 |
Кибернетический подход к описанию систем
|
|
|
|
Кибернетика рассматривает поведение систем во взаимодействии с другими системами и окружающей средой на основе существования ряда принципов, присущих системам живой и неживой природы. К таким основным принципам относятся:
- саморегулирование;
- изоморфизм;
- обратная связь;
- иерархичность управления;
- деление целого на подсистемы;
- динамическая локализация.
Рассмотрим сущность и содержание основных принципов, присущих системам живой и неживой природы.
Саморегулирование. Живые организмы, технические устройства, социально-экономические процессы отличаются способностью к саморегулированию. Например, птицы и млекопитающие автоматически, регулируют внутреннюю температуру своего тела, поддерживая ее на определенном уровне независимо от температуры окружающей среды. В биологии такое явление называется гомеостазом. В своей книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» Норберт Винер показал, что принципы действия саморегулирования как в живых организмах, так и в технических устройствах одни и те же, а принцип саморегулирования вполне возможен в управлении общественными и экономическими процессами. К середине XX века стало ясно, что в живом организме существует целая система регуляции, которая учитывает поступающие извне сигналы и на их основе формирует программу уравновешивания организма со средой в виде регуляции внутренней среды организма и внешнего поведения. Однако по-прежнему оставались без ответов вопросы о том, как все это реально происходит. Поэтому организм человека и его психику стали называть «черным ящиком», а, в отличие от живых организмов, технический объект очень часто, по выражению создателя кибернетической науки Н. Винера, называют «белым ящиком». С развитием электронно-вычислительной техники, созданием сложных технических систем, построенных на законах кибернетики, стало ясно, что существует очень много общего между принципами организации регуляции живых организмов и кибернетических систем. Исходя из этого, были предприняты попытки создания концепций и теорий регуляции биологических организмов по аналогии с кибернетическими системами. Попытка выяснить, представляют ли графический и аналитический (символически-операторный) способы задания функции какие-либо частные формы изоморфизма как общего принципа организации информационных процессов предпринята Л. М. Веккером, представителем санкт-петербургской психологической школы, на основе иерархической шкалы уровней пространственно-временной упорядоченности сигнала информации по отношению к его источнику (рисунок 5.6).
|
|
|
| Пространственный метрический изоморфизм |
| Пространственный изоморфизм подобия |
| Пространственный проективный изоморфизм |
| Пространственный топологический изоморфизм |
| Временной метрический изоморфизм |
| Временной изоморфизм подобия |
| Временной топологический изоморфизм |
| Изоморфизм линейной пространственно-временной последовательности |
Рисунок 5.6 – Шкала уровней пространственно-временного изоморфизма источника и носителя информации
С точки зрения кибернетики, изоморфизм – это принцип взаимной упорядоченности двух множеств состояний. Линейная же последовательность символов представляет собой типичную общекодовую форму сигнала информации, т.е. форму взаимной упорядоченности сигнала и источника, которая отвечает общим условиям пространственно-временного изоморфизма, сохраняющего инвариантным именно линейную последовательность элементов обоих изоморфных множеств.
|
|
|
Если мы имеем дело с решением задачи, выраженным формой оперирования символами, и в записи аналитического задания функции воплощен общекодовый уровень хранения информации об отношениях, то решение соответствующих задач на уровне элементарных информационных процессов, т.е. на таком символически-операторном уровне, представляет общекодовый уровень извлечения информации об отношениях.
Структуры естественного языка, также как и знаковые системы математического языка, относятся к общекодовому уровню организации сигналов и фигурируют в современной литературе под именем языковых кодов. Это типичные одномерные ряды, упорядоченность которых отвечает общим условиям пространственно-временного изоморфизма. Таким образом, оперирование символами на уровне элементарных информационных процессов, в общем случае имеющих непсихическую форму, в которой осуществляется межиндивидуальная передача информации и ее преобразование в информационных технических устройствах (искусственный интеллект), относится к общекодовому уровню организации сигналов, упорядоченному по отношению к источнику информации в соответствии с самыми общими условиями изоморфизма.
Изоморфизм, с точки зрения кибернетики, присущ структуре и функциям управления в живых организмах, машинах и других системах, т.е. если рассматривать организмы живой природы с точки зрения управления и связей, то они существенно не отличаются от других сложных динамических систем. Например, структура нервных волокон человека построена на одних тех же принципах, что и структура автоматических линий, накопление и переработка информации у них имеет дискретный характер.
Кроме того, живые, и неживые системы имеют контур обратной связи, поэтому некоторые существенные особенности систем можно с помощью метода статистических испытаний имитировать.
Обратная связь. Для систем любой природы необходимым условием их эффективного функционирования является наличие обратной связи, сигнализирующей о достигнутых результатах. На основании полученной информации о результатах функционирования системы идет процесс корректировки управляющего воздействия. Система обратной связи в упрощенном виде приведена на рисунке 5.7.
|
|
|
| Управляемый объект (процесс) |
| Обратная связь |
| Вход |
| Выход |
| Х |
| R |
| Y |
Рисунок 5.7 – Схема системы с обратной связью
Входная величина R воздействует на управляемый объект (процесс) и превращается в выходную величину Y. Величина Y с помощью канала обратной связи подается на вход, регулирует входную величину R и в виде управляющего сигнала X воздействует уже по-новому на управляемый объект (процесс).
В результате возникает связь, образующая замкнутый контур. Различают две формы связи: отрицательную и положительную. Отрицательная обратная связь уменьшает отклонение выходной величины от заданного значения, то есть стремится установить и поддерживать некоторое устойчивое равновесие.
Обратная связь, с точки зрения кибернетики, является информационным процессом, так как связана с переработкой информации, поступившей на вход R. Понятие обратной связи универсально. Оно используется в различных областях науки и техники. В биологических науках термин «обратная связь» часто фигурирует под названием «обратная афферентация».
Рассмотрим иерархичность управления. Под иерархичностью управления понимается многоступенчатое управление, характерное для живых организмов, технических, социально-экономических и других систем. При иерархическом построении систем нижние уровни управления отличаются большой скоростью реакции и быстротой переработки поступающих сигналов. Чем менее разнообразны сигналы, тем быстрее реакция – ответ на информацию. По мере повышения уровня иерархии действия становятся более медленными, но отличаются большим разнообразием. Они, как правило, идут не в темпе воздействия, а могут включать в себя размышление, сопоставление и т. п. Такие принципы широко используются при построении производственных организаций.
На рисунке 5.8 приведена схема иерархического построения производственной организации, состоящей из трех уровней.
Рисунок 5.8 – Схема иерархического построения производственной организации
Верхний уровень управления представлен административно-управленческим аппаратом организации (генеральный директор, технический директор, директор по экономике и финансам и др.), который выдает управленческие решения и команды на средний уровень – уровень отделов (цехов и т. д.) На среднем уровне управленческая информации перерабатывается и поступает на нижний уровень иерархии управления – участки. Результаты переработки информации на нижнем уровне по каналам обратной связи передаются на верхний уровень управления. В случае отклонения хода процесса производства от заранее запланированных величин объемов реализуемой продукции, производительности труда и т. п. с помощью действий на верхнем уровне иерархии управления осуществляется регулирование хода процесса производства продукции.
|
|
|
В общем случае управление с иерархической структурой основано на том, что каждая из подсистем решает некоторую частную задачу в условиях относительной самостоятельности. Управленческие решения, в частности, прогнозные и оперативные планы, разработанные на верхнем уровне управления, постоянно координируются этим уровнем. При итеративном (обозначающем повторяющееся действие) характере выработки управленческих решений подсистем надлежащего уровня, их последующая координация верхним уровнем осуществляется во времени многократно.
В вычислительных машинах принцип иерархичности управления наиболее полно реализуется при микропрограммном управлении. В таком случае из центрального устройства на блоки местного устройства поступает обобщенный сигнал– код операции. Например, «сложить», «умножить». Местное устройство управления разбивает всю операцию на простые микрооперации или микрокоманды, выполняемые затем в необходимой последовательности.
Деление целого на подсистемы. Множество элементов, составляющих систему, объединяются в нее по определенному признаку или правилу. При введении некоторых дополнительных признаков и правил все множество элементов системы можно разделить на подмножества, выделяя тем самым из системы ее составные части – подсистемы.
Таким образом, любая система, состоящая из целого, в то же время состоит из множества подсистем, каждую из которых можно рассматривать как самостоятельную обособленную систему. И наоборот, любая система, представляющая собой нечто целое, в то же время является частью, подсистемой более масштабной системы.
Динамическая локализация. В кибернетических системах благодаря наличию связей между элементами реализуется принцип динамического размещения, то есть локализации информации, при которой сообщения передаются во временной последовательности по каналам связи. Следовательно, основным свойством динамической системы является организация структуры памяти в виде временной последовательности.
|
|
|
Тем не менее это не исключает статического размещения информации в элементах системы в течение определенного времени. Однако, последовательная во времени пересылка сообщений между элементами является главной предпосылкой организации функционирования такого множества элементов, как система. В общем случае из-за свойств дискретности процессов передачи информации представление о динамической локализации является обобщением понятия статической локализации и лежит в основе процессов ее сохранения в системе, которая может рассматриваться как структура памяти.
Любая система может быть рассмотрена как система памяти, организованная в соответствии с принципом динамической локализации. Одним из частных свойств системы в целом и отдельных ее элементов является свойство устойчивости к влиянию входных воздействий – свойство самовыравнивания. Свойство самовыравнивания определяется способностью элемента перейти под влиянием скачкообразно нанесенного входного воздействия в новое установившееся состояние без помощи регулятора.
В результате кибернетические системы рассматриваются как системы управления, а процессы управления как процессы переработки информации.
Кибернетический подход является одним из наиболее развитых подходов к реализации процессов принятия управленческих решений в сложных организационных, организационно-технических системах, к которым относятся и информационные системы. При кибернетическом подходе всякое целенаправленное поведение рассматривается как управление. 1
Для кибернетической системы принято допущение о том, что количество информации в системе конечно, причем всякое поступление информации в систему (информационный вход) и поступление информации из системы в среду (информационный выход), контролируемы и наблюдаемы. Материальные и энергетические потоки рассматриваются в качестве носителей информации.
При отклонении объекта управления от заданной программы информация по каналам обратной связи поступает от объекта в орган управления. Поступившая информация разрабатывается и сопоставляется с информацией, характеризующей программу (план) достижения целей, определяется рассогласование соответствующих параметров. В управляющем органе вырабатывается и принимается управленческое решение по устранению рассогласований, которое в виде управляющих воздействий подается на объект управления (через специальные исполнительные устройства). Наличие всех необходимых признаков кибернетической системы обеспечивает устойчивость ее функционирования.
В общем случае управление объектом в кибернетической системе объектом осуществляется по входам, выходам, по структуре и целям, параметрам внешней среды, если эти источники снабжены специальными средствами сбора, передачи и преобразования информации и каналами обратной и прямой связи с объектом управления.
Входы и выходы связаны с объектом и представляют собой материальные потоки, перерабатываемые объектом. Каждый компонент материального потока характеризуется совокупностью параметров и переменных, образующих множества информационных признаков, составляющих информационные потоки.
Информационные потоки формируются из документов, содержащих значения параметров, полученных по результатам их измерений в процессе контроля за состоянием входов, выходов и объекта в некоторые моменты времени. Эти потоки являются выходными для объекта и входными для органа управления, поступающими по каналам обратной связи. В результате переработки этой информации в подразделениях управляющего органа принимается решение, которое в виде директивных документов, образующих потоки, передается по каналам прямой связи на объект и реализуется в виде управляющих воздействий.
Системы, которые изучает кибернетика – это множество подсистем и элементов, соединенных между собой цепью причинно-следственных взаимозависимостей. Каждая машина или живой организм являются примером систем взаимосвязанных подсистем и элементов. Работа одних подсистем и элементов является причиной действия других подсистем и элементов.
Такая ситуация наблюдается в химических, биологических, машинных, социально-экономических процессах. Именно это дало возможность создать такую науку, как кибернетика. Кибернетика как наука занимается изучением систем произвольной природы, способных воспринимать, хранить и обрабатывать информацию, используя ее для управления и регулирования происходящих процессов. Как наука кибернетика сама по себе существовать не может. Она подпитывается за счет других наук и имеет тенденцию к саморазвитию.
Исследование систем произвольной природы и происходящих при этом процессов требует привлечения самых различных наук. Кибернетику можно представить в виде двух составляющих: общая (теоретическая) и прикладная. Общая (теоретическая) кибернетика включает в себя в основном теории информации, программирования и систем управления. В прикладную входят техническая, биологическая, военная, экономическая кибернетики. Одним из важных разделов прикладной кибернетики является экономическая кибернетика, изучающая процессы, происходящие в системах народного хозяйства. При исследовании систем управления общими применяемыми методами как в общей, так и в прикладной кибернетике, являются «системный анализ», «исследование операций» и др.
Представление кибернетики как системы наук показано на рисунке 5.6.
| Кибернетика |
| Общая (теоретическая) |
| Основные методы исследования систем управления |
| Прикладная |
| Теория информации |
| Теория программирования |
| Математика |
| Математическая логика |
| Теория управления |
| Системный анализ |
| Техническая кибернетика |
| Исследование операций |
| Имитационное моделирование |
| Бионика |
| Планирование эксперимента |
| Распознавание объектов, явлений и ситуаций |
| Физика |
| Соционика |
| Электроника |
| Экономика |
| Другие |
| Экспертные оценки |
| Нейрокибернетика |
| Другие |
| Физиология |
| Философия |
| Психология |
| Биологическая кибернетика |
| Экономическая кибернетика |
| Военная кибернетика |
| Строительная кибернетика |
| Другие |
Рисунок 5.9– Кибернетика как совокупность наук
Список литературы
1. Система // Большой Российский энциклопедический словарь. – М.: БРЭ. – 2003, с. 1437.
2. Берталанфи Л. фон. Общая теория систем – критический обзор //Исследования по общей теории систем: Сборник переводов / Общ. ред. и вст. ст. В. Н. Садовского и Э. Г. Юдина. – М.: Прогресс, 1969. С. 23–82.
3. Берталанфи Л. фон. История и статус общей теории систем // Системные исследования. – М.: Наука, 1973.
4. Волкова В. Н., Денисов А. А. Теория систем: учебное пособие. – М.: Высшая школа, 2006. – 511 с.
5. Кориков А.М., Павлов С.Н. Теория систем и системный анализ: учеб. пособие. – 2. – Томск: Томс. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2008. – 264 с.
6. Месарович М., Такахара И. Общая теория систем: математические основы. – М.: Мир, 1978. – 311 с.
7. Перегудов Ф. И., Тарасенко Ф. П. Введение в системный анализ. – М.: Высшая школа, 1989.–367 С.
8. Уёмов А. И. Системный подход и общая теория систем. – М.: Мысль, 1978. – 272 с.
9. Черняк Ю. И. Системный анализ в управлении экономикой. – М.: Экономика, 1975. — 191 с.
10. Эшби У. Р. Введение в кибернетику. – 2. – М.: КомКнига, 2005. – 432 с.
11. ГОСТ Р ИСО МЭК 15288-2005 Системная инженерия. Процессы жизненного цикла систем
12. В. К. Батоврин. Толковый словарь по системной и программной инженерии. – М.:ДМК Пресс. – 2012 г. – 280 с.
13. Алгазинов, Э. К. Анализ и компьютерное моделирование информационных процессов и систем: учебное пособие/ [Э. К.Алгазинов, А. А. Сирота]; Под общ. ред. д. т. н. А. А. Сироты. – М.: Диалог-МИФИ, 2009. – 416 с. Гриф: Реком. УМО.
14. Качала В.В. Основы теории систем и системного анализа. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 216 с.: ил.
15. Белякова Н.Б. Основы теории систем и системного анализа. Курс лекций. Санкт-Петербург. – 2013.– 120 с.
16. Советов, Б. Я. Теория информационных процессов и систем: учебник/ [Б. Я. Советов, В. А. Дубенецкий, В.В. Цехановский и др.]; под ред. Б. Я. Советова. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 432 с. Гриф: Доп. УМО.
17. Информационные системы и технологии в экономике и управлении: учебник / [Трофимов В. В и др.]; под ред. В. В. Трофимова; Санкт-Петербург. гос. ун-т экономики и финансов. - М.: Юрайт, 2011. - 478 с.: ил., табл. - (Основы наук). - Гриф: Доп. УМО.
18. - Информационные системы в экономике: учеб. пособие / под ред. Чистова Д. В. - М.: Инфра-М, 2011. – 234 с.
19. - Золотов, С. И. Интеллектуальные информационные системы: учеб. пособие / С.И. Золотов. - Воронеж: Научная книга, 2007. - 140 с.
20. Избачков, Ю. С. Информационные системы: [учебник] / Ю. С. Избачков, В. Н. Петров. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2008. – 656 с.
21. Путькина, Л. В. Интеллектуальные информационные системы / Л. В. Путькина, Т. Г. Пискунова. - СПб.: Изд-во СПбГУП, 2008. – 223
Теория информационных процессов и систем
|
|
|
