double arrow

Моделирование как креативная способность


Основными ценностями моделирования как креативной способности являются возможность рассматривать любой объект (физический, социальный) изнутри, расширение возможностей человека в управлении своей поисковой деятельностью и повышение стремления человека к формированию самостоятельного мнения об окружающем мире.

Чтобы понять суть моделирования как способности человека необходимо рассмотреть моделирование как базовый процесс системного анализа, применяемый в различных областях научного знания.

На рис. 1 приведены основные этапы проведения системного анализа, которые являются обобщением последовательности этапов проведения такого анализа, сформулированных рядом авторов.

Рис. 1. Этапы проведения системного анализа

Центральным понятием системного анализа является понятие сис­темы.

Одной из составных частей процедуры проведения системного анализа является формализация описания системы, т.е. построение ее модели.

Понятие модели системы играет важную роль в проведении систем­ных исследований любой направленности. Модель - это искусственно создаваемый образ конкретного объекта, процесса или явления, в ко­нечном счете, любой системы. Понятие модели связано с наличием какого-либо сходства между выбранными объектами, один из которых является оригиналом, а другой - его образом, выполняющим роль мо­дели. Модели являются всегда упрощенным описанием системы.

При составлении модели отражают отдельные стороны функциониро­вания системы, т.е. то специфичное, что направлено на решение постав­ленной целевой установки общей задачи системного анализа.

Рассмотрим основные характеристики качества модели:

1. Адекватность модели характеризует то, насколько хорошо модель описывает реальные процессы, происходящие в системе, насколько качественно она будет прогнозиро­вать развитие данных процессов.

Проверка адекватности модели про­водится на основании некоторой экспериментальной информации, полу­ченной на этапе функционирования системы или при проведении специ­ального эксперимента, в ходе которого наблюдаются интересующие системного аналитика процессы. Проверка адекватности модели зак­лючается в доказательстве факта, что точность результатов, получен­ных по модели, будет не хуже точности расчетов, произведенных на ос­новании экспериментальных данных.

2. Непротиворечивость модели характеризует то, дает ли модель не противоречащие логике результаты при изменении значений важнейших параметров, особенно в тех случаях, когда их значения близ­ки к экстремальным.

3. Неопределенность модели.

Поскольку модель системы только стремится отобразить реаль­ность, неизбежно существование упрощений, допущений и идеализации сложных процессов и явлений, происходящих в системе. Следствием этих упрощений и идеализации будут неопределенности в итоговых ре­зультатах, получаемых в процессе применения модели.

Выделяют следующие источники неопределенностей в соответствующих моделях: обусловлен­ные неполнотой моделей, неадекватностью моделей и неопределенно­стью исходных параметров.

Неопределенности, обусловленные неполнотой моделей, возника­ют из-за того, что при построении моделей системный аналитик не пре­дусмотрел некоторые стороны развития моделируемых процессов, про­исходящих в системе. Иными словами, при разработке модели систе­мы не были учтены отдельные особенности существования и развития систем.

Второй тип неопределенностей связан с неадекватностью моде­лей. Даже в тех случаях, когда в модели учтены все особенности су­ществования и развития систем, последовательность событий и логи­ческие особенности функционирования систем, заложенные в модель, не точно отражают реальность.

Третий тип неопределенностей - неопределенность исходных па­раметров. Параметры различных моделей точно не известны. Причиной этого является недостаточность данных, используемых при оценивании входных параметров, невозможность точного описа­ния поведения персонала, работающего в составе анализируемой систе­мы, наличие допущений, принятых при составлении модели.

4.Чувствительность модели характеризует то, насколько чутко модель реагирует на изменение входных данных. Анализом чувствительности модели называют процедуру оценки влияния изменения входных параметров на ее выходные характеристики.

5. Реалистичность модели характеризует то, насколько хорошо модель описывает уже имевшие место факты. Установить реалистичность модели, значит ответить на вопрос: со­ответствует ли модель тем частным случаям, для которых уже име­ются фактические данные.

6. Работоспособность модели характеризуется тем, насколько модель практична и удобна в эксплуатации.

Во-первых, модель долж­на обеспечивать результат за разумное время.

Во-вторых, трудозатраты и ресурсы, требуемые для эксплуатации моде­ли, должны укладываться в установленные лимиты машинного време­ни и фонда зарплаты. Должно выполняться условие практической целесо­образности.

Остановимся на описании классов, имеющих принципиально различный характер в под­ходе к построению моделей, а именно, охарактеризуем следующие типы моделей: детерминированные, вероятностные и игровые модели.

Детерминированные модели описывают поведение систем с позиций полной определенности состояний системы в настоящем и бу­дущем. Примерами таких моделей являются описания физических за­кономерностей, формулы, описывающие взаимодействие химических веществ, программы обработки деталей и т.д. Детерминированный подход находит применение при решении задач планирования транспор­тных перевозок, при составлении расписаний, планировании и распре­делении ресурсов, в задачах материально-технического снабжения, в планировании производства.

Вероятностные модели описывают поведение системы в усло­виях воздействия случайных факторов. Следовательно, такие модели оценивают будущие состояния системы с позиций вероятностей реали­зации тех или иных событий. Примерами вероятностных моделей яв­ляются описание времени ожидания, обслуживания или длины очереди в системах массового обслуживания, модели расчета надежности сис­темы, модели определения риска от наступления нежелательного со­бытия и пр.

Игровые модели дают возможность изучать конфликтные ситу­ации, в которых каждая из конфликтующих сторон придерживается сво­их взглядов, и характер поведения каждой из них диктуется личными интересами. Примерами таких систем являются отношения двух или нескольких производителей одинакового товара. Их поведение на рын­ке обусловлено интересами каждой из сторон. Как правило, эти отно­шения имеют характер конкурентной борьбы.

Анализируемая система может быть описана разными моделями, каждая из которых обладает характерными свойствами и пригодна для решения лишь определенного круга задач, относящихся к структуре и функционированию системы. Рассмотрим основные виды моделей систем и способы их построения

1. Модель черного ящика. Наиболее простой, грубой формой описания системы является представление ее в виде черного ящика, которое имеет следующие особенности.

Во-первых, такое представление не раскрывает внутренней структуры, внутреннего устройства системы. Оно лишь выделяет систему из окружающей среды, подчеркивает ее целостное единство.

Во-вторых, такое представление говорит также о том, что система хотя и является обособленной, выделенной из среды, но, тем не менее, она не является изолированной от нее.

Система связана со средой и с помощью этих связей воздейству­ет на среду. Таким образом, можно заключить, что у системы есть выходы. Выходы системы отражают ее целевое предназначение. С другой стороны, система является средством, с помощью которого достигаются те или иные цели. Следовательно, должны существовать возможности воздействия на систему, управления системой. Эти связи направлены из среды в сторону системы. Такие воздействия называ­ются входами системы.

В результате такого представления получилась модель системы, которая называется черным ящиком. Это название подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем со­держании модели. В данном представлении задаются только связи модели с внешней средой в виде входных и выходных воздействий. Такая модель, несмотря на внешнюю простоту, бывает полезной для реше­ния определенного круга задач.

В модели черного ящика входы и выходы могут иметь качествен­ное, словесное описание. Тогда и сама модель будет качественной. Чаще для построения модели требуется количественное описание входов и выходов. В этом случае формируются множества входных X и выходных переменных.

2. Модель состава системы. В том случае, когда системного аналитика интересуют вопросы внутреннего устройства системы, модели черного ящика оказывается недостаточно. Для решения данного вопроса необходимо разрабатывать более детальные, более развитые модели. Одной из разновидностей таких моделей, раскрывающей внутреннее содержание системы, явля­ется модель состава системы.

Свойства системы, отображенные в модели черного ящика, целос­тность и обособленность, являются внешними свойствами. Внутреннее содержание системы в модели черного ящика не рассматривается. Но именно внутреннее содержание ящика оказывается неоднородным. В структуре системы можно выделить различ­ные элементы, подсистемы, компоненты системы, причем, обозначен­ные понятия условны. В зависимости от цели, для решения которой строится модель, один и тот же объект может быть определен и в ка­честве элемента, и в качестве подсистемы.

3. Модель структуры системы. Следующий тип модели, который еще глубже характеризует внут­реннюю композицию системы, называется моделью структуры систе­мы. Модели данного типа наряду с характеристикой состава системы отражают взаимосвязи между объектами системы: элементами, час­тями, компонентами и подсистемами. Таким образом, модель струк­туры системы является дальнейшим развитием модели состава. Для того чтобы отразить композицию системы, недостаточно перечислить ее состав; необходимо установить между элементами определенные связи, отношения.

Отношения между элементами могут быть самы­ми разнообразными. Однако можно попытаться их классифицировать и по возможности перечислить. Трудность состоит в том, что заранее не известно, какие отношения реально существуют, и является ли их число конечным.

Задача аналитика заключается в следующем: из множества реально существующих отношений между объектами, вовлеченными в систему, отобрать наиболее существенные. Критерием существенности отношений должна выступать опять же цель, для достижения которой строится модель. Таким образом, модель структуры является очередным шагом в развитии модели систем, описывающей су­щественные связи между элементами.

Развивая модели описания системы от модели черного ящика до модели структуры, приходим к описанию системы в виде структурной схемы. Структурная схема отражает, как правило, статическое состояние системы. В ней указываются все существенные с точки зрения выполнения поставленной цели элементы системы, все связи между элементами внутри системы и связи с окружающей средой - то, что названо входами и выходами. Для изображения структурной схемы абстрагируются от содержательной стороны схемы, оставив в рассматриваемой модели только общее для каждой схемы. В результате получается модель, в которой отмечено только наличие элементов и связей между ними.

Интерактивный компонент занятия: студентам предлагается текст на котором приводится словесное описание какого-либо процесса. Цель студентов построить структурную схему предлагаемого процесса.

Структурная схема системы является наиболее подробной моделью, отражающей статическое состояние системы. Однако для решения задач системного анализа статические структуры имеют важное, но, как правило, вспомогательное значение. Большинство задач системного анализа связано с изучением либо характеристик системы, либо с прогнозированием развития системы во времени, либо с анализом возможных траекторий развития.

4. Динамические модели систем. Динамические модели отражают поведение систем, описывают про­исходящие с течением времени изменения, последовательность опера­ций, действий, причинно-следственные связи. Системы, в которых про­исходят какие бы то ни было изменения со временем, называются ди­намическими, а модели, отображающие эти изменения, - динамичес­кими моделями систем.

Говоря о динамике систем, следует остановиться на двух типах ди­намических процессов - это функционирование и развитие. Под функ­ционированием понимают процессы, которые происходят в системе, стабильно реализующей фиксированную цель. Развитием называют изменения, происходящие с системой при смене ее целей. Характерной чертой развития является то обстоятельство, что изменение цели, как правило, с неизбежностью приводит к изменению всей системы. Это касается либо изменения структуры, либо изменения состава системы, иногда приходится проводить коренную перестройку системы. Таким образом, при построении динамических моделей на первом шаге ана­лизируют тип отображаемого изменения системы, который хотят опи­сать. Далее приступают к анализу происходящих изменений с целью более конкретного отображения динамики анализируемых процессов. На этом этапе вычленяют части, этапы происходящего процесса, рас­сматривают их взаимосвязь.

Для построения модели динамического поведения системы вводится понятие состояния системы. Состояние системы есть некоторая внутренняя характеристика системы, значение которой в настоящий момент определяет значение выхода модели.

И наконец, говоря о динамических моделях, следует остановиться на подчиненности реальных систем принципу причинности. Согласно этому принципу, отклик системы на некоторое воздействие не может начаться раньше самого воздействия.

Строя модель системы, необходимо следовать сформулированному принципу. Дело в том, что в практике построения моделей встречаются ситуации, когда данный принцип игнорируется. В этом случае возникает ситуация, когда теоретические модели не могут быть реализованы на практике.

Построение модели системы — это процесс формализации ее описания, которая достигается за счет изучения системы и в некоторой степени за счет упрощения ее реальных структур, связей и отношений. Остановимся на методах, позволяющих проводить исследования систем для дальнейшего построения их моделей. В качестве таких методов первостепенное значе­ние имеют анализ и синтез. Указанные методы противоположны друг другу по смыслу, так как анализ есть совокупность операций разделения целого на части, в то время как синтез - объединение частей в целое. Однако в приложении к решению задач исследования сложных систем применение этих методов автономно невозможно. Исследовать слож­ную систему можно только используя два указанных метода в совокуп­ности. В применении анализа и синтеза к исследованию сложных сис­тем проявляется диалектический принцип единства и борьбы противо­положностей.

Аналитический метод состоит в расчленении сложного целого на все менее сложные части. Кроме того, он также предполагает, что части снова образуют единое целое в случае их соединения надлежащим образом. Этот момент соединения частей в целое является конечным этапом анализа, так как только после этого появляется возможность объяснить целое через его части и представить результат анализа в виде структурной схемы целого.

Роль синтеза заключается в том, чтобы под­черкнуть целостность системы, которая нарушается при анализе; при разбиении системы утрачиваются не только существенные свойства самой системы, но исчезают и существенные свойства ее частей, ока­завшихся отделенными от нее. Результатом анализа является лишь вскрытие структуры; знание о том, как система работает, ответ на воп­рос, почему она это делает так, дает синтез.

Автономное применение аналитического метода возможно лишь в тех случаях, когда систему удается разделить на не зависимые друг от друга части. Действительно, в этом случае отдельное рассмотрение частей позволяет составить правильное представление об их вкладе в общий эффект функционирования системы. Однако в реальной жизни найти систему, которая бы являлась результатом арифметического объединения своих компонентов, практически невозможно.

Аргументом в пользу совместного применения аналитических и синетических методов исследования систем является необходимость установления всесторонних отношений между рассматриваемыми явлениями. Описывать с помощью моделей можно только познанные явления, а таковыми они будут лишь тогда, когда известна совокупность условий, необходимых и достаточных для их реализации. Аналитические методы устанавливают только причинно-следственные отношения. В этом случае из рассмотрения исключаются все другие виды взаимодействия, в том числе и взаимодействия с окружающей средой.

Использование синтетических методов основано на признании того, что отношение «причина-следствие» является не единственно возможным и приемлемым описанием взаимодействия. Имеется еще масса необходимых и достаточных условий, требующих учета при рас­смотрении наступления некоторых явлений или процессов, без учета которых модель будет не только неадекватной, но и неработоспособной.

Основной операцией анализа является представление целого в виде частей. При решении задач системных исследований объектами ана­лиза являются системы и цели, для достижения которых они проводят­ся. В результате анализа решаемые системой задачи разбиваются на подзадачи, системы на подсистемы, цели на подцели. Этот процесс разбиения продолжается до тех пор, пока не удастся представить со­ответствующий объект анализа в виде совокупности элементарных компонентов. Операция разложения целого на части называется деком­позицией.

Обычно объект системного анализа сложен, слабо структу­рирован, плохо формализован, поэтому операция декомпозиции представ­ляет собой также плохо формализованный процесс, сложный для выпол­нения. Обычно декомпозицию проводят высококвалифицированные эк­сперты, имеющие богатый опыт работы в данной области.

Проведение декомпозиции существен­но зависит от вида объекта, для которого разрабатывается модель. Рассмотрим некоторые классы таких объектов.

Объект - техническая система. Технической системой называется система, в которой поставленные цели могут быть полностью достигнуты в результате протекания внутренних явлений: физических, физикo-химических, тепловых и т.п. Задача исследователя состоит в опре­делении наиболее благоприятных для протекания требуемых процессов условий и обеспечении поддержания необходимых условий на заданном уровне. В технических системах роль человека минимальна, как пра­вило, достаточно детально описывается инструкциями и другими регламентирующими документами. Декомпозицию в технических систе­мах проводят таким образом, чтобы функционирование каждого эле­ментарного объекта, полученного в результате декомпозиции, опреде­лялось одной физической, физико-химической или какой-либо другой закономерностью, и, следовательно, описывалось одним уравнением.

Объект - организационная система. В системах такого типа предполагается, что цели достигаются в результате совместной работы механизмов, агрегатов и людей, производственного персонала, осуществляющих про­изводственную деятельность и определяющих направления функциони­рования технических средств. Наличие человека - основная черта орга­низационных систем. Ввиду этого организационные системы имеют следующие особенности:

- Целенаправленность: человек всегда стремится так определить функционирование системы, чтобы доля его участия была минимальной;

- Наличие неопределенности: разные исполнители выполняющие одни и те же виды работ будут иметь различные результаты.

- Креативная составляющая: человеку присуща творческая составляющая, которую учесть при составлении моделей практически невозможно.

Объект - социальная система. Такие системы представляют собой коллектив людей, участвующий в некотором еди­ном процессе. Особенностью социальных систем является то, что от­дельные личности помимо общей для всей системы цели могут иметь еще свои подцели, которые не всегда совпадают с целями системы, а зачастую могут даже входить с ней в противоречие. Декомпозиция та­кого рода систем представляет особые трудности.

Операцией, противоположной декомпозиции, является агрегирова­ние — объединение частей в целое. Операция декомпозиции применя­ется на этапе анализа системы. Цель декомпозиции - представить си­стему в виде иерархической структуры, т.е. разбить ее на подсистемы, их, в свою очередь, на части, далее выделить блоки, блоки представить в виде элементов и т.д. Далее начинается операция сбора моделей компонентов системы в единую модель. Эта операция и есть агрегирование.

Цель агрегирова­ния - составление модели систем из моделей составляющих компонен­тов. Если декомпозиция системы осуществляется сверху вниз, то агре­гирование идет снизу вверх.

Будучи объединенными, взаимодействующие элементы образуют систему, которая обладает не только внешней целостностью, обособ­ленностью от окружающей среды, но и внутренним единством. Проявлением внутренней целостности системы является наличие у системы свойств, которые отсутствовали у отдельных элементов. Система не является только лишь объединением элементов, она представляет собой нечто большее. Система в результате ее создания приобретает такие свойства, которых нет ни у одного из ее элементов или частей.

Естественно, что эти свойства появляются у системы ни вдруг, ниоткуда. Система обязана появлением качественно новых свойств наличию конкретных связей между конкретными элементами. Задача агрегирования заключается в том, чтобы сформировать модель системы из моделей элементов и не упустить при этом тех свойств, которые получаются при объединении элементов. Поскольку модель - лишь слепок системы, ее отражение, то в ней должны быть реализованы хотя бы основные свойства, выражающие целевую направленность данной модели.

Отметим несколько особых видов моделей.

- Классификационные модели. Классификационные модели являются первичными, исходными формами знания. Человек в своей повседневной деятельности, сталкиваясь с новыми явлениями или предметами, очень часто их распознает, т.е. без особых затруднений относит к тому или иному классу. Увидев животного неизвестной породы, человек тем не менее относит его к
определенному типу животных. Человек может читать рукописи, написанные разными людьми, хотя каждый из них имеет свой почерк. Таким образом, человек выделяет основные признаки, способен относить объекты к тому или иному классу, т.е. решать задачу классификации.

Необходимость решения задачи классификации проявляется во многих сферах человеческой деятельности. Ряд профессий связан исключительно с умением правильно классифицировать ситуации. Для врачей требуется умение правильно поставить диагноз больному, криминалисты занимаются идентификацией почерка, археологи устанавливают принадлежность найденных предметов определенной эпохи, геологи по косвенным данным определяют наличие и характер полезных ископаемых. В каждом из перечисленных видов деятельности проявляется умение человека правильно отнести наблюдаемый объект к тому или иному классу. Также и в науке, познание начинается со сравнения изучаемого объекта с другими, выявления сходства и различий между ними.

- Имитационные модели. Имитационное моделирование проводится в тех случаях, когда исследователь имеет дело с такими моделями, которые не позволя­ют заранее вычислить или предсказать результат. В этом случае для предсказания поведения реальной сложной системы необходим экспе­римент, имитация на модели при заданных исходных параметрах. Имитация представляет собой метод проведения экспе­риментов с моделями, описывающими поведение сложной системы в течение заданного или формируемого периода времени.

Имитируя различные реальные ситуации на модели, исследователь получает возможность решения таких задач как оценка эффективности тех или иных принципов управления системой, сравнение вариантов структурных схем, определение степени влияния изменений параметров системы и начальных условий на показатель эффективности системы.

Ответственный этап создания имитационной модели представляет собой этап составления формального описания объекта моделирования сложной системы. Цель этапа - получение исследователем формаль­ного представления алгоритмов поведения компонентов сложной систе­мы и отражение вопросов взаимодействия между собой этих компонен­тов. При составлении формального описания модели исследователь использует тот или иной язык формализации. В зависимости от сложно­сти объекта моделирования и внешней среды могут использоваться три вида формализации: аппроксимация явлений функциональными зави­симостями, алгоритмическое описание происходящих в системе процес­сов, комбинированное представление в виде формул и алгоритмических записей.

Библиографический список

1. Альтшулер Г.С. Алгоритм изобретения/Г.С. Альтшулер. – М.: Московский рабочий, 1973.

2. Антонов А.В. Системный анализ. Учебник для ВУЗов /А.В. Антонов – М.: Высшая школа, 2004. – 454 с.

3. Кузьмин А.М. Методы поиска новых идей и решений. Метод фокальных объектов / А.М. Кузьмин // "Методы менеджмента качества", No7, 2003.

4. Кулюткин Ю.Н. Эвристические методы в структуре решений. М., 1999.

5. Магерамов Г. Об общих принципах построения алгоритма творческого процесса / Г. Магерамов – Челябинск, ИИЦ «ТРИЗ-инфо», 1999.

6 Семенов С.Н. Творческое мышление (сущность, механизмы, пути оптимизации) /С.Н. Семенов//Башкирский государственный университет// Уфа, 2005.

7. Флорида Р. Креативный класс: люди, которые меняют будущее / Р. Флорида. – М.: Классика-XXI, 2005.



Сейчас читают про: