем, неэквивалентна системе, составленной из элементов (стакан, заполненный молекулами воды, – неэквивалентен стакану, заполненному атомами кислорода и водорода.)

Здесь уместно вспомнить известную древнюю притчу о слепых мудрецах, пытающихся установить, что такое слон. Как говорится в притче первый, они ощупали его с разных сторон и обменялись полученными представлениями. Первый, дотянувшийся до уха, объявил, что слон подобен ковру, второй, ощупавший бок, заявил, что слон подобен стене, третий, держащий хобот, что слон подобен удаву, четвертый, обнявший ногу, что слон подобен столбу, пятый, дотянувшийся до хвоста, что слон подобен метелке. Все они по-своему правильно указали на какие-то особенности отдельных частей сложной системы "слон", но если даже сложить все их представления вместе, слона не получится. Целое, как отмечалось выше, не равно объединению своих частей. Чтобы получить полное и правильное представление о слоне как целостной системе, нужно познать закономерности взаимодействия частей и подсистем слона.

Таким образом, системный подход не должен допустить только «исследование живого слона слепыми мудрецами», то есть только анализа частей инструментальными средствами, но должен потребовать одновременного синтеза исследуемых частей. Синтез и будет прозрением для исследователей.

Реальная система должна восприниматься в ходе аналитической деятельности в её целостности, не ограничиваясь знаниям и оценками составляющих систему элементов и подсистем. С другой стороны, синтез не возможен без выявления элементов, так как он состоит в выявлении взаимодействия элементов и подсистем. Сами свойства системы возникают не из наличия частей, а из структуры их соединения в систему.

Система как целое возникает лишь в результате разделения на части с определенными свойствами. Процесс анализа обеспечивает синтез.

Структурное единство анализа и синтеза состоит в том, что один осуществляется посредством другого. Разрыв анализа и синтеза есть нарушение именно этого единства.

Анализ и синтез могут оказаться разорванными в аналитической деятельности на определенных уровнях познания, на определенных уровнях детализации систем. Например, при возможности выделения некоторой подсистемы и отдельного её изучения как целого. (Хобот слона может исследоваться отдельно от слона, как труба с изменяющейся пропускной способностью, которая обеспечивается вполне определенным строением, но не будет исследоваться происхождение изменений и их цель.) При этом аналитическая деятельность как единство анализа и синтеза будет производиться уже на другом уровне.

Еще одним специфическим случаем взаимодействия анализа и синтеза является синтетическое обобщение. Такое обобщение может происходить в математике, когда несколько теорем, рассматривавшихся и доказывавшихся отдельно и независимо друг от друга, обобщаются в одной общей теореме, для которой известные теоремы оказываются частными случаями. «Средство этого обобщения – совокупное рассмотрение всех этих взаимодействующих связей в их отношении к обобщаемой стороне, то есть сам переход к более общему знанию осуществляется синтетически – есть синтетическое обобщение» [7].

Пятый этап. После выявления эмерджентных свойств и подсистем, в результате взаимодействия которых эти свойства возникают, цель системного моделирования сводится к определению функций элементов и подсистем в выявленной логической структуре системы. Данный этап может быть назван функциональным моделированием рассматриваемой системы.

Фрагмент структурной модели системы показывает, что элемент Эл.1a имеет два входа и один выход, который, в свою очередь, будет входом для элемента Эл.3a

Рисунок 3.5 – Функциональное моделирование элемента системы

Функциональное моделирование блока Эл.1a состоит в определении функции, преобразующей входы блока в его выход z=F(x,y). Аналогично моделируются функции каждого из выявленных элементов. На данном этапе аналитической деятельности проверяется достаточность совокупности элементов и функций этих элементов для моделирования выявленных свойств составных частей реальной системы. В случае выявления свойств, для которых недостаточно составленной совокупности входных и выходных факторов элементов системы, потребуется уточнять структурную модель. Для уточнения структуры могут потребоваться новые исследования реальной системы.

Результатом данного этапа системного моделирования становится сложная система взаимосвязанных функций (система алгебраических, дифференциальных или других преобразований), описывающих переход системы из одного состояния в другое (в случае дискретной модели) или траекторию системы в пространстве состояний (в случае непрерывной модели).

Шестой этап системного моделирования - определение цели системы в терминах выявленных функций элементов и подсистем. Для этого потребуется соотнесение состояний системы и внешней среды. Описание состояния системы требует параметризации входных факторов (воздействия среды на систему) и выходных факторов (воздействия системы на внешнюю среду) с помощью некоторых переменных, которые могут иметь количественную, порядковую или качественную (номинативную) природу.

Цель существования (деятельности) системы определяется в терминах критериев достижения цели. В теории систем для этого определяется множество состояний системы, которые считаются соответствующими достигнутой цели. Множество таких состояний называется терминальным множеством T. Всякий критерий может быть описан с помощью некоторой целевой функции от выходных параметров системы. Причем последние могут иметь количественную или качественную природу, а также могут быть связаны со свойствами элементов или с эмерджентными свойствами. Таким образом, одной из задач системного моделирования на данном этапе является формирование и описание критериев достижения цели системой в виде предиката:

.

Критериев может быть несколько, и они могут также иметь различную природу. Тогда в дальнейшем процессе исследования системы потребуется решать многокритериальные задачи.

Седьмой этап состоит в выявлении переменных системы и параметров, которые, в отличие от переменных, поддаются только наблюдению, но не целенаправленному изменению.

Переменными называются в данном контексте факторы, на которые может воздействовать тот, кто управляет системой с определенной целью. Параметры системы наблюдаемы, и, возможно, неоднозначно зависят от переменных или являются независимыми факторами внешней среды. Параметры учитываются, но не могут изменяться произвольно с целью управления.

В результате анализа и синтеза совокупности воздействий на исследуемую систему и её целей возникает задача управления системой, которая состоит в целенаправленном изменении переменных системы для приведения её в одно из терминальных состояний.

Восьмой этап. Для управления системой недостаточно выявленных на предшествующих этапах элементов и свойств системы.

Рисунок 3.6 – Выявление обратных связей системы

До данного момента еще не выявлены такие взаимодействия в сформированной структуре, как взаимодействия и взаимовлияния выходных и входных факторов. Выявление «петель обратных связей» является важным этапом аналитической деятельности и позволяет выявить динамические закономерности функционирования системы. Обратная связь может вызываться как эмерджентными свойствами, так и зависеть от нескольких выходных факторов, например: , .

При этом различаются положительные (+) и отрицательные (-) обратные связи. Положительная обратная связь обеспечивает возрастание входного воздействия при возрастании выходного фактора. Отрицательная обратная связь обеспечивает уменьшение входного воздействия при возрастании выходного фактора.

,

.

Отметим, что для участия в обратной связи факторы должны иметь количественную или порядковую природу.

В случае участия нескольких факторов в обратной связи, может возникнуть сложное сочетание положительной и отрицательной обратных связей, причем разделить эти взаимосвязанные воздействия может быть не только сложно, но и невозможно. Такую взаимосвязь можно считать свойством самой системы и включить её во внутренние взаимодействия, что приведет к необходимости уточнения результатов предыдущих этапов аналитической деятельности.

Таким образом, проводится анализ-синтез обратных связей, определяющих динамическое поведение исследуемой системы. И на этом этапе анализ и синтез неразделимы, и обратные связи самим своим существованием еще раз подчеркивают их диалектическое единство.

Девятый этап состоит в определении управляющих воздействий. Предыдущие этапы аналитической деятельности подготовили логическую основу для структурного и количественного определения воздействий на систему с целью приведения системы в заданное состояние.

Полученная структурная и функциональная модель системы, учитывающая взаимодействия элементов и подсистем, обратных связей и временных характеристик взаимодействий, позволяет при наличии соответствующего математического аппарата, выявить переменные системы, изменение которых по заданному закону приведет систему в заданное целевое состояние. Однако для сложных систем такой аппарат не всегда существует. В этом случае его создание и становится высшей фазой аналитической деятельности.

Дата добавления: 2015-07-15