Теория развития систем. Задачи концептуального проектирования и их взаимосвязь с закономерностями развития систем
Бутенко Д.В., Бутенко Л.Н.
(Волгоградский государственный технический университет,
butenko@vstu.ru)
В настоящее время становится постепенно осознанным то, что для построения систем на качественно ином уровне новизны, а не просто их модернизации, необходимо быть вооруженным теоретическими представлениями о том, в каком направлении развиваются системы. Это необходимо для организации управления этим процессом, что повысит как показатели качества этих систем, так и эффективность процессов их проектирования, функционирования и эксплуатации.
Необходимо отметить, что на сегодняшний день в литературе отсутствуют определения таких понятий как «системный синтез» при наличии таких распространенных определений как «системный анализ», «системный подход». По нашему мнению это говорит об отсутствии законченных концепций о генерации холистических моделей систем любого типа. Одно из причин такого положения является очевидный кризис математического моделирования систем, не позволяющего ни описать процесс качественного перехода при исследовании существующих систем, ни тем более, описать эмерджентность при синтезе новых систем. Это говорит так же о недостаточности инструментальных средств, ввиду того, что математика оперирует контекстно-свободным языком, в то время как при синтезе систем необходимо обеспечить чувствительность присоединяемых элементов к существующему окружению и внешней среде.
Поэтому математическое моделирование с успехом описывает параметрический синтез, ему удается одномерная и многокритериальная оптимизация в этой области, но оно бессильно предложить новые решения, связанные с возникновением другого качества. На сегодняшний день проблемы обеспечения новизны при синтезе новых систем отданы «на откуп» так называемому эвристическому синтезу, рассмотрение инструментария которого поражает эклектичностью используемых там правил.
Стандартное определение эвристики звучит следующим образом: «эвристика это – некоторое утверждение или предположение являющее результатом обобщения соображений (знаний), здравого смысла или теоретических, экспериментальных знаний (данных), либо некоторая экспериментальная гипотеза или интуитивное суждение лица принимающего решения, обеспечивающего поиск рационального смыслового решения…» В соответствии с этим определением с очевидностью можно диагностировать плохую изученность форм представления знаний у человека, неразработанность теории получения выводного знания, с учетом немонотонности вывода в открытых системах знаний, отсутствие формальных языков высокого уровня для организации логического вывода. В связи с этим, вообще, возникает представление о необходимости повышения эффективности инструментальных средств для синтеза новых систем. Это, по нашему мнению, может быть достигнуто использованием тех методов, которые присущи искусству, что потребует детального анализа достижений гуманитарной сферы. а также интенсификации концептуального мышления как нового типа конструктивного мышления [1].
Отметим также, что попытки математического описания проблем семантики является по сути антисемантическим и сводит семантику к анализу имеющихся знаков, в то время как эффект смыслообразования является глубоко синтетической процедурой, описать которую математическое моделирование в принципе не может. Это и является причиной беспомощности в описании процессов решения неформализованных задач. На сегодняшний день в этот формализованный процесс включаются только отдельные небольшие эвристики (например, метод решения на И-ИЛИ графах). По нашему мнению проявленная постановка проблемы в ближайшем будущем должна привести к смене парадигмы научного знания и появлению семантических методов манипулирования и преобразования знаний, примером которого является технология концептуального мышления [2]. Отметим так же, что одним из способов преодоления проблем размерности при синтезе сложных систем, является дивергентность мышления человека [3].
Целью данной публикации, кроме освещения актуальности создания теории развития систем, является также описание взаимосвязи задач концептуального проектирования с общим массивом задач решаемых человеком в его проектной деятельности, а также с известными на сегодняшний день закономерностями строения и развития систем.
Ранее нами было показано, на примере технических систем [4, 5], что любая процедура проектирования систем должна содержать следующие модули: модуль генерации целей, аналитический модуль, формирование системы объекта, модуль синтеза, модуль оценки полученных решений. Эта совокупность модулей является инвариантной относительно системных уровней (в технических системах это уровень функциональной структуры, принципа действия, технического и параметрического решения) и должна отвечать требованиям групповой аксиоматики в смысле [7]. Такое построение эвристического алгоритма синтеза системы (эвроритма) отвечает фрактальному принципу синтеза систем, обеспечивающего компактность и унификацию процедур на всех системных уровнях.
Из метаправил, обеспечивающих интенсификацию процесса синтеза системы, отметим, что в теории концептуального мышления обнаружено, что возникающий ряд систем (нисходящее проектирование в технических системах) связан между собой отношением конкретизации и система высшего уровня является причиной для системы низшего, более конкретного, уровня [2]. Клиром [8] этот процесс назван реконструктивным принципом индуктивного вывода. Мы хотели бы отметить, что во-первых, этот вывод должен быть назван семантическим выводом, ввиду синтетического характера его результата и протекания его одновременно на разных уровнях (например, оценивание), а во-вторых, в некотором смысле, противоположен распознаванию образа, ввиду того, что под образом принято понимать множество объектов (или явлений) обладающих общими свойствами (признаками), а распознаванием называют процесс обработки информации об объекте, в результате которого последний относится к тому или иному образу.
В результате можно сделать вывод о том, что процесс создания новой системы только в качестве одной из составляющих содержит логический вывод, причем который протекает одновременно несколько таких процессов (анализ, синтез, оценка), результаты их сливаются, создавая феномен семантического синтеза. Поэтому синтез нового объекта не может быть обеспечен даже сложной совокупностью параллельно-последовательных логических выводов, а только информационными процессами на сложной внутренней ассоциативной многомерной семантической сети. Правомерность такого вывода подтверждается эффективностью решения задач классификации, диагностики и прогнозирования на нейронных сетях при полном бессилии синтеза чего-либо нового. Представляется, что для обеспечения этого феномена сеть должна расти.
Задачи, решаемые в процессе концептуального проектирования тотально присущи практически всем видам задач, решаемых человеком. Этими задачами являются: анализ, синтез, диагностика, прогнозирование, планирование, оценивание, классификация, задачи расширения, доопределения, преобразования. Можно показать, что во всех этих задачах присутствует вышеописанный процесс семантического синтеза. Главным эвристическим метаправилом для повышения его эффективности является использование в качестве посылок противоречивых описаний исходной системы и их семантического синтеза в новой системе. Использование такой технологии концептуального проектирования названо нами контрадукцией [9].
Известные закономерности строения и развития систем в литературе перечисляются в эмпирической классификации или в качестве эмпирических линий развития [10,11,12], которые уже представляют из себя попытку их целенаправленного использования для управления процессом возникновения систем.
Проанализировано [11] более 30 законов, которые условно разделены на три группы:
· Законы строения, отвечающие на вопрос, какие общие черты существуют в системах;
· Законы развития, отвечающие на вопрос, какие общие черты существуют в системах;
· Законы строения-развития, отвечающие на вопрос, почему и за счет чего совершается развитие.
Законы строения систем:
· закон иерархии множества функций системы и их соподчиненности;
· возрастание – убывание энтропии;
· зависимость потенциала от степени организованности системы;
· закономерность «наиболее слабых мест»;
· пирамидальное распределение ресурсов;
· правило золотого сечения;
· законы симметрии;
· законы корреляции параметров;
· закон Вебера-Фехнера;
· корреляция однородных рядов;
· организация техноценозов.
Законы развития систем:
· непрерывное увеличение объема и числа полезных функций;
· расхождение темпов жизненных функций элементов систем;
· четырехэтапное эволюционное развитие структуры системы;
· пирамидальный характер развития системы;
· стадийное развитие;
· внутрисистемная и межсистемная конвергенция;
· прохождение всех этапов эволюционного развития;
· переход с макроуровня на микроуровень;
· увеличение степени идеальности;
· развертывание – свертывание системы;
· рассогласование-согласование параметров;
· выделение линий развития;
· закон возрастания разнообразия.
Законы строения-развития:
· хаотическая самоорганизация
· принцип причинности;
· единство и борьба противоположностей;
· синергетические принципы;
· колебательный и циклический характер функционирования;
· перевод из одного качественного состояния в другое минимальным воздействием;
· полнота частей системы.
Более стройная концепция взаимосвязи закономерностей приведена в [13] феноменологически, но опять же без привязки собственно к процессу проектирования, особенно, новых систем и без объяснения, почему именно такая связь в виде закономерности устойчива. Отметим, что большая часть найденных закономерностей относятся к, так называемому, внутреннему проектированию и лишь одна из них – «стремление к идеальности» является семантическим обобщением использования других закономерностей. Она является одновременно целью и интегральным критерием отбора, главная же функция системы (потребность в ней) транслируется проектировщику из надсистемы и ,как указывалось нами ранее [6], является функцией инновационного маркетинга, который может использовать закономерности развития систем в качестве аппарата анализа. Очевидно, что эти закономерности носят характер метазнаний и необходима разработка методик их применения для обеспечения эффективности, устойчивости и интеллектуальности создаваемых систем
Отметим, что найденные закономерности могут быть применены для форсирования отдельных функций системы, а также для повышения показателей эффективности системы в пределах одного принципа действия.
В каком направлении целенаправленно изменять принцип действия, под которым понимается взаимосвязь физических, химических, биологических, социальных и других эффектов – на этот вопрос пока нет строгого ответа. Существует эвристическая рекомендация по переходу от макровзимодействий к микро-. В соответствии с ней для технических систем рекомендуется следующая последовательность: механический уровень, химический уровень, физический уровень. Детальная проработка для этих уровней отсутствует, а для биологических и социальных систем такая задача не ставилась вообще. Отмечаются только проявления этого феномена в биологических и социальных системах, например, в изменении характера войн, в способах воздействия на человека, например, психотехнических.
Что касается более высокого уровня - уровня функциональной структуры, то среди закономерностей ее изменения сформулировано лишь стремление к наращиванию функций по фрактальному принципу, а также отмечается, что принципу самоорганизации отвечают только структурные изменения, обеспечивающие качественные переходы, а не форсаж выполнения функций. Ответ на этот вопрос может быть получен при развитии теории катастроф, т.к. многие природные процессы могут рассматриваться как проявления этого феномена.
Многие закономерности структурных перестроек в системах, их механизмы, а также влияние окружающей среды изучается наукой о качественных изменениях – химии.
Плодотворной гипотезой в свете обсуждаемых проблем нам представляется предположение Клименко А.В.[7] о том, что природа состоит не из энтропийных, а из негэнтропийных объектов, способных к спонтанной самоорганизации, которая носит рекуррентный характер. Им указывается также и процессная компонента – обучение, запоминание и распознавание. В искусственном интеллекте также при описании его строения выделены подсистемы восприятия через абстрагирование и формализацию, обработки информации с функцией преобразования, подсистемы генерации поведения через конкретизацию и интерпретацию [14].
Резюмируя, можно сказать, что налицо процесс возникновения новой парадигмы проектирования и создания новых систем на основе существенного изменения инструментария проектировщика благодаря результатам изучения био- и техноценозов и моделирования естественного интеллекта средствами различных наук и синтетическое использование этих результатов.
Список литературы
Теслинов А.Г. Развитие систем управления: методология и концептуальные структуры. М.: «Глобус», 1998. 229с.
Теслинов А.Г. Концептуальное мышление как конструктивная философия. // XXX Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+SE`2003 Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2003г., с. 106
Суворов В.В. Манипулирование семантически сложными объектами – механизм креативного интеллекта. // XXIX Юбилейная Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+SE`2002 Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2002г., с. 256
Бутенко Д.В. Системологическое представление технической системы // Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии. Межвуз.сб.трудов. Волгоград, 1997 г.
Бутенко Л.Н., Бутенко Д.В. Компьютерная поддержка концептуального проектирования химико-технологических систем // XXV Юбилейная Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+SE`98 Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 1998г., с. 98.
Бутенко Л.Н., Бутенко Д.В. Компьютерная поддержка инновационного маркетинга // Компьютерная поддержка инновационного маркетинга. XXV Юбилейная Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+SE`98 Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 1998г., с. 569
Клименко А.В. Основы естественного интеллекта. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского ун-та. 1994, с.304.
Клир Д. Системология. Автоматизация решения системных задач. М., Радио и связь.,1990, с. 540.
Бутенко Д.В., Камаев В.А., Бутенко Л.Н. Использование противоречия для создания эволюционных цепочек технических систем // Тез. докл. II-ой Международной науч.-техн. конференции "Новые информационные технологии в региональной инфрастуктуре" Астрахань, 1995 г., c.22-23.
Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В., Филатов В.И. Поиск новых идей: от озарения технологии. Кишинев, Картя Молдовеняска, 1989 г., 382 с.
Камаев В.А. Концептуальное проектирование и законы строения-развития систем. // XXX Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+SE`2003 Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2003г., с. 87.
Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. М.Машиностроение,1988.-368с.
Саламатов Ю.П. Система законов развития техники.Красноярск,1996 г
|
Конференция