Основные принципы и методы прикладного системного анализа и моделирования сложноорганизованных объектов

Системный подход к исследованию процессов развития сложно организованного целого позволяет выявить логически полный диапазон его возможных преобразований, разграничить то, “чего хотелось бы” (область мыслимого или логически возможного), с тем, что объективно возможно в силу присущих развивающемуся целому структурных ограничений. Системный подход является общенаучной концепцией и в этом качестве выполняет функцию связующего звена между философией и многими отраслями конкретно-научного знания. Он конкретизирует и углубляет философское видение и понимание рассматриваемого объекта. По существу системный подход это – приложение диалектического подхода для решения практических и познавательных проблем[5].

К основным свойствам рассматриваемого объекта, являющимися основанием для видения его как системы, являются следующие:

- целостность, обособленность от окружающей среды. Объект обладает целостностью из-за наличия цели, которая обусловливает его функции и структуры;

- открытость, наличие связей с окружающей средой. Это свойство приводит к тому, что рассматриваемый объект является компонентом некоторого другого – объемлющего его объекта;

- возможность представления как состоящего из частей (компонентов);

- части сложного объекта связаны между собой и внешней средой, но внутренние связи сильнее связей с внешней средой, чем обуславливается целостность сложного объекта;

- эмерджентность – свойства системы, которые не присущи ее элементам в отдельности, а возникают благодаря объединению этих элементов в единую, целостную систему;

- недопустимость рассмотрения компонента сложного объекта вне его взаимодействия с другими частями;

- объект динамичен, он изменяется с разной интенсивностью.

Опыт исследования объектов различной природы и различного состава, содержания, области применения (физических, технических, биологических, эргатических, мысленных конструкций и т.д.) позволяет сформулировать три основных принципа[6] системного подхода[7]: физичности, моделируемости, целенаправленности.

Эти принципы достаточно полно отражают методологию системного подхода.

В соответствии с принципом физичности всякому сложному объекту (независимо от его природы) присущи физические законы (закономерности), возможно, уникальные, определяющие внутренние причинно-следственные связи, существование и функционирование. Никаких других законов (кроме физических) для объяснения действия сложных объектов любой природы (в том числе живых) не требуется. Принцип физичности предписывает выявление причинно-следственных связей между составляющими объектов любой природы и компонентами систем, моделирующих эти объекты. Формализация связей и определяемых ими автономных законов позволяет выразить на едином языке многоязычное описание объектов. Если автономных законов нет, совокупность объектов не образует целостного объекта, тогда это – хаотический набор составляющих.

Принцип моделируемости предопределяет представимость сложного объекта конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань его сущности. Этот важный принцип дает возможность исследовать определенное свойство или группу свойств сложного объекта при помощи одной или нескольких упрощенных (узко ориентированных) моделей. Модель, ориентированная на определенную группу свойств сложного объекта, всегда проще самого сложного объекта. Принцип моделируемости обеспечивает возможность использования в системологии упрощенных моделей, отражающих только те грани сущности сложной системы, которые интересуют исследователя. Выявление новых свойств и сущностей не обязательно должно сопровождаться построением обобщающих моделей, а может ограничиваться наращиванием библиотеки упрощенных моделей. Отражение сложного объекта в целом обеспечивается взаимодействием упрощенных моделей.

Принцип целенаправленности имеет особое место и роль в исследовании сложных объектов. В системологии целенаправленность понимается как функциональная тенденция, направленная на достижение сложным объектом некоторого состояния, либо на усиление (сохранение) интенсивности некоторого процесса. При этом сложный объект оказывается способным противостоять внешнему воздействию, а также использовать среду и случайные события. Вопрос о том, обладает ли реальный сложный объект «внутренней» целенаправленностью в точном терминологическом смысле – не обсуждается. Включая свою «системную» точку зрения в описание сложного объекта, исследователь создает эту целенаправленность и исходит из нее. Принцип целенаправленности распространяет практическую сторону человеческой деятельности на объекты любой природы. Принцип целенаправленности позволяет сопоставить сложному объекту любого содержания некоторый функционал, описывающий его существование как целого. Поскольку модель объекта отражает точку зрения исследователя, то этот функционал отражает и ее (например, учитывает полезность объекта).

Совокупность принципов системологии не только формирует единство в методах исследования и описания сложных объектов любой природы (от физических до абстрактных), но и создает концептуальную основу построения математического аппарата: на основании автономных метрики и законов сохранения строятся модели, которые оцениваются по целенаправленности.

На первый взгляд, принципы физичности и целенаправленности могут показаться несовместимыми, принцип моделируемости противоречащим постулату целостности, а вся совокупность принципов – эклектичной. Это не так. Законы физики известны достаточно хорошо – по крайней мере в той части, которая непосредственно связана с человеческими потребностями, кроме того они формализованы. Биологические и общественные сложные объекты целенаправленны, они подчиняются особым законам. Искусственные сложные объекты действуют в соответствии с закономерностями, которыми наделил их создатель.

В настоящее время в системных исследованиях используются следующие уровни абстрактного описания сложных объектов[8]:

- символический и лингвистический;

- теоретико-множественный;

- абстрактно-алгебраический;

- топологический;

- логико-математический;

- теоретико-информационный;

- динамический;

- эвристический.

Перечисленные уровни описания реализованы в философском, математическом, структурно-функциональным, эвристическом, конструктивном подходах к созданию формального аппарата общей теории систем[9]

В философском направлении[10] теория систем рассматривается как раздел философии. На описательном уровне изучаются некоторые свойства больших систем. Имеются попытки создания математического формализма, который бы позволил выводить общесистемные закономерности.

Математическое направление характеризуется чисто формальным подходом и, по существу, представляет собой раздел математики. В самом общем случае система представляется как некоторая совокупность отношений на паре множеств[11]

S Ì X ´ Y,

где Х – входной объект, Y – выходной объект. Основной упор делается на исследование функционирования системы, а не на её структуру. Изучаются такие системные понятия как устойчивость, управляемость, наблюдаемость, достижимость. Как правило, изучается только принципиальный аспект этих понятий безотносительно к конкретным системам. Математическое направление включает в себя исследование классических системных моделей, среди которых основную роль играют следующие:

- конечные автоматы;

- динамические системы (системы дифференциальных уравнений, среди которых основную роль играют линейные дифференциальные уравнения);

- различные обобщения дифференциальных уравнений (интеграль-ные, интегродифференциальные, разностные, функциональные и т.д.);

- случайные процессы (наиболее изученные классы – марковские и стационарные процессы;

- системы массового обслуживания.

Разновидностью математического подхода является структурно-функциональный подход. Он возник в процессе решения задачи полнее учитывать структуру оригинала. Система представляется в виде

S = < C, G, X >,

где Х – структура (элементы и связи),

G – функции и X – эмерджентность, т.е. соответствие между структурой и функциями. В структурно-функциональном подходе разработаны ряд математических понятий, предназначенных для описания связей и отношений различных уровней (контем).

Эвристический подход базируется на эвристике – совокупности исследовательских методов, способствующих обнаружению ранее неизвестного. Эвристические методы – специальные методы решения задач, которые обычно противопоставляются формальным методам решения, опирающимся на точные математические модели. Система рассматривается как совокупность объектов и связей между ними и законов изменения этих объектов и связей. Структура системы в определенный момент времени называется ситуацией. Для представления ситуаций разработаны специальные языки. Формально представляя в этих языках правила преобразования ситуаций, можно осуществлять имитационное моделирование системы. Такие модели используются в системах управления большими системами (ситуационное управление). Принятие решений осуществляется в соответствии с некоторыми эвристическими критериями. Иногда эти критерии вырабатываются посредством самообучения управляющей системы. Эвристический подход нашел широкое применение при создании роботов, автоматических систем управления и др. В новейших работах, относящихся к эвристическому подходу, широко используются семантические сети[12]. Семантическая сеть представляет собой гиперграф, вершины которого – некоторые графы (фреймы, представляющие собой элементарные ситуации), а ребра соединяют между собой вершины либо подграфы. Элементарные вершины семантической сети (вершины фреймов) представляют собой понятия. В целом семантическая сеть представляет собой специальным образом организованную информацию о большой системе. Информация, включаемая в семантическую сеть, вырабатывается в процессе обучения системы искусственного интеллекта и носит эвристический характер. Область применения семантических сетей не ограничивается ситуационным управлением. Она включает в себя также моделирование психической деятельности, решение математических задач и т.п. Это единственное направление, имеющее существенные практические приложения.

Конструктивное направление в реализации системного подхода к исследованию сложных объектов базируется на конструктивном мировоззрении, лежащем в основах одноимённых направлений в математике и логике. Суть конструктивного подхода (мировоззрения) в математике и логике заключается в том, что при его реализации рассматриваются только конструктивные объекты и в рассуждениях об этих объектах не присутствует идея актуальной бесконечности. Конструктивными называются объекты, являющиеся либо элементарными знаковыми образованьями, либо сложными (но обязательно конечными) знаковыми конструкциями, возникающими в результате какого-либо конструктивного процесса. При этом относительно элементарных знаковых образований предполагается, что они однозначно опознаваемы – различимы и отождествимы, как, например, буквы некоторого алфавита, Простейшим видом конструктивных объектов являются слова в фиксированном алфавите, т.е. ряды букв этого алфавита. Конструктивный процесс – процесс, результатом которого является конструктивный объект. Конструктивный процесс, результатом которого является слово, состоит в данном случае в выписывании этого слова буква за буквой. Конструктивный подход к обоснованию математики допускает только те математические объекты и утверждения, которые могут быть получены с помощью алгоритмов. Достоинства конструктивного подхода достаточно ясны. Однако его последовательное применение показало, что он требует более радикальной ревизии основных понятий математики, чем это кажется с первого взгляда, и иногда приводит к значительным концептуальным и языковым неудобствам. Поэтому в качестве «математического мировоззрения» конструктивизм разделяется относительно небольшим числом математиков, хотя, пожалуй, никто не отрицает преимуществ конструктивных методов в тех случаях, когда они возможны. Конструктивное направление – частный случай реализации дедуктивного подхода в научном исследовании.

Дата добавления: 2015-08-13