Глава 4. Основы теории управления сложными системами

В результате изучения материала данной главы студент должен:

знать:

• концепцию сложной системы и основные элементы теории систем;

• основные принципы теории управления;

• основы структурного синтеза модели объекта управления

• основы информационного обеспечения когнитивных средств для управления сложными системами;

уметь:

• выявлять модели объектов и субъектов управления сложными системами, выбирать и синтезировать алгоритмы управления;

• осуществлять идентификацию параметров модели объекта управления;

владеть:

• навыками работы с программными системами статистического имитационного моделирования сложных систем.

4.1. Понятие сложной системы и основные понятия теории систем
и системотехники

Бурное развитие современных когнитивных, био, нано и информационных (NBIC) технологий породило новые феномены в природе и обществе, в сильной степени определяющие пути эволюции техносферы и биосферы. Технологическое преображение социума породило инновационныесвязи в биосфере и обществе. Эти связи и определяющие их инновационные явления потребовали выдвинуть новые научные парадигмы в виде теории систем и системотехники, которые обеспечивают адекватное описание этих новых феноменов. Новые фундаментальные явления встречаются в физике, техносфере, биологии, экономике и экологии, и они получили название сложных систем (например, природно технические системы-ПТС, мегаполисы, производственные комплексы, космические системы связи и вооружений и т.д.). И они с трудом поддаются описанию в рамках традиционной парадигмы точных наук. Это связано с тем, что сложные системы (явления или объекты) обладают рядом уникальных фундаментальных свойств – уникальность объектов, слабая предсказуемость поведения объекта, целенаправленность поведения объектов и как следствие – свойство саморепликации.

Принципиально новым подходом способным обеспечить описание подобных явлений является теория системного анализа. Эта теория родилась в тесном взаимодействии таких научных дисциплин как теория неравновесных термодинамических систем, теория случайных процессов, теория катастроф (теория динамического хаоса).

Успехи системного анализа позволили преодолеть ряд кризисов, связанных с развитием современных технологий и показали, что исследование сложных систем немыслимо без использования системных методов. Это убедительно показано в работах ведущих системотехников (например: М. Месарович, Я. Такахара, Дж. Клир, А.В. Петров, Л.А. Растригин, В.В. Дружинин, Д.С. Конторов, В.М. Ахутин). Поэтому далее следует формулировка основных системных принципов и понятий. Ниже кратко излагаются математические формулировки основных положений теории систем необходимые для работы в данной области.

И так, традиционно системой называют совокупность взаимодействующих элементов, которые в результате взаимодействия приобретают принципиально новые свойства, присущие именно этой совокупности. Эти свойства называют системными свойствами. (Другое название свойств – эмерджентность).

Как уже отмечалось среди систем можно выделить системы, которые называют сложными или большими системами и которые обладают рядом принципиальных особенностей:

1. Очень большое число элементов в системе (более 10¹⁴);

2. Все элементы в системе взаимодействуют между собой прямо или косвенно;

3. Структуры связей элементов носят иерархический характер;

4. Каждый элемент в системе может быть, в свою очередь, сложной системой со своими системными свойствами и со своими целями.

Наличие этих особенностей приводит к появлению принципиально новых свойств в этих сложных системах.

Уникальность – свойство, при котором каждая система не имеет полных аналогов своего развития во времени.

Слабопредсказуемость – знание поведения объекта на одном промежутке времени не позволяет предсказать поведение на другом промежутке времени.

Целенаправленность – система способна управлять своей энтропией при воздействии среды. В частности, это проявляется в свойствах сохранения системы как таковой, за счет саморепликации, адаптации и эволюции.

Сложные системы могут иметь различную природу. Это и традиционные физические системы (звезды, планеты, геологические, геофизические, и географические объекты и т.д.), технические системы (производство, энергетические системы, транспорт, связь), биологические системы (клетка, растение, животное, экологические системы, биосфера), экономические и социальные системы. Описание подобных сложных систем потребовало выдвижения новой парадигмы – системного подхода, основанного на сочетании достижений современной математики (теории множеств, абстрактной алгебры, теории меры), физики (теории динамических систем, теории случайных процессов, теории динамического хаоса, теории неравновесных открытых термодинамических систем).

Системный подход предполагает сочетание современных методов математики и современных методов экспериментальной науки (мониторинг) и преследует прагматические цели решения практических задач анализа сложных систем. На основе перечисленных достижений физики и математики выявляются закономерности и строятся математические и кибернетические модели сложных систем.

Как отмечал И. Пригожин, мы переживаем глубинные изменения в научной концепции природы и человеческого общества и подобные изменения отражаются в понятии сложной системы. Эти изменения породили потребность в новых системных отношениях между человеком и природой так же, как и между человеком и человеком. Идеи о слабой предсказуемости, нестабильности и флуктуациях в сложных системах начинают проникать в социальные науки. Ныне мы знаем, что человеческое общество представляет собой необычайно сложную систему, способную претерпевать огромное число бифуркаций, что подтверждается множеством культур, сложившихся на протяжении сравнительно короткой истории человечества. Установлено, что столь сложные системы обладают высокой чувствительностью по отношению к флуктуациям. Беспорядок и хаос, неопределенность и даже непредсказуемость, столкновение интересов и конкуренция, временность и постоянные перемены — это есть общий закон природы («порядок рождается из хаоса»). И в этой обстановке нужно научиться выживать и популяции человека. Та популяция, которая умеет использовать это свойство живой материи как сложной системы, может достичь успеха. Системная концепция рисков, которая учитывает непредсказуемость развития сложных систем техносферы и связана со свойством неоднозначности происходящих в сложных системах процессов.

Суть системного подхода состоит в том, что изучаемые объекты (сложные системы) представляются в виде иерархического набора взаимодействий между компонентами системы. Эти взаимодействия описываются (с помощью современных методов математики) в виде набора отношений между характеристиками компонентов системы и выступают как кибернетические модели системы. Чтобы подчеркнуть, что и сама система, и ее компоненты (подсистемы) описываются набором характеристик (физических величин, переменных, параметров, факторов) их часто при анализе называют объектами. Имеется в виду, что они выступают в качестве объектов эксперимента и являются «источниками» экспериментальных данных, которые превращаются (благодаря процедурам обработки данных) в измеренные значения параметров. Часто некоторые наборы удается объединить и ввести обобщенные параметры или факторы, которые удачно характеризуют объект (сложную систему) в целом. Примером таких интегральных параметров является риск. В дальнейшем исследователь или инженер использует именно эти кибернетические модели и интегральные параметры для принятия решений в отношении этих объектов. Этот подход особенно полезен в ситуации, когда традиционная наука (в настоящий момент) не обладает детальным описанием сложных систем в виде всеобъемлющих законов.

Таким образом, анализ и управление сложными системами предполагает использование системных методик и рабочих инструментов системотехники. В качестве одного из основных инструментов управления выступает мониторинг и управление рисками.

Поэтому ниже кратко излагаются основные принципы системотехники, необходимые для научного описания сложных систем. Это три принципа, объединяющие фундаментальные особенности существования и действия сложных систем. Они основаны на широком экспериментальном материале всего спектра естественных и математических наук и общественных соглашений.

Принципы теории систем