Развитие системных представлений в науке и практике

Системность мироздания и процессов его познания впервые была осознана философией приблизительно за 100 лет до возникновения этого понятия в науке и практике.

Кибернетика. Историческим предвестником современных системных представлений были работы М.А. Ампера. Используя системные представления, говорил о необходимости формирования науки об управлении государством, которую назвал кибернетикой (наукой об управлении). Почти одновременно с Ампером польский ученый-философ Б. Трентовский издал свою книгу "Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом", где говорил об управлении государством как системой.

Однако идеи кибернетики середины XIX века были забыты и человечество вернулось к ним, когда вышли в свет труды русского ученого А. А. Богданова, создавшего новую науку - тектологию- "всеобщую организационную науку" (его работы вышли в свет в 1911 - 1925 гг). Она не только по своим идеям предвосхитила идеи современной кибернетики Н. Винера, но и внесла свой оригинальный вклад в системные представления. В частности Богданов А.А. дал понятие организации и считал, что организация системы тем выше, чем сильнее свойства целого отличаются от простой суммы его частей. В его трудах рассматривалось понятие открытых и замкнутых систем, обратной связи, устойчивости и изменчивости.

Следующей ступенью системных представлений были труды советского физиолога Анохина П.К., который в 1932г. создал теорию, ставшей основой нейрокибернетики. Его теория получила развитие в биологии, физиологии, философии, в теории принятия управленческих решений. (приоритет идей Антохина П.К. впоследствии признал Н. Винер).

Однако общее признание идеи системности приходится на середину ХХ века. Это связано с вышедшей в 1948 году книгой американского математика Н.Винера "Кибернетика". Предметом исследования кибернетики является система, независимо от ее свойств и особенностей [2,10].

Основной идеей кибернетики Винера является подобие процессов управления и связи в машинах, живых организмах и обществе. Эти процессы заключаются в приеме, передаче, хранении и переработке информации. Система, принимая информацию, использует ее для выбора оптимального поведения, которое может быть организовано лишь при использовании свойств обратной связи. Н. Винер почти одновременно со статистиком Р. А. Фишером и Р. Шенноном разработали статистическую теорию количества информации отождествив информацию с отрицательной энтропией, которая становится наряду с понятиями вещества и энергии фундаментальными характеристиками явлений природы.

И хотя Н. Винер рассматривал свои идеи применительно только к системам, где возможна замена качественной стороны информации количественной; принципы управления применимы только для систем, имеющих четкое формальное описание; а при моделировании интеллекта учитывается только логика, "кибернетика пускала тысячи корней, вербовала тысячи агентов*. Появилась кибернетика техническая, биологическая, медицинская, экономическая, лингвистическая и .т.д." [10].

Кибернетика Винера внесла свой вклад в теорию имитационного моделирования на ЭВМ, что позволило производить анализ систем на этапе их проектирования, производить синтез систем; привела к всеобщей компьютеризации общества, подготовила базу для создания общей теории систем.

Системотехника вызвана к жизни появлением больших технических систем, которые могут иметь огромное количество разнообразных составляющих, часто разбросанных по обширной территории и объединенных в одно целое средствами автоматизированного управления, что требует высокой скорости переработки информации. Последнее возможно только с использованием ЭВМ [11, 13].

Приблизительно в середине ХХ столетия, системотехника как наука начала формироваться когда началась ломка сложившихся традиций в инженерной практике.

Это объяснялось:

1. потребностями повышения производительности труда и созданием больших систем;

2. формированием нового методологического принципа науки и практики - системного подхода;

Цель создания системотехники - "сократить разрывы во времени между научными открытиями и их приложением и между возникновением человеческих потребностей и производством новых систем, призванных удовлетворить эти потребности"[11]

Методологией системотехники является методология системного подхода - методология планирования, разработки и создания систем как единого целого.

Создателем системы является системотехник - "инженер инженеров", специалист широкого профиля, способный объединить специалистов разных специальностей, связать множество решений частных задач в единое, подчинив общей цели.

Системный анализ является родственным к системотехнике направлением, но обычно понимается более широко, охватывая нетехнические вопросы проектирования, организации и управления [9].

Объектами его исследования являются большие и сложные системы, которые являются одновременно открытыми (взаимодействующими с внешней средой) и в состав которых входит человеческий фактор.

Основу методологии системного анализа так же составляет системный подход, для которого определяющим является представление о целостности исследуемых, проектируемых и синтезируемых объектов. Методологически системный анализ направлен на исследование причин сложности систем и их устранения. Системный анализ является междисциплинарной наукой объединяющей как неформальные эвристические, так и математические методы.

Общая теория систем является следующим шагом развития науки о системах. Ее формирование началось со второй половины ХХ века и еще далеко не завершено.

Предметом ее исследования является классы систем, объединенных не только по традиционным признакам (биологические, технические, социальные и т.д. системы), но и по видам отношений элементов в системе. Под термином "отношение" понимается: структура, информация, ограничение, организация, управление и т.п.

Наименьшими классами систем являются классы изоморфных систем.В качестве представителя такого класса выбирается абстрактная система, описание которой стандартно и представимо с помощью ЭВМ.

Областью исследования науки о системах являются свойства классов систем, которые образуют разбиение множества систем на подмножества, что соответствует в традиционной науке подразделению на отдельные дисциплины и специальности.

Знания в науке о системах может быть получено как знания о классах систем математически или путем моделирования на ЭВМ. Развитие системных представлений изображено на рис. 1.5.

рис. 1.6.

Примерами математически полученных знаний о системах могут служить принципы максимума энтропии и минимума информации, закон необходимого разнообразия Эшби.

Примерами знаний, полученных моделированием на ЭВМ, являются влияние количества переменных и связности системы на ее устойчивость, влияние взаимосвязи между структурами и поведением системы и т.д. [6, 12].

1.9. Контрольные вопросы и упражнения к разделу 1.1.

1. Назовите объекты из числа перечисленных ниже, которые можно отнести к понятию "система" и назовите цель их функционирования: ЭВМ; табурет; часы; ножницы; куча песка, насыпанная человеком; куча песка, нанесенная ветром; человек; человечество; лес; молекула; Солнце; Вселенная; океан. Сравните ваши ответы с данными раздела 1.

2. Назовите объекты из числа перечисленных ниже, которые по Вашему мнению не являются системами: муравей; муравейник; атом; песчинка; дерево; ядро атома; море; остров; материк; Земля. Сравните Ваши ответы с с данными раздела 1. Обоснуйте Ваши ответы.

3. Если элементы некоторой системы имеют невысокие показатели, то система в целом всегда будет обладать такими свойствами? Приведите примеры в качестве доказательства.

4. Система всегда имеет одну цель?

5. Система может быть многоцелевой?

6. Всегда ли система используется в соответствии с целью своего существования? Обоснуйте ответ с помощью примеров.

7. Определяет ли цель интегративные качества системы? Выберите ответ: да; нет; не определяет, но влияет.

8. Какими личными качествами из числа перечисленных ниже должен обладать будущий работник с точки зрения отдела кадров при приеме на работу:

а) в органы охраны природы;

б) в химчистку;

в) в магазин;

г) для преподавательской работы в институт.

Качества: порядочность, добросердечие, честность, аккуратность, образованность, воспитанность, владение ораторским искусством, хорошая внешность, большой диапазон знаний. При ответе на каждый вопрос качества расставьте по приоритету. Какие выводы можно сделать?

9. Определяет ли элементарный состав качества системы? 10. Определяют ли свойства подсистем свойства системы в целом?

11. Структура системы влияет на интегративные качества системы? Приведите примеры.

Контрольные вопросы и упражнения к разделам 1.2,1.3.

1. Является ли атом системой она малая, или нет? Это простая система?

2. Цель определяет принадлежность рассматриваемой системы к классу больших или сложных систем,?

3. Приведите примеры систем: а) малых и простых; б) малых и сложных; в) больших и простых; г) больших и сложных; Обоснуйте приведенных Вами в качестве примеров систем к тому или иному классу.

4. К каким классам систем (большим, сложным, малым, простым) относятся современные ЭВМ, экскаватор, Земля, современный космический корабль, Солнце, Солнечная система. Обоснуйте корректность поставленного вопроса.

5. Приведите примеры неправильно поставленной цели в процессе эксплуатации системы. Смотрите пример, приведенный в разделе.

6. Приведите примеры подмены цели в процессе эксплуатации системы. Смотрите пример, приведенный в разделе.

7. Является ли устройство, возводящее x(t) в квадрат, динамическим?

8. Триггер - это динамическое или статическое устройство?

9. ЭВМ - стохастическая или детерминированная, статическая или динамическая, непрерывная или дискретная система?

10. Бытовой холодильник - динамическая или статическая система? Дискретная или непрерывная?

К разделу 1.5.

Общие рекомендации: если Вы затрудняетесь ответить на нижеследующие вопросы, то посмотрите словарь терминов и вернитесь к соответствующим разделам пособия, внимательно прочитав их.

Объясните, что такое системность.

Как Вы понимаете тезис: “системность – всеобщее свойство материи”?

В чем состоит системность деятельности человека?

Что такое алгоритм? Какое отношение он имеет к понятию "система"?

В чем представляется системность познавательных процессов?

Проанализируйте любой численный метод вычисления интеграла с точки зрения применения методологии редукционизма.

Приведите примеры применения методологии холизма в вычислительной математике.

Приведите примеры использования редукционизма, холизма, структурализма в решении научных и практических задач. Обсудите их.

К разделу 1.7.

Общие рекомендации. Для ответа на каждый последующий вопрос Вам нужно хорошо усвоить технологическую схему системного подхода, данную в разделе

Профессор А.П. Сидоров в своей книге “Основные принципы проектирования и конструирования машин”, издания 1929 г., предложил свой подход к подготовке инженера, заключающийся в следующем: “Когда для проектирования самых разнообразных машин и сооружений, так и для выполнения их при посредстве станков и людей, инженеру необходимо знакомство как с основными научными предметами – математикой, механикой, физикой и химией и вообще с естественными науками, так и со специальными техническими весьма разнообразными дисциплинами…, но для проектирования машин м сооружений разного назначения инженеру приходится знать, и иногда весьма детально, условия работы того, для чего или для кого назначается машина или постройка, технические процессы, для которых будут делаться машиною изделия. Для постройки аудитории театров и концертных залов необходимо знать акустику и музыку, для постройки конюшни для лошадей или хлева для свиней – нравы этих животных!”

Является ли данный подход к инженерному образованию системным?

Обнаруживается ли системный подход или хотя бы его элементы при формулировании А.П. Сидоровым требований к процессу проектирования?

Традиционные методы проектирования связаны лишь с созданием самого объекта проектирования и в меньшей степени затрагиваются социальные, политические и другие аспекты, возникающие при внедрении проектируемого объекта. Является ли это нарушением принципом системного подхода? Приведите примеры.

Вспомните и назовите произошедшие в последнее время экологические катастрофы. Попробуйте объяснить причины. Не являются ли нарушением принципа системного подхода при проектировании и внедрении технических объектов причиной этих катастроф?

Процесс проектирования БИС можно представить в виде последовательности принятия проектных решений, представленной на рис. 1.2. Можно ли считать его системным? Если нет, то что нужно изменить в этой технологии проектирования?

Рис. 1.2.

Можно ли считать его системным? Если нет, то что нужно изменить в этой технологии проектирования?

5. Эйнштейн сказал: "Ученый должен распределять свое время между уравнениями и политикой". В чем глубокий смысл этого высказывания? Можно ли такой подход к деятельности ученого назвать системным?