- Подробности
- Категория: Лекции по моделированию и оценке техногенного риска промышленных предприятий
Галяутдинов И.И. Лекция № 2
По учебному пособию: Белов Петр Григорьевич
Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере: Учеб. Пособие для студ. высш. учеб. заведений/ Петр Григорьевич Белов.- М.: Издательский центр <Аккадемия>, 2003. - 512 с.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПАСНЫХ ПРОЦЕСОВ В ТЕХНОСФЕРЫ
Общие принципы системного анализа и синтеза
Содержание данной лекции связанно с раскрытием сущности системного подхода к исследованию сложных процессов. При этом предполагается, что <системность>- это учет лишь самых существенных факторов, а не всех, что не возможно, да и не нужно в принципе. Цель лекции - уяснение наиболее общих руководящих положений и базовых категорий, а также приобретение знаний и навыков, необходимых для выявления и учета таких факторов на практике.
1.1. Понятие и краткая характеристика систем
Прежде всего уточним, что систем как таковых в природе не существует, а имеются лишь конкретные предметы, и объекты, процессы и явления. Иначе говоря, система- это искусственно введенное понятие, служащее средством представления достаточно сложных объектов и используемое в целях их более качественного исследования и совершенствования. Отметим также, что до сих пор отсутствует общепринятое определение как самой системы, так и некоторых ее наиболее существенных характеристик - структуры, например.
Несмотря на эти, казалось бы, странности, системный подход находит все более широкое применение во всех отраслях человеческой деятельности. Следует подчеркнуть, что основоположником общей теории систем был наш соотечественник А. А. Богданов (известный из - за критики его <технологии> В. И. Лениным), хотя официально признанными основателями ныне считаются Л. Берталанфи и У. Эшби. Кстати, многие из привнесших существенный вклад в развитие данного научного подхода были биологами и врачами, т.е. занимались решением сходных проблем, но на несколько ином, чем человеко-машинная система, уровне.
Следует согласиться, что выбор системы <человек-машина-среда >в качестве объекта исследования подтверждает необходимость использования системного подхода к анализу и синтезу. Однако, прежде чем приступить к изложению сущности и иллюстрации работоспособности соответствующих методов исследования, обеспечения и совершенствования, целесообразно уточнить самые общие понятие и принципы системологии.
Естественно, что начинать нужно с определения самых существенных признаков терминов <система> и с классификации ее видов. Под исследуемой здесь системой в последующем нужно понимать такую совокупность элементов, объединенных общими ресурсами, связями, функциональной средой и целью существования, которая обладает свойствами, отсутствующими у отдельных элементов. Элементами же будем считать всякие, условно неделимые и самостоятельно функционирующие части системы.
Что касается классификации систем (многоуровневого деления по каким-либо принципам ), то следует отметить отсутствие в настоящее время не только общепринятого их разбиения по группам, но и обязательно необходимых для этого признаков классификации. Хотя в качестве последних чаще всего используются природа (генезис) классифицируемых объектов, их состав, сложность или организованность, степень взаимодействия с окружающей средой, изменчивость во времени и характер реакции на воздействия. Одна из возможных классификаций систем приведена на рис. 1.1.
По первому признаку классификации- природе (происхождение и доступность) все системы разделены в верхней части рисунка на две группы: физические (естественные, материальные)- 1.1 и абстрактные (искусственные, идеальные)-1.2. Подобное разбитие сделано справа и для второго признака - их состава: гомогенные системы, характеризуемые однородностью и слабой связанностью составляющих их, внешне похожих частей (корпускул)-2.1, и гетерогенные, образованные как бы <спаиванием > своих различных элементов -2.2.
По степени взаимодействия с окружающей средой (обмену потоками энергии, вещества и информации) все системы могут быть разделены на открытые -3.1, закрытые-3.2 и изолированные - 3.3.
Примерами гомогенных систем могут служить технические ( 2.1.1) и организационные ( 2.1.1) системы, гетерогенных- человеко-машинные (эрготехнические ) системы, и этногеоэтосистемы (от греч. Eton's - народ, ge земля и etnos -уклад жизни ). Открытые системы могут быть поделены на равновесные (3.1.2) и диссипативные (3.1.1). Последние так названы потому, что они непрерывно рассевается часть своей свободной энергии, в том числе и в виде тепла, выделяемого в окружающую среду.
Что касается четвертого признака - сложности систем, то все они разделены на три группы: простые -4.1, сложные-4.2 и большие -4.3. Отличными свойствами двух последних считаются:
а ) уникальность - аналоги заметно отличаются;
б ) многоступенчатый состав - имеются иерархические подсистемы и компоненты;
в ) случайный характер функционирование и реагирования на воздействие факторов;
г ) многокритериальность оценки состояния - необходимость в векторных показателях качества;
д ) слабая структурированность и разнородность образующих их частей.
Это означает, что основным отличительным свойством большой системы служит размерность, не позволяющая провести ее исследование без предварительной декомпозиции (расчленения на компоненты ) с последующим агрегированием (укрупнением ) их элементов. Что касается существенных признаков сложной (в смысле исследования) и, конечно же, большой системы, то к ним относятся многомодельность, т. е. потребность в ансамбле соответствующих моделей и методов, да междисциплинарный характер их анализа и синтеза.
Наконец, завершающим, пятым признаком служит изменчивость системы, т. е. характер ее отклика по отношению к воздействиям различных факторов. В соответствии с ним системы обычно делятся на статистические (5.1), и динамические (5.2), а также на пассивные (детерминированные) и активные (стохастические).
В некоторых системах, помимо элементов, иногда целесообразно выделять их компоненты (подсистемы), под которыми нужно подразумевать совокупности относительно однородных элементов, объединенных общими функцией и ресурсом. Введение компонентов понадобится для упрощения описания процесса функционирование человеко-машинной системы в целом, поскольку образующие ее люди (персонал), используемая техника и окружающая их среда могут считаться подсистемами более низко уровня.
Дело в том, что представление каких- либо объектов в качестве компонентов системы более высокого уровня позволяет в последующем ограничиваться учетом лишь их самого существенного вклада в <поглощающую> систему. При этом совокупный вклад, сделанный каждым таким объектом, обычно характеризует соответствующий компонент системы в целом, т. е. проявляется как бы интегрально. Вот почему подобные совокупные свойства рассматриваемых объектов часто удобно называть интегральными, или системообразующими, свойствами - факторами, а их количественные оценки - интегральными характеристиками, т. е. соответствующими показателями.
Из вышеизложенного следует, что отличительные признаки системы определяются прежде всего системообразующими свойствами характеристиками их компонентов. В свою очередь, такие свойства позволяют рассматривать каждый объект не только как целостное образование, но и одновременно как компонент системы более высокого уровня. Интегральные же характеристики удобны для сокращения числа параметров, используемых при последующем формализованном описании и оценке соответствующих свойств как отдельных компонентов, так и системы в целом.
Более того, оказывается, что образование любой системы важную роль играет характер взаимодействия между подсистемами, а не специфика последних и тем более не количество образующих их элементов. Вот почему, пожалуй, самой важной характеристикой системы считается ее структура - множество тех связей и элементов, которые играют наиболее важное значение при обеспечение энерго - массо - и информационного обмена не только внутри самой системы, но и между нею и окружающей ее средой.
Поскольку в данном пособии в качестве объекта системного анализа и моделирования рассматриваются процессы, происходящие человеко-машинной системой и внутри нее, то в дальнейшем целесообразно пользоваться как структурой ее отдельных компонентов, так и обобщенной структурой этого сложного объекта. При этом под обобщённой структурой подразумевается некоторая генерализованная совокупность связей, с помощью которой реализуются энерго - массо - и информационный обмен между отдельными компонентами системы, а так же между нее и ближним окружением (рабочей средой).
Отмеченные только что особенности системного представления всех довольно сложных объектов и процессов позволяют экономно описывать их с помощью введения еще одной важной характеристики, называемой морфологией. Под морфологией рассматриваемых здесь человеко-машинных систем в последующем будем понимать зафиксированную в пространстве, т. е. физически реализованную, а потом и реально наблюдаемую совокупность взаимодействующих между собой звеньев их обобщенной структуры.
Наконец, довольно существенной характеристикой любой системы служит ее состав - множество образующих систему элементов и компонентов. Другой, тоже важной характеристикой - уже упомянутой в качестве признака системы - функциональная среда.
Данное понятие определяется совокупностью тех законов, алгоритмов и параметров состояния системы, в соответствие с которыми она образуется, существует, развиваться, а затем (рано или поздно) и гибнет.
Изложенные выше понятия могут быть проиллюстрированы на примерах из живой и неживой природы. В отличие от простейших гомогенных систем - того же муравейника или роя пчел - подавляющую часть отдельных биологических особей правомерно отнести к гетерогенным системами. Подобное можно сказать и о современном суперкомпьютере, компонентами которого служит большое число практически одинаковых и параллельно работающих электронно - вычислительных машин. Основными же подсистемами и элементами последних могут считаться, допустим, процессор и отдельная микросхема.
Другую, гетерогенную и чрезвычайно сложную систему представляет, конечно же, сама техносфера, а также составляющие ее человеко-машинные системы, выбранные здесь в качестве объекта системного анализа и моделирования происходящих в них процессов. Довольно сложны по всей структуре и все основные составляющие этих систем, которые в последующие этих систем, которые в последующем также будут рассматриваться не только как их компоненты, но и как самостоятельные подсистемы. А вот персонал конкретной эрготехнической системы, образуемый примерно одинаковыми (по своим интегральным характеристикам) людьми, в первом приближении уже может рассматриваться как гомогенная система.
Интегральным же свойством одного или нескольких специалистов может служить, например, их способность заниматься мыслительной либо физической деятельностью, а соответствующими системообразующими факторами - интеллект, работоспособность, квалификация, а также технологическая оснащенность, комфортность условия труда и отдыха людей после рабочего дня.
Наконец, функциональную среду отдельного работника или всего персонала какого -либо предприятия составляет законы физиологии, психологии, социологии и энерго - массо - и информационного обмена, действующие в условиях имеющихся у этих систем <межклеточной жуткости> и произведенной территории соответственно. А вот состав и структура этих систем будут представлены уже отдельными а) клетками, органами и специалистами; б) коммуникациями между нами, используемыми в процессе функционирования пищевой, кровеносной, дыхательной, нервной и выделительных систем каждого человека либо - взаимодействия обобщенной структуры человеко-машинные системы с ее окружением.
Предложенное выше системное представление исследуемых здесь систем и процессов позволяет наметить в последующем моделирование целесообразные приделы их обобщения и редукции.
Это означает, что какой - либо компонент рассматриваемой здесь эрготехнической системы может быть выделен как целостное образование и что учтены только его самые важные (интегральные) свойства и обобщения структура. При этом в ряде случаев достаточно ограничиться одним либо двумя разбиениями на подсистемы, что избавляет от подробной и трудоемкой детализации с ее ненужными частностями.
Отметим исключительную важность, которую играют в жизни систем их предназначение, которое наиболее ярко проявляется, например, для любых биологических систем - в их стремлении к самосохранению, невозможному без самовоспроизводства и самосовершенствования. Вот почему эти универсальные характеристики всех самоорганизующихся систем используется в качестве ключевых признаков при определении устойчивости, стабильности и живучести отдельных народов и национальной безопасности в целом.
1.2. Особенности организации и динамики систем
Еще одной характеристикой систем служит состояние, которое они занимают в каждый момент времени. Данная характеристика является неотъемлемым атрибутом функционирования любой системы и определяется всей совокупностью ее существенных свойств на данный момент их проявления. Если говорить более строго (необходимость в таком подходе будет проиллюстрирована ниже), то под состоянием следует понимать такой режим функционирования системы, при котором ее интегральные показатели находятся в гомеостазисе (или гомеокинезисе - для внешнего наблюдателя), а обобщения структура системы - неизменна во времени и пространстве.
При этом весь процесс функционирования или развития любой системы может быть наглядно представлен как ее перемещение по некоторой траектории. В свою очередь, каждая точка такой траектории должна быть интерпретирована в виде вектора соответствующих интегральных переменных (показателей) системы. Сама же траектория обычно принадлежит пространству всех ее возможных состояний, характеризуемому размерностью не меньшей, чем число тех показателей, которые входят в только что обозначенный вектор.
Проиллюстрируем динамику какой - либо системы, т. е. ее изменение во времени, на пример физического цикла в существовании организма человека. В качестве его интегральных переменных и показателей, используемых возраст, рост и массу, измеряемые годами, сантиметрами и километрами соответственно. Каждая пара этих параметров, включающая одну эту переменную и один показатель, будет образовывать соответствующую ось, а все оси - трехмерное пространство, начало которого соответствует нулевым значением его координат и относится, допустим, к моменту оплодотворения яйцеклетки в чреве матери.
Тогда жизненный путь каждого человека от его зачатия до смерти может быть представлен как множество прожитых им дней в чреве матери и лет за его пределами. При этом момент рождения будет характеризоваться уже не нулевыми значениями всех трех выбранных выше показателей, а точкой или вектором, имеющем примерно такие координаты его конца: 0 лет, 50см и 5 кг. А вот в момент смерти иметь, доступ, следующие значения: 84года, 180см и 106кг.
Каждый год, прожитый человеком или какой либо человеко-машинной системой, будет отличаться хотя бы одним из соответствующих показателей - координат, значит, и иметь особенное положение в выбранном для примера пространстве. Линия же, соединяющая все соответствующие его точки (концы векторов), и есть <траектория жизни >. Подобные перемещения конца любого вектора, иногда его годографом, для наглядности удобно проектировать на какую- либо плоскость этого пространства.
Хотелось бы также обратить внимание на два важных обстоятельства, учет которых обычно позволяет существенно упростить здесь системный анализ и моделирование процессов в техносфере: первое связано ограниченностью числа возможных состояний человеко-машинной системы; второе - с тем, что любая такая система не может выбирать их по своему усмотрению, т. е. совершенно произвольно.
Это объясняется упомянутым выше свойством рассматриваемых здесь целеустремленных систем, заключающимся в их естественном стремлении к сохранению устойчивости, стабильности и живучести. Действительно, ведь каждому диапазону внешних для них воздействий соответствует всего лишь одно, вполне определенное состояние системы. Поскольку общий диапазон подобных неблагоприятных воздействий - возмущений, в рамках которых может существовать как таковая, ограничен, то и общее количество ее состояние не беспредельно.
Сам же процесс функционирования (последовательной смены состояний) системы строго определенным соотношениями между энергией внешнего возмущения и собственной энергоемкости конкретно ее состояния. Если внешняя энергия превышает пороговых значений, не накапливается, а уменьшается в результате частичного рассеяния или преобразования в другую энергию ( как при фотосинтезе, например), то реакция системы на данное возмущение проявляется лишь в незначительном колебании своих существенных показателей либо в их эволюционном изменении (постоянном росте того же растения).
Один из наиболее общих механизмов сохранения системой стабильности связан с так называемым принципом Ле Шателье - Брауна, в соответствии с которым любое внешнее воздействие порождает ответную реакцию самоорганизации, направленную на ослабление его эффекта. Отметим также и то, что нахождение рассматриваемых здесь систем в устойчивом или стабильном состоянии проявляется в относительной неизменности их обобщенной структуры и интегральных показателей.
Смена или утрата определенных состояний системы, обычно сопровождаемая структурной перестройкой, происходит скачкообразно и нередко связана с причинением ей некоторого ущерба. Это вызвано тем, компенсационные механизмы системы уже не способны удержать ее в прежнем положении, и она утрачивает свою стабильность - по причине радикальной перестройки своей структуры и скачкообразного изменения соответствующих интегральных показателей.
Выбор же направления смены состояния осуществляется с учетом ограниченного числа альтернатив и делается это, как правило, ради сохранения системой своей устойчивости и стабильности. Если, они были предварительно нарушены в результате воздействия на нее внешних факторов или противоречивых внутренних. Чаще всего необходимость выбора альтернативного состояния возникает при выходе системы на так называемый режим функционирования <с обострением>, который иногда может завершаться возникновением кризисов, катастроф и катаклизмов.
Наиболее существенными отличительными признаками трех последних понятий является следующие. Кризис следует рассматривать как явление, свидетельствующее о необходимости адаптации системы к заметно изменившимся внешним или внутренним условиям. Он характеризуется сохранением ее самых важных характеристик и незначительными ущербом элементам. Однако появление кризисов следует расценивать как свидетельство необходимости некоторого обновления системы.
В отличие от кризиса возникновение катастрофы обычно сопровождается значительным и довольно резким изменением интегральных показателей системы вследствие преобразования и коренной перестройки ее морфологии и структуры. Еще более радикальные изменения, обычно приводящие к разрушению системы, наблюдаются при катаклизмах. Их появление равносильно краху, т. е. прекращению существования большинства систем.
Изложенный механизм смены состояний может быть проиллюстрированной системы. Ее функционирование обычно характеризуется такими возможными ситуациями, как:
гомеостазис или гомеокинезис, представляющие собой динамическое равновесие;
разного рода возмущенные состояния, вызванные появлением в ней ошибок людей, отказов техники и неблагоприятных для них внешних воздействий;
опасные, критические и катастрофические состояния.
Последние, как правило, связаны с возникновением происшествий, одновременно являющихся результатом нежелательного выброса энергии (вредного вещества) и следствие причинных цепей предпосылок.
Общая же модель функционирования исследуемых здесь систем может быть предоставлена как движение неупругого шарика по лестнице с очень широкими и чрезвычайно низкими ступеньками, которые будут предопределять его дискретные состояния. Естественно, что траектория перемещения шарика будет зависеть не только воздействия таких внешних факторов, как сила трения и тяжести, потоки воздуха и другие шарики, находящиеся в непосредственной от нее близости, но и от способности своевременного и удачного парирования таких факторов.
Логично предположить, что большую часть времени состояния шарика будут определяться ступенькам лестницы и характеризоваться соответствующими значениями вектора показателей из пространства возможных состояний. И лишь время от времени такой шарик может срываться на соседнюю ступеньку, что будет сопровождаться изменением его параметров, а иногда - и структуры. Эти срывы могут также сопровождаться, допустим, возникновением небольших трещин или малых пластических деформаций поверхности шарика.
Рассмотренный пример для наглядности иллюстрирует как ограниченное число и дискретность состояний реальных систем, так и строгую предопределенность изменения их траектории в процессе их функционирования. Столь же очевидно и то обстоятельство, что смена всех возможных состояний обычно осуществляется не только под воздействием каких - либо превалирующих в данный момент факторов, но и с учетом объективно действующих законов природы, например, объективно проявляющегося стремления энтропии системы к росту.
Этот всеобщий закон природы указывает не только на направление вероятного течения всех процессов, но и зачастую на конечный пункт соответствующих преобразований, как предопределяя положение их аттрактора (области притяжения интегральных характеристик). Вот почему нетрудно догадаться, что упомянутый выше шарик рано или поздно прекратит свое движение, либо достигнув нижней ступеньки своей лестницы (термодинамического равновесия с окружением), либо разрушившись вследствие накопленных в нем трещин и иных повреждений.
В завершение знакомства с закономерностями образования рассматриваемых здесь систем сформулируем ряд принципов общей теории систем и системной динамики, логично вытекающих из только что изложенного материала. Опора именно на эти и другие, приведенные ниже принципы, понадобится при практическом использовании излагаемых методов системного анализа и моделирования процессов в техносфере.
К основным принципам общей теории или организации систем отнесём следующие руководящие начала.
1. Любая система выступает как триединство цели, функции и структуры. При этом функция порождает систему, структура же интерпретирует ее функцию, а иногда и цель. В самом деле, даже внешний вид предметов нередко свидетельствует об их предназначении. В частности, нетрудно догадаться о том, что острой частью топора нужно рубить, а тупой - забивать.
2. Система (целое) - большое, чем сумма образующихся ее компонентов (частей), поскольку обладает эмерджентным (неаддитивным ) интегральным свойством, без остатка.
Эмерджентность наиболее ярко проявляется, допустим, при получении органами чувств человека какой - либо информации из окружающей его среды. Если глазами ее воспринимается примерно 45 %, а ушами -15 %, то вместе - не 60 %, а 85 %. Именно в результате появление новое качества люди создают малые группы и большие сообщества: семью - для рождения здоровых детей и их полноценного воспитания; бригаду - для производительной работы; политическую партию - для прихода к власти и ее удержания; государственные институты - для повышения жизнеспособности нации.
3. Система не сводится к сумме своих компонентов и элементов, а любое ее механическое расчленение на отдельные части приводят к утрате существенных свойств системы.
Действительно, расчленение человека или автомобиля на отдельные компоненты неизбежно приведет к смерти первого и невозможности самостоятельного движения - второго. Нечто похожее проявилось и в том, что СНГ не сохранило совокупного потенциала СССР, а наблюдаемые во вновь образованных государствах попытки бессистемного обеспечения частных <безопасностей> уже фактически привел к подрыву их национальной безопасности.
4. Система предопределяет природу ее частей. Появление в системе инородных частей завершаются либо их перерождение или отторжение, либо гибелью самой системы.
Об этом же такие три пословицы: а) <Каков поп, таков и приход>; б) <С кем поведешься от того и наберешься>, в) <Яблоко от яблони не далеко не укатится>. Отсюда вывод: не ищи, например, в дурной компании порядочного человека, а в насквозь коррумпированном правительстве - честного чиновника. И там и здесь эти люди будут предоставлять угрозу, отличаясь от всех остальных, а потому от них рано или поздно либо избавится, либо каким - то образом все равно <замажут>.
5. Все компоненты и элементы системы взаимосвязаны и взаимозависимы. Воздействие на одну часть системы всегда сопровождается реакцией со стороны других.
Данное свойство систем необходимо не только повышения их устойчивости и стабильности, но и для наиболее экономного сохранения живучести. Не секрет, что люди, допустим, с ослабленным зрением, как правило, лучше слышат, а лишенные каких - либо талантов - обладают более терпимый характером. Так же как верен и такой, безусловно справедливый, тезис: <сила есть - ума не надо>.
6. Система и ее части непознаваемы вне своего окружения, которое целесообразно делить на ближнее и дальнее. Связи внутри системы и между нею и ближнем окружением всегда более существеннее всех остальных.
Этот принцип (точнее, его начало) вытекает из так называемой первой теоремы о неполноте К. Геделя. В ней утверждается (применительно к аксиоматикам) о <невозможности вывода из самой этой системы всех истинных теорем о ней>. Вторая же часть данного принципа не нуждается в дополнительных комментариях в силу очевидности.
С помощью рис. 1.2 проиллюстрируем вопросы, позволяющие уточнить предметную область как уже сформулированных принципов общей теории систем, так и излагаемых ниже принципов системной динамики. На рисунке все эти вопросы разделены на две группы и пронумерованы, что обеспечивает четкую связь между поставленными вопросами и рассматриваемыми принципами и облегчает поиск ответа на каждый вопрос.
Другая группа рассматриваемых общих принципов относится уже к динамике исследуемых систем, т.е. к особенностям их изменения во времени. Она включает в себя те закономерности, которыми нужно руководствоваться в процессе изучения условий функционирования как человекомашинных систем, так и любых сложных объектов. К основным из таких руководящих положений, дающих ответ на вопросы правой части рисунка, могут быть отнесены следующие:
1. Поведение системы является следствием взаимодействия наиболее ее существенных элементов и связи между собой и окружающей их средой.
2. Определяющее влияние на функционирование системы оказывают те звенья ее морфологии, которые включают в себя обратные связи.
3. Состояние и обобщения структура системы служат причинной, а не результатом происходящих в ней изменений.
4. Проблемы создаются преимущественно внутри самой системы, а не в ее окружении.
5. Изучить сложную систему - это значит установить наиболее существенные отношения между ее элементами и окружающей средой.
6. При исследовании сложной системы важнее разобраться с ее обобщенной структурой, чем пытаться количественно оценить спрогнозировать все существенные характеристики.
7. Цель изучения сложной системы - анализ действенности различных стратегий улучшения, а не априорная количественная оценка ее интегральных выходных характеристик.
Рис. 1.2.Предметная область принципов организации и динамики систем
Кратко прокомментируем изложенные принципы. Сделаем это последовательно, но не для каждого из них, а поделив все рассмотренные здесь руководящие положения на три неравные подгруппы. При этом группа А будет включать принципы 1-3, группа Б - принцип 4 и группа В - принципы 5-7.
А. Из них следует, что поведение любой системы зависит не столько от характера каких- либо воздействий на нее, сколько самой системы. Ведь не зря же говорят о последнем, что <он имеет равно то, что заслуживает>, да и <к каждому из нас относятся так, как мы позволяем>.
Б. Конструктивнее начинать поиск причин наших неурядиц в самих себя, а не в других людей или системе в целом. Актуальность же данного принципа обусловлена психологическими особенностями восприятия ими подобных ситуаций. Например, когда у человека все ладиться, он расценивает это как собственную заслугу, если же нет, то начинает пытаться обвинить остальных людей, а иногда и всю систему, например <эту страну>
В. Количественный анализ любых сложных систем чрезвычайно трудоемок: надо выявить не только их состав, структуру, морфологию и функциональную среду, но и определится параметрами, показателями и интегральными характеристиками как всей системы, и ее наиболее существенных компонентов. Более того, нет гарантии высокой достоверности полученных при этом количественных прогнозов.
В завершение обратим внимание на два важных обстоятельства. Они касаются выбранного здесь объекта (человеко-машинные системы) и предметы исследования (объективные закономерности появления и предупреждения происшествий при их функционировании), точнее, тех особенностей, которые имеют существенное значение для моделирования, системного анализа и синтеза соответствующих процессов.
Во - первых, это трудоемкость моделирования и системного исследования человеко-машинной системы. Ведь не возможно определить ее существенные свойства без выявления структуры, а также оценить важность системообразующих компонентов без учета их интегральных свойств и взаимодействующих обратных связей.
Во - вторых, это невозможность точного прогноза интегральных показателей столь сложной системы, не говоря уже о траектории их изменения. Вот по чему основное внимание в моделировании процессов в техносфере следует уделять уяснению тех внутренних закономерностей и <узких> мест каждой конкретной человеко- машинной системы, воздействия на которые окажется наиболее результативным.
На эти принципиальные особенности впервые указал основатель теории нечетких множеств и теории возможностей Л. Заде. В частности, для названных им <гуманистических> (включающих людей) систем он сформулировал так называемый принцип несовместимости, сущность которого примерно такова. Чем сложнее система, тем менее правдоподобные точные количественные предсказания ее будущего поведения; если же сложность системы превосходит некоторый пороговой уровень, то точность количественного прогноза и практический смысл становится почти исключающими друг друга характеристиками.
Подтверждением же воплощения принципами несовместимости применительно к сложным системам служит, в частности, отказ метеорологов от выдачи достоверных прогнозов погоды. В настоящее время они рассуждают примерно так: <Вообще-то прогноз на завтра дать можно, но для этого потребуется не менее недели непрерывных вычислений на ЭВМ>. А вот предсказывать погоду на два месяца они инее пытаются, поскольку это не возможно. Дело в том, что существует так называемый горизонт прогноза: чем глубже анализируется проблема, тем неопределеннее становится ее решение.
1.3. Обобщенная структура системного анализа и синтеза
Краткое знакомство составными положениями общей теории системной динамики позволяет обосновать выбор тех основных моделей и методов, которыми следует позволяться не только при системном анализе интересующих нас (наиболее опасных) процессов в техносфере, но и в ходе синтеза системы обеспечения их безопасности. Дело в том, что к этому нас подготовил накопленный к настоящиму времени опыт научных исследований и приведенные обобщенные принципы применения системного подхода к рассматриваемым здесь проблемам.
1. При интерпретации объекта как системы каждый элемент следует описывать не как таковой, а с учетом его место в системе.
2. Исследование системы необходимо проводить неотделимо от исследования окружающей ее среды.
3. Центральным моментом системного исследования должно быть изучение порождения свойств целого из свойств элементов и наоборот.
4. В системном исследовании следует стремиться устанавливать не только чисто причинные объяснения функционирования и развития объекта, но и их целесообразность.
5. Источник преобразований системы следует искать в ней самой; нередко он связан с ее самоорганизацией и самонастройкой.
6. Необходимыми частями системного исследования нужно считать выявление целостности объекта, изучение его внутренних и внешних связей, структуры и функций, определение системообразующих факторов, интегральных свойств и показателей.
Наиболее полно предъявленным требованием удовлетворяет системно - целевой подход, названный одним из уже упомянутых основателей общей теории систем Л. Берталанфи. Такой подход базируется на основополагающих принципах общей теории систем и системной динамики, а также всеобщей теории управления (кибернетики) и теории самоорганизации и эволюции сложных систем (синергетики). Однако его сущность связана преимущественно с системным анализом и системным синтезом, широко используемыми при исследовании и совершенствовании больших и \ или сложных систем, в том числе при разработке и реализации в техносфере крупных научно-технических проектов.
Учитывая отсутствие в настоящие в настоящие время общепринятого толкования только что упомянутых категорий системного исследования, остановимся на уяснении их содержания подробнее. Начнем с того, что подчеркнем неразрывную связь и органическое единство системного анализа и системного синтеза как двух частей познания и преобразования мира.
В самом деле, изучая какой- либо сложный объект, мы его вначале нередко расчленяем, выделяя и рассматривания отдельные части, т. е. анализируем, а затем устанавливаем связи между зафиксированными элементами этого объекта, т.е. синтезируем его интегральные свойства. Другими словами, если анализ делает известными отдельные признаки сложного объекта как целостного образования и свойства его частей как самостоятельных предметов то их синтез уже систематизирует представления, добытые в результате анализа. При этом именно анализ выделяет и рассматривает те отличительные признаки и отношения между компонентами объекта, в силу которых они могут считаться счастью какого то целостного образования, и которые, следовательно, является существенными для синтеза.
Вот почему системный анализ полезен с точки зрения его способности выделять и рассматривать отличительные свойства, делающие их частью конкретной совокупности как взаимодействующих компонентов некоторого целостного образования. Не зря же эти категории системного исследования объектов иногда правомерно соотносить с понятиями <часть> и <целое>, уже упомянутыми при формировании принципов общей теории систем.
Таким образом, под системным анализом здесь будет подразумеваться одно из направлений системного подхода к изучению больших и \ или сложных систем, предполагающее мысленное расчленение сложного объекта (целого) для выявления его наиболее существенных частей - компонентов и свойств. Системным же синтезом следует считать второе направление системного подхода, концертирующее внимание на органическом соединении различных частей рассматриваемого сложного объекта в единое, целостное образование, уже обладающего качественно новыми свойствами, включая и способность к самоорганизации путем усложнения и дифференциации.
Еще раз подчеркнем - только методология системного анализа, а не механическое расчленение (редукционизм ) и соединение каких- либо компонентов, влечет за собой проявление рассмотренных ранее принципов системности.
Необходимыми же для такого анализа и синтеза условиями следует считать: а) практическую потребность либо теоретическую целесообразность; б) разнородность взаимодействующих компонентов и \ или дифференцированность окружающей их среды, способствующие их диссимиляции, а затем и ассимиляции в качественно новое и более сложное образование.
Иначе говоря, системный анализ и системный синтез - это такая форма исследования какого - либо целого и его частей, которая направлена на выявление в них совокупности системообразующих компонентов или свойств и устойчивых связей, необходимых для образования уже качество нового объекта. При этом такие компоненты, свойства и связи должна быть стабильными, т. е. сохраняться при внешних и внутренних возмущениях.
С онтологической точки зрения результаты системного анализа и системного синтеза могут рассматриваться как органическая совокупность элементов или их свойств, находящихся в отношениях реальной взаимосвязанности и временно видоизмененных. Именно такой подход, акцентирующий внимание соответственно на декомпозиции или искусственном расчленении сложных объектов на составные части, а затем на образовании или конструировании из этих частей нового целого, будет использоваться в последующем.
Последнее утверждение позволит далее ограничиться лишь познавательной и моделирующей функциями системного анализа и системного синтеза сложных процессов в техносфере. Для определения эвристической ценности представляется достаточным охарактеризовать эти два этапа как движение к новым знаниям. А вот моделирующая функция должна проявляться в таких отношениях между существующими и конструируемыми объектами, которые будут сопровождаться появлением нового качества.
При этом моделирование путем системного анализа и синтеза или наоборот - системный анализ и синтез на основе моделирования дадут такую возможность конструирование сложных объектов, которая детерминированная конкретным целеполагением и ожидаемыми результатами, а так же их пригодностью к практическому использованию. Ярким примером подобного отношения к применению системного подхода в прогнозировании может служить зарождение новой области научного знания - глобального моделирования.
В данном случае имеются в виду модели, разработанные членами Римского клуба, а также акад. Н. Н. Моисеевым и К. Саганом, и описывающие состояние биосферы Земли в зависимости от тенденций развития цивилизации и массового применения ядерного оружия. Разработка таких моделей стала возможной благодаря системному анализу происходящих в ней процессов. А вот системный синтез различных научных школ позволил не только выявить пагубные для человечества перспективы, но и предложить пути решения соответствующих глобальных проблем.
Сделанные выше пояснения позволяет дать следующее рабочее определение выбранному здесь научному методу. Системная инженерия - это междисциплинарный подход, в котором гармонично используется методы системного анализа и системного синтеза с целью выявления объективных закономерностей функционирования сложных объектов, а также учета их самых существенных факторов при последующем обосновании тех рекомендаций, реализация которых может способствовать повышению качества этих объектов.
Общая методология исследования и совершенствования больших и сложных систем методами системной инженерии базируется на их рассмотрении по таким аспектам:
А) системно - элементный, качественно и количественно характеризующий состав системы;
Б) системно - структурный, концентрирующий внимание на способах связи и организации взаимодействия ее элементов;
В) системно - функциональный, учитывающий задачи основных компонентов системы;
Г) системно - коммуникативный, рассматривающий ее вертикальные связи с другими объектами;
Д) системно - интегративный, определяющий факторы самосохранения и самосовершенствования сложной системы;
Е) системно - исторический, выявляющий условия ее возникновения, развития и гибели.
Реализованное подобным образом представление исследуемого объекта позволяет добиться успеха не только при его системного анализе, но и в процессе последующего системного синтеза. И если анализ непосредственно связан с моделированием, то синтез осуществляется уже путем поиска тех решений (эвристически или решением задач нахождения экстремума), которые могут быть положены в основу проектирования новой или улучшенной системы. Последовательно и кратко охарактеризуем самые основные шаги обобщенной процедуры практической реализации системной инженерии, на примере каждого из только что перечисленных этапов этого общенаучного метода познания и преобразования действительности.
Естественно, что начать это рассмотрение целесообразно с уяснения особенностей системного анализа и моделирования сложных объектов. Важность первого этапа связанна с тем, что их практическое применение в системном исследовании интересующих нас процессов в техносфере позволит в последующем обеспечить удовлетворение таких важных требований, как: а) поиск ответа не только на традиционные вопросы типа <зачем>, <почему>, <как>, но и <в какой очередности> они происходят; б) учет не всех (что и не нужно в принципе), а лишь наиболее существенных их факторов; в) возможность выявления основных закономерностей и прогнозирования соответствующих параметров с помощью моделей.
Уместность и конструктивность выбора моделирования в качестве основного аппарата системного анализа (да и системного тоже) рассматриваемых здесь сложных объектов и процессов обусловлены (сравнении с альтернативными исследовательскими инструментами - статистическим и экспериментальным) по меньшей мере такими тремя аргументами:
А) статистический подход требует отложенной системы сбора и обработки конкретной информации, а также малоэффективен в тех случаях, когда отсутствует данные, необходимые для оценки эффективности принципиально новых проектов, и затруднителен из-за невозможности учета всего опыта, накопленного в других сложных системах, - по причине их существенного различия;
Б) экспериментальный же подход не обеспечивает требуемой оперативности выявления интересующих исследователя закономерностей и требует больших затрат на проведение натурных испытаний; хуже того, он не может быть использован для опасных технологических процессов, поскольку это связано с угрозой здоровью людей, крупным ущербом материальном и природным ресурсам;
В) моделирование лишено части перечисленных недостатков, хотя и требует определенного времени - для подготовки высококвалифицированных специалистов, разработки моделей интересующих их процессов, а затем и для качественного и количественного анализа этих моделей.
Как показывает опыт исследования сложных систем, использование моделирования для системного анализа процессов в техносфере может оказаться вполне оправданным и плодотворным. В то же время не отрицается и применение статистического анализа и непосредственного экспериментирования, поскольку они могут использоваться как средство получения и обработки исходных данных, необходимых для моделирования либо проверки достоверности полученных с его помощью результатов.
Основная же особенность моделирования процессе функционирования конкретной системы и любого другого сложного объекта состоит в необходимости их одновременного представления сразу в трех подпространствах:
Входы - множество воздействий на объект со стороны внешней среды;
Состояние - совокупность его внутренних свойств, определяющих (совместно со входами) выходные реакции объекта;
Выходы - множество возможных откликов моделируемого объекта. Соответствующие параметры всех этих пространств в общем случае считаются факторами, изменяющимися во времени.
Естественно, что формализованное предоставление моделируемых таким образом категорий (объектов, явлений и процессов) предполагает их интерпретацию в виде систем. Текущее же состояние конкретной системы должно представляться векторами в каждой из только что перечисленных пространств, а процесс ее функционирования - движением конца результирующего вектора по некоторой траектории. Эту траекторию лучше всего представлять в виде совокупности уже совокупности уже упомянутых выше годографов.
Вторым (после системного анализа) обобщенным этапом исследования и совершенствования сложных объектов с помощью инструментария системной инженерии является системный синтез. Считается, что процедура его практического использования основывается на обосновании и реализации оптимальных решений, а основными подходами по их отысканию служат эвристический поиск и нахождение экстремума методами математического анализа или математического программирования. Кратко охарактеризуем особенности и области применения каждого из этих двух подходов.
С определенной условностью, все эвристические примеры поиска искомых решений могут быть разделены на интуитивные, дедуктивные и индуктивные. Принципиальным отличием приемов первого типа является то, что полученные с их помощью результаты не всегда подлежат обоснованию в том смысле, как это принято в формальной логике, а потому и не могут быть воспроизведены или объективно проверены другими людьми. Напротив, два других способа принятия решений тесно связанны с соответствующими методами построения умозаключений. В частности, дедуктивный метод используется в качестве исходных посылок общепринятые закономерности, а следствий - их проявление в конкретных условиях. Индуктивный же метод базируется на полном или упорядоченном переборе всех тех вариантов искомого решения, которые не противоречат объективно действующим законом природы.
Если же провести инвентаризацию известных ныне эвристических приемов, то оказывается, что их чуть ли не дюжина (11). В самом деле, это аналогия и имитация, призванные пополнить недостающую информацию; адаптация и повышение разнообразия - во имя повышения живучести проектируемого объекта; агрегирование, детерминация, декомпозиция, линеаризация и унификация - для упрощения исследуемой ситуации; ранжирование и оптимизация, направленные на компенсацию какой - либо неопределенности, и т. п.
Что касается методики поиска экстремальных (наименьших и наибольших) количественных результатов решения оптимизационных задач, то она довольно подробно описана в соответствующих учебниках по высшей математике (математический анализ) и ее прикладным разделам (линейное, нелинейное и другие виды математического программирования ). Естественно, что здесь не имеет смысла воспроизводить эту методику полностью, хотя не которые ее моменты и будут изложены ниже -перед решением конкретных задач.
В целом же обобщенная процедура совместного применения методов системного анализа и синтеза сложных объектов может быть представлена так, как это сделано, например, на рис. 1.3.
Подчеркнем совпадение структуры (см. рис 1.3.) с известной формулой трехэтапного познания и преобразования действительности: <от живого созерцания - к абстрактному мышлению - и от них к практике>. Однако это диаграмма более содержательна, так как включает в себя элементы так называемой гибкой системной методологии. Именно такая методология может оказаться конструктивной для системного анализа и системного синтеза тех рассматриваемых ниже человеко-машинных систем и процессов в техносфере, которые относятся к классу плохо структурируемых.
Обратим внимание на ряд дополнительных трудностей, сопутствующих системному анализу и системному синтезу процессов и явлений в таких сложных объектах, как рассматриваемая человеко-машинные системы, не говоря уже о техносфере в целом.
Во - первых, это большое число факторов, реально влияющих на человеко-машинную систему. С некоторыми преувеличением можно утверждать, что на процесс ее функционирования влияет буквально все или почти все. Действительно, ведь то, что влияет на человека, машину и окружающею их среду, влияет также и на совокупные свойства всей этой системы.
Во - вторых, это дефицит или низкое качество имеющейся ныне информации, что делает ее зачастую не пригодной для моделирования. Указанные причины обусловлены дефицитом моделей, позволяющих сформулировать требования к составу и параметрам оперируемых ими исходных данных. Если же нет спроса, то нет и целенаправленной работы по накоплению подобной информации.
Рис.1.3 Основные этапы системного анализа и системного синтеза
3. Наконец, <букет> неопределенностей, затрудняющих моделирование и принятие решений, основанных на его результатах.
Речь идет о таких видах неопределенности, как: а) объективная, связанная со случайностью процессов в рассматриваемых здесь сложных объектах; б) стратегическая, порожденная непредсказуемостью действий других подобных систем; в) гносеологическая, связанная с нечеткостью представления учитываемых факторов.
Однако перечисленные особенности выбранного здесь объекта, предмета и метода исследования не должны истолковываться как препятствие на пути к моделированию рассматриваемых процессов. Скорее, наоборот: осознание и своевременный учет подобной специфики сделают предложенные здесь модели и методы более корректными, а значит, и абсолютно необходимыми для всестороннего исследования и совершенствования исследуемых здесь сложных процессов в техносфере.
Контрольные вопросы по лекции № 1
1. Что такое система и из чего она состоит?
2. Существует ли в природе системы как таковые?
3. Что называет структурой и морфологией системы?
4. Какие основные признаки используется для классификации систем?
5. Приведите пример закрытой и изолированной системы?
6. В чем состоит принципиальные отличия между сложными и простыми системами?
7. Какой (гомогенной или гетерогенной) системой является фабрика?
8. Почему система может находится в сравнительно небольшом числе состоянии?
9. Можно ли по внешнему виду судить о предназначении системы?
10. Почему люди объединяются в малые и большие группы?
11. Какое содержание имеет термин <эмерджентность>?
12. Какие выводы следует сделать из принципа, утверждающего о том, что причинных и большинства проблем является сама система?
13. В чем проявляется сущность <принципа несовместимости> для сложных и больших систем?
14. Как называется выбранный здесь метод системного исследования и совершенствования сложных объектов и процессов?
15. Укажите связи между системной инженерией, системным анализом и системным синтезом?
16. Как состоится между собой системный анализ и моделирование?
17. Перечислите основные способы поиска оптимальных и рациональных решений, реализующих системный синтез?
18. Что такое эвристика и каково ее место в системном синтезе?
19. В чем состоим отличие между эвристическими, дедуктивными и индуктивными решениями?
20. Что означает <гибкая система методологии> и какова ее связь с известной формулой познания и преобразования действительности?
