Теория системных исследований

Г.В. Соколов

ТЕОРИЯ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Введение

"Система — это средство
решения проблемы" [3 , стр.7]

Следуя гипотезе о законе гармонии составляющих целого [1] нетрудно догадаться о том, что мы переживаем очередной кризис отставания глобальных информационных ресурсов от наработанных человечеством и природой вещественных ресурсов, в результате чего падает производительность труда, неэффективно используются вещественные ресурсы.Оптимальное использование вещественных ресурсов при их линейном увеличении требует экспоненциального увеличения информационных ресурсов. Применение ЭВМ в управлении и в поддержке творческого труда находится на начальной стадии развития. Хотя именно в этой области деятельности человека от применения ЭВМ ожидается наибольший экономический эффект.

Что затрудняет разработки программ поддержки творческого труда?
Причин для этого достаточно много. В начальном периоде развития находятся и ЭВМ, и теория программирования, и теория моделирования, модели человека и мира. [2]. Что касается моделей человека и мира, то это комплексная проблема, к которой наука оказалась неподготовленной, поскольку она развивается бессистемно, по отдельным направлениям специализации в большой зависимости от "случайных" финансовых поступлений. А тут нужен комплексный подход с позиций различных наук.

2. Системный подход

Развитие системных представлений характеризуется постепенным переходом от простого к сложному — от структурных понятий к методам функционирования, которые определяют эффективность систем. Соответственно этому процессу должны эволюционировать и базы данных и знаний. Они должны постоянно перерабатываться, пересортировываться и переоцениваться.

Классификация систем строится на количественно-качественном принципе.Количество типов систем предложено уже более 40 [3 , стр. 24]. Теоретическое развитие системного анализа и понятий систем начиналось в области математики как приемов формализации процессов и функционирования объектов. Следует различать теорию систем численного анализа (дифференциальные уравнения для систем непрерывного действия и булеву алгебру для систем дискретного действия), предназначенную для описания процессов в системе, и теорию самих систем, включающую в себя и целеустремленные системы. В данной работе обращено внимание именно на целеустремленные системы, приложимые к решению различных технических, промышленных, экономических и социальных проблем.

С позиций набора всеобщих характеристик [3] системы подразделяются на:

—простые или сложные (по отношению к управлению);
— детерминистские или случайные (вероятностные);
— статические (функционирующие) или динамические (развивающиеся);
— моноцелевые или полицелевые.

Обособленный анализ развития и функционирования системы друг от друга неверен теоретически и вреден практически. Прогресс науки может состояться только при оптимальном включении в функционирование других социальных институтов (прикладной науки, производства, обучения, формирования культурных ценностей) [3, стр. 53].

Рекомендуется учитывать следующие правила системного анализа:

— правило целостности: (из свойств элементов системы нельзя вывести свойства системы);
— возможность структурного и функционального описания системы;
— множественность описания системы: построение множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь одну из сторон системы;
— взаимозависимость системы и среды;
— системность прогнозирования: взаимоувязанность и соподчиненность прогнозов объекта, фона и их элементов;
— иерархичность;
— соразмерность ресурсов на цели одного уровня иерархии.

3. Виды описаний систем

Само описание предметов мира (системы) подразделяется на структурное и функциональное (отражение пространственных связей и процессов во времени). Явное функциональное описание предполагает неявное структурное, и наоборот явное структурное - неявное функциональное, так как любое описание системы должно отражать ее пространственные и временные характеристики. В соответствии с выше сказанным, автором сформулированы следующие определения.

Функциональное описание — это отражение конкретного функционирования ("поведения") системы и ее частей во времени с допущением выбора из многих вариантов одного варианта исполнения частей и целого по структуре.

Структурное описание — это отражение конкретного варианта внутренней структуры системы описанием ее состава, связей с допущением выбора из многих вариантов одного варианта функций частей и целого.

Выбор же конкретного варианта, как правило, зависит от целей, условий и от других случайностей, происходящих в данный момент времени.

Функция системы проявляется в смене состояний системы по некоторой траектории состояний (Xn), (xi(tk) — значение i-го параметра системы в момент времени tk) [3, стр. 36]. Физические системы объективно стремятся к максимуму энтропии (к покою), а живые существа движутся в направлении лучшего приспособления к среде, к увеличению информационных и вещественных ресурсов [4, стр. 11]. Равновесной (устойчивой) система остается до возникновения новой проблемной ситуации. Для того чтобы развиваться, система должна непрерывно функционировать и иметь гармоничное соотношение между равновесными (гомеостатическими) и неравновесными (противоречивыми) структурами в этой системе [3, стр. 53].

На рис. 2 поясняются сформулированные выше определения описаний системы. Ограничивающими условиями для систем являются информационные I(t) и вещественные M(t) ресурсы, а также, цели C(t), где:

t - время;
F - одно из функциональных описаний из F1...Fn;
S - одно из структурных описаний из S1...Sm;
Ts - время выбора структуры S;
Tf - время выбора функций F.

Ограничения Is, Ms и Cs определяют выбор структуры S из ряда S1...Sm, a ограничения If, Mf и Cf — выбор функции F из ряда F1...Fn. Избирательность (s и f) возникает именно при решении той или иной задачи выбора, поскольку сами условия I(t), M(t) и C(t) одни и те же для обеих задач.

В зависимости от предметной области время T определяется или временем принятия решения или длительностью естественных процессов. Например, временем обучения какой-либо профессии. В электронике такой параметр называется задержкой, временем реакции системы или циклом срабатывания.

Количество "входов" S и F, количество самих задач и последовательность их исполнения зависит от вида моделируемой предметной области. Пунктирные связи (рис.1) показывают замкнутую схему, по которой разрабатываются большие системы. Цикл задач повторяется до тех пор, пока не найдется вариант, удовлетворяющий заказчика. В электронике такая схема с обратными связями отдаленно напоминает генератор сигналов. В жизни эта схема моделирует смену поколений в растительном и в животном мире.

В радиоэлектронике принято раздельное описание структуры системы (блок-схемы, функциональные и принципиальные схемы) и ее функций (циклограммы, временные диаграммы, алгоритмы преобразований сигналов в символьной форме).

В психологии известно такое крайнее направление исследований, как бихевиоризм, представляющее собой избирательность исследований только на функциональном описании психических явлений. В программировании также можно проследить склонность к разработкам языков, программ, основанных или на структурном описании, или на функциональном. Подобные явления отклонений в ту или иную сторону можно проследить во всех сферах жизни — в экономике, в управлении государством, в производственной сфере.

В статье [7] приводится математическое доказательство взаимно-однозначных отображений данных описаний. Такое отображение может иметь место только в частном случае, при неизменных вариантах функций, структур, ограничительных условий. В этом случае имеет смысл только однократное исполнение той или иной задачи без выбора вариантов:

S : <{Sin, Sout}, W, Ps>; Ps из P

F : <{Fin, Fout}, W, Pf>; Pf из P, где

Sin - множество всех основных элементов системы,
Sout - множество элементов взаимодействия с окружением,
Fin - множество процессов достижения цели,
Fout - множество процессов взаимодействия с окружением,
W - множество булевых операций (И, ИЛИ, НЕ),
P - предикаты, используемые для описания отношений на множествах {Sin, Sout, Fin, Fout}.

Примером системы моделирования, разработанной на основе функционального описания, может служить работа автора данной статьи (система Старт С90) [8].

Литература

Трапезников В.А. Управление и научно-технический прогресс. М., Наука, 1983.
Нариньяни А.С. Искусственный интеллект: стагнация или перспектива?// Сб. в трех томах (том 1). Шестая национальная конференция по искусственному интеллекту - КИИ’98, 5 - 11 октября, Россия, Пущино, 1998.
Гладких Б.А. и др. Основы системного подхода и их приложение к разработке территориальных автоматизированных систем управления. - Томск: ТГУ, 1976.
Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. - М.: Наука, 1987.
Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. — М.: Высшая школа, 1989.
Александров Л.В. и др. Роль изобретений в разработке эффективных технологий. Учебное пособие. — М.: ВНИИПИ, 1991.
Телемтаев М.М. Алгебраическая модель технологической системы// Электронное моделирование. - 1990. - т.12, N 4.
Соколов Г.В. Имитационная ситема функционального проектирования и моделирования Старт С90// сб. Методы теоретического и системного программирования /Под ред. В.Е. Котова. - Новосибирск, 1991.

Краткая историческая справка

Множеству всеобщих категорий соответствует множество познавательных подходов, каждый из которых освещает свои существенные свойства изучаемого предмета. Системный подход есть один из элементов материалистической диалектики (общих закономерностей развития объективной действительности). Объект познается как система тогда и только тогда, когда относительно него решается задача определенного (системного) типа [3 , стр.8].

Исходной точкой отсчета деятельности человека является его мировоззрение, отражающее материальное единство мира и диалектику его развития [4]. Насколько систематизировано (упорядочено) сознание человека, настолько упорядочена и его деятельность. Человек живет в окружении природы, общества и производства, рис.1.

Развитие производства, науки и техники шло от ручного труда к механизации, от механизации к автоматизации. Параллельно этим процессам развивалась наука об управлении (кибернетизация) и информатизация, что нашло выражение в общей теории систем или теории системных исследований.

По мере информатизации во всех областях науки и техники более актуальными становятся проблемы диалектической связи информационных и вещественных ресурсов человеческого общества, проблемы машинного представления концептуальных знаний. Прогресс в данной области науки и техники зависит от развития основ информатики, основ общей теории систем — языка для междисциплинарного обмена.

Необходимо различать некую двойственность понятия "информация". Со стороны природы объекты материального мира "связаны" через поля различной природы (электромагнитные, гравитационные и т. п.) и через непосредственное соприкосновение. И эта "природная" информация существует независимо от человека. Со стороны же человека информация имеет некий описательный характер, отражающий его взгляд на окружающий мир. По мере развития человека и общества меняются как способы хранения и передачи информации, так и адекватность отражения материального мира.

Теории включают принципы, закономерности и законы в своей области знаний, превращая их в целостную систему. А принципы — это обобщенные опытные факты (С.И. Вавилов). Диалектика развития техники заключается в циклическом взаиморазвитии технологии и техники с параллельным развитием фундаментальной науки. Авторы [6] вводят термин "производственное решение", под которым понимают любой допустимый вариант сочетания технологии, техники, организации и управления производством (в западной литературе Г. Саймоном предложен термин artfakt "артефакт"). Здесь же [6, стр. 31] указываются десятки специалистов и ученых, занимающихся методологическими проблемами техники.

Постижение истины есть непрерывный процесс, в котором на равных участвуют как фундаментальная, так и прикладная науки, хотя, как правило, недооценивается прикладная наука [6, стр. 9]. Объяснить это можно постоянной сменой ее задач, появлением новых технологий и комерческой тайной. На создание одного только банка знаний фирмы "Дженерал электрик" (США) затрачено свыше 7 млрд. долларов. Работы эти засекречены и преследуют далеко идущие цели — технологическое преобладание по уровню разработок над всем остальным миром, [6 , стр. 30]. Только осознанный, выраженный в четких правилах и приемах, опыт вполне инструментален.

Конец обзора

Теория системных исследований

Г.В. Соколов