2. Основные понятия системотехники. Сапр как объект системотехники
2.1. Концепция системотехники
Системоте́хника - научное направление, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем.
Основные понятия системотехники:
Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой.
Элемент – такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему разбиению.
Сложная система – система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов, свойствами целенаправленности, иерархичности, многоаспектности.
Подсистема – часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.
Надсистема – система, по отношению к которой рассматривая система является подсистемой.
Структура – отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей; понятие структуры отличается от понятия самой системы тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.
Параметр – величина, выражающая свойство или системы, или ее части.
В научном познании можно выделить несколько компонентов, дополняющих друг друга:
1) эмпирико-интуитивный, вероятно, наиболее древний, основанный на наблюдениях (экспериментах) и «угадывании» взаимосвязей между ними;
2) дедуктивно аксиоматический, принятый Евклидом в его «Началах»;
3) конструктивный, обобщенный Сократом, идущий от частного к общему и избегающий догматизма;
4) ассоциативный, более всего характерный для Максвелла и Эйнштейна, основанный на улавливании сходства между весьма отдаленными фактами и объединении разрозненных элементов при помощи новой более глубокой точки зрения.
Процесс познания всегда направлен одновременно от частей к целому и от целого к частям.
В системотехнике на равных правах используются все компоненты, это и определяет ее научную парадигму, сближающую методологии естественных и гуманитарных наук. Классическая методология «точных» наук основана на причинно-следственных зависимостях и выражается логико-аксиоматическим отношением: «если А истинно, а из А следует Б, то Б истинно». Иначе говоря, из А следует Б, но не наоборот. В частности, понимая под А систему аксиом, а под Б множество теорем, доказанных исходя из А, мы утверждаем, что Б есть следствие, но не основание А. Эта цепочка бесконечна: на основании Б делаются выводы В и т. д., но ни одно из следствий не воспринимается как обоснование А. Фундаментом являются аксиомы (в математике), законы (в физике), эмпирические факты и предположения (в физике на предположениях основываются гипотезы, если предположения экспериментально подтверждены, гипотезы становятся теориями). Доказав Б, В и т. д., мы не узнаем ничего нового об А: процесс познания строго детерминирован и следует закону причинности. Понятия в точных науках трансформируются в переменные, множествa и классы, связь между которыми устанавливается при помощи однозначных строгих формульных зависимостей.
Аксиоматический подход к элементному составу любого объекта весьма ограничен: в новом целом могут выявиться новые свойства частей, формирующих целое. Имея дело с новым объектом или с известным, но попавшем в новую среду или ситуацию, полностью полагаться на априорное знание опасно. Типовой состав переменных, которые описывают свойства компонентов объекта, может оказаться непригодным для целого объекта, более того, в различных структурах может потребоваться различный состав переменных, а как определить их — неясно. Трудности возникают и при установлении связей между переменными, поскольку число возможных связей нарастает комбинаторно по отношению к числу переменных. Части целого описываются на различных языках (проблемно-ориентированных или семиотических), если и удается перевести эти описания на язык математики, то объединить эти описания в единую математическую структуру редко удается. Все эти трудности вытекают из игнорирования многосвязности и взаимооп-ределяемости свойств и понятий.
В системотехнике вместо классического вопроса «что происходит» на первый план выступает вопрос: «что нам нужно узнать о том, что происходит». Части и целое выступают в диалектическом единстве и взаимопределяемости. Для объекта, рассматриваемого как система, решается проблема «что из чего состоит». Декомпозиция и композиция, анализ и синтез, познание частей через целое и целое через части выступают в единстве. Главная практическая задача системотехники состоит в том, чтобы, обнаружив и описав сложность, обосновать такие дополнительные физически реализуемые связи, которые, будучи наложенными на сложную систему, сделали бы ее управляемой в требуемых пределах, сохранив при этом области самостоятельности (следовательно, слабой предсказуемости), способствующие повышению эффективности системы. Таким образом, новые связи выполняют ограничительную и охранительную функции. Из всех методологических концепций системотехническая наиболее близка к «естественному» человеческому мышлению — гибкому, неформальному, разноплановому. Системный подход объединяет естественно научный метод, основанный на эксперименте, формальном выводе и количественной оценке, с умозрительным методом, опирающимся на образное восприятие окружающего мира и качественный синтез.
В исследовании любой проблемы можно выделить несколько главных подпроблем.
1. Выделение проблемы: учесть все, что нужно, и отбросить то, что не нужно.
2. Описание: выразить на едином языке, разнородные по физической природе явления и факторы.
3. Установление критериев: определить, что значит «хорошо» и «плохо» для сравнения альтернатив.
4. Идеализация: ввести рациональную идеализацию проблемы, упростить ее до допустимого предела.
5. Декомпозиция: найти способ разделения целого на части, не теряя свойств целого.
6. Композиция: найти способ объединения частей в целое, не теряя свойств частей.
7. Решение: найти решение проблемы.
Традиционно эти подпроблемы рассматриваются как этапы решения; предлагается осуществить их в строгой последовательности и получить решение. Процедура может быть многократной, циклической, но обязательно поэтапной.
Системотехника принимает как количественные, так и качественные оценки, однако отказывается от традиции поэтапного решения и существования последовательного алгоритма решения. Системотехника исходит из того, что для сложных проблем такого алгоритма может не существовать, а человеческий разум предназначен для решения именно сложных проблем.
Системный подход состоит в многосвязности процесса решения на основе развития и уточнения исходной модели посредством взаимодействия ее составных частей. Подпроблемы рассматриваются совместно, во взаимосвязи и диалектическом единстве. Рассматривать подпроблемы изолированно и последовательно, в отрыве друг от друга и, следовательно, от среды нерационально и неправильно. Раскрытие сущности проблемы возможно только посредством изучения диалектики взаимодействия подпроблем.
На рис. 1 приведена схема системного подхода. Она содержит перечисленные подпроблемы, которые решаются не поочередно, а одновременно, при непрерывном взаимодействии.
Рис. 1. Схема системного подхода
Модель (в общеупотребительном значении термина) строится на основании эмпирических или предположительных данных, которые не являются ни законами, ни закономерностями, это формальное представление наблюдаемых реальных или воображаемых событий. Модель позволяет увязать воедино многочисленные процессы и проследить влияние различных условий, т. е. входных данных. Аппарат модели — многократное воспроизведение взаимодействия процессов. В ряде случаев модель помогает выявить новые закономерности, которые не усматриваются при анализе известных закономерностей и исходных данных в силу их сложности, громоздкости, несопоставимости и разноязычности.
Моделирование в системотехнике реализует одну из основных кибернетических идей Винера о «черном ящике» — устройстве, о котором известно состояние входов и выходов, но неизвестно внутреннее строение и принцип действия. Винер предлагал следующий способ раскрытия «черного ящика»: рядом с «черным» ставится «белый» ящик, с полностью известным и изменяемым в широком диапазоне устройством. На входы обоих ящиков подается одинаковый по свойствам белый шум, а затем устройство белого ящика изменяется до тех пор, пока выходные функции совпадут. С точки зрения исследователя, ящики станут тождественными. При этом физическое содержание их может быть различным: белый ящик — не копия, а модель черного (допустим, белый ящик построен на электронных, а черный — на механических компонентах).
Оперируя сложными системами, нельзя использовать в качестве средства идентификации белый шум. Во-первых, исследуя систему, мы не можем делать с ней все, что пожелаем: систему недопустимо выводить из рабочего диапазона условий. Во-вторых, при создании новой, реально не существующей системы сами условия плохо известны. В-третьих, применительно к сложным системам трудно определить, что такое «белый шум». Поэтому вместо белого шума берется некоторый ансамбль важных для представления ситуации внешних воздействий, уточняемый в процессе моделирования. Законы, управляющие поведением таинственного ящика, зависят от ситуации.
На рис. 2 приведена схема раскрытия таинственного ящика с помощью моделирования.
Относительно новой несуществующей системы обычно известны (и то — не полностью) входы (определяемые средой) и выходы (определяемые назначением системы). Экспериментировать с такой системой невозможно — ее нет, в нашем распоряжении только «белый ящик» — модель, отражающая замысел, который и требуется совершенствовать до уровня соответствия заданному назначению. Модель позволяет проверять идеи, выдвигаемые в процессе разработки, методы и средства их реализации и оценивать предполагаемый результат. Но — не только.
Рис. 2. Схема раскрытия «черного ящика»
Модель — это самостоятельно действующая система, хотя и упрощенная. Она уступает теории в общности, зато превосходит ее в конкретности и ясности получаемых данных, целенаправленности, она точнее ориентирует мысль разработчика в том направлении, которое соответствует замыслу. При использовании нескольких моделей с различной целевой ориентацией возникает потребность в интерпретации и согласовании результатов моделирования, что создает предпосылки к объединению моделей и помогает созданию теории. В этом смысле модель является предтечей теории несуществующей системы, заменяя гипотезу и недоступный исследователю эксперимент.
Концепция системотехники состоит в представлении реальных (существующих) или воображаемых (создаваемых) сложных систем посредством упрощенных описаний, т. е. моделей, отражающих определенные, наиболее важные грани сущности сложной системы, и исследовании таких моделей. Формирование моделей осуществляется на основании тех данных, которые можно получить о сложной системе экспериментальными и интеллектуальными средствами. Теория имеет дело с идеализацией реальности, модель — с самой реальностью.
Системные модели гомеостатичны. Попробуем качественно представить себе процесс системного гомеостаза. Никаких средств восполнения недостающей и исправления ошибочной информации система не имеет. Однако в системе существуют три фактора, в силу которых осуществляется «генерирование информации» (этот термин уточним позднее) и рациональное согласование подсистем. Вот они.
1. Описание подсистем избыточно: для каждой подсистемы задаются значения входных и выходных величин («входов» и «выходов»); при этом возможно взаимное пополнение данных и исключение ошибок.
2. Сложная система имеет очень небольшие области значений входных и выходных величин составляющих ее подсистем, при которых система устойчива.