Искусственная система как средство достижения цели

Процесс проектирования любой искусственной системы начинается с формирования цели. Отказ от чёткого её определения заставляет проектировщиков ориентироваться лишь на собственные цели, которые, как правило, связаны со стремлением минимизировать материальные затраты и, возможно, максимизировать доход. И в конечном счёте усилия большого коллектива могут быть напрасными, приведут к большим затратам материальных ресурсов, не дадут ожидаемых результатов. Хорошо организованный ночной рейд эскадрильи с воздушным десантом не принесёт желаемого успеха боевой операции, если координаты цели неверны.

О значении правильного выбора цели говорит также известный исторический пример организации противовоздушной обороны английских торговых судов во время второй мировой войны. В качестве цели было выбрано уничтожение вражеских самолётов с помощью зенитных орудий. Так как качающееся палубы судов и недостаточно квалифицированные расчёты артиллеристов на торговых судах не обеспечивали достижения цели, то было решено передать зенитки торговых судов наземным батареям. Однако специалисты во время поняли, что цель должна быть другой, не уничтожение вражеских самолётов, а защита торговых судов. Зенитные установки были оставлены на палубах, в результате немецкие лётчики вынуждены были бомбить суда с больших высот и с меньшей точностью. Сокращение потерь судов намного перекрывало затраты на установку и обслуживание орудий.

Одной цели может соответствовать несколько систем и наоборот, одной системе может соответствовать несколько целей. Покажем это на нескольких элементарных примерах, приведённых в таблице:

Таблица 02-2

	Цель функционирования	Система
	В любой момент разрезать бумагу, ткань, и т.д.	Ножницы
	В любой момент иметь возможность записи текста	Карандаш, авторучка, шариковая ручка
	Возможность передачи звуковой информации на расстояния почти мгновенно	Системы радиовещания, телефон
	Передача информации на расстояния с большой скоростью	Телеграф, телетайп, сеть Интернет
	Передача информации на большие расстояния	Системы почтовой связи

Подводя итоги сказанному можно сформулировать тезис: «система есть средство достижения цели». Он полностью соответствует назначению и смыслу создания искусственных систем, но для систем природного происхождения он требует ответа на вопрос: Кто, и с какой целью создал Вселенную и человека?

Здесь возможны несколько подходов к ответу на вопрос.

1. Объекты естественного происхождения не являются системами так как, не существовало цели, с которой они возникли. Именно так и предлагается поступить с системами естественного происхождения: нет цели – нет системы, это – объекты; например, лес – это объект.

2. Определение системы признать правомерным для всех объектов реального мира, но обсуждаемый тезис считать правомерным только для искусственных систем.

3. Признать существование Того, кто с определённой целью создал весь вселенский мир.

Мы придерживаемся второго варианта. Вся система вселенского пространства вобрала в себя всю “мудрость” развития, накопленную миллиардами лет. Глобальная система систем иерархически выстроенная, с чётко отложенной саморегуляцией и саморазвитием формировалась постепенно, изменялась сама и изменяла свои цели в соответствии с Законами Природы. Какова цель существования всех этих взаимодействующих и взаимоподчинённых систем? Это является основным вопросом науки! Возможно, глобальная цель связана с самосовершенствованием? Ведь в противном случае вся эта глобальная система систем погибла бы!

Человек и человечество всего лишь составляющая этой единой системы. Тогда становится ясной цель существования человека – самосовершенствование. Таким образом, для гармоничной жизни человеку нужно жить не по своим, придуманным законам, а по объективным Законам Природы, не нарушая их. Только при этом условии можно решить проблемы экологии и устойчивого развития человечества.

Системный подход как новая методология науки и практики сложилась ко второй половине XX столетия. Он является синтетическим объединением («сплавом») редукционизма, холизма и структурализма, которое произошло на основе принципа дополнительности. Вместе с тем он является качественно новым подходом в изучении, проектировании и синтезе систем.

Методология системного подхода при решении задач анализа систем сводится к тому, что исследования объекта ориентируются на раскрытие его интегративных качеств, на выявлении многообразных связей и механизмов, обеспечивающих эти качества.

Методология системного подхода при решении задач проектирования и синтеза систем состоит в следующем. Задача проектирования системы расчленяется на подзадачи проектирования её элементов. Причём, каждый из элементов должен рассматриваться не сам по себе, а во взаимодействии с другими элементами. Решение подзадач должно происходить при условии обеспечения интегративных качеств функционирования всей системы. Для выполнения этого требования необходим единый идеологический и организационный план проектирования, связывающий все фазы в целом, начиная от исследовательской проработки до фазы изготовления и эксплуатации. Основные черты методики проектирования - системность и оптимизационность, использование имитационного моделирования и вычислительной техники. Обычно задача проектирования на данном уровне развития науки и вычислительной техники чаще всего осуществляется как многократно решаемая задача анализа множества вариантов проекта системы.

Суть системного прохода можно более чётко описать с помощью формализованной структуры, которая может быть применена в практике решения задач анализа, синтеза и проектирования:

S=<G, W, M, Q, Str(org), ier, P, R, a, E, B, I, C>

Здесь:

S - совокупность методологических требований системного подхода;

G - формулирование цели проектирования, синтеза системы или ее выявление при решении задачи анализа;

W - определение интегративных качеств системы как целого и (или) методов их установления;

M - членение системы на множество её составляющих подсистем;

Q - установление цели функционирования свойств каждой подсистемы и изучение образования механизма обеспечения цели системы как целого и её интегративных свойств;

Str(org) - анализ структуры (организации) системы, изучение ее влияния на интегративные качества системы в целом;

ier - определение уровня иерархии данной системы и ее подсистем в иерархической структуре систем, куда входит данная система;

P, R, a - влияние свойств (P) системы на другие системы; а также выявление отношений (R) связей (a) данной системы и ее подсистем с другими системами (внешней средой);

Е - изучение влияния внешней среды на систему;

В - анализ процесса функционирования системы, в том числе, ее развития;

I - анализ информационных потоков, циркулирующих в системе и поступающих из вне для целей управления ею;

С - описание принципов управления и процесса управления системой. Приведённая структура алгоритма системного подхода не является единственной. Они достаточно многочисленны, однако принципиальных различий нет, отличия проявляются только в деталях. Подчеркнём также, что в практике использования алгоритма системного подхода возможен циклический, итерационный характер его применения, как в целом, так и отдельных его этапов.

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 учёный-философ Ф.‑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 учёного 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 1932 г. создал теорию, ставшей основой нейрокибернетики. Его теория получила развитие в биологии, физиологии, философии, в теории принятия управленческих решений (приоритет идей Анохина 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 е` свойств и особенностей.

Основной идеей кибернетики Винера является подобие процессов управления и связи в машинах, живых организмах и обществе. Эти процессы заключаются в приёме, передаче, хранении и переработке информации. Система, принимая информацию, использует её 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 чёткое 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.

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 объединённых в одно целое средствами автоматизированного управления, что требует высокой скорости переработки информации. Последнее возможно только с использованием ЭВМ.

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».

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.

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. Её формирование началось со второй половины ХХ века и ещё далеко не завершено.

Предметом её исследования является классы систем, объединённых 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 путём моделирования на ЭВМ. Развитие системных представлений изображено на рисунке 3.

Рисунок 3

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

Примерами знаний, полученными моделированием на ЭВМ являются влияние количества переменных и связности системы на её устойчивость, влияние взаимосвязи между структурами и поведением системы и т.д.

Приведем некоторые понятия, часто использующиеся для характеристики системы.

1. Элемент системы — часть системы, имеющая определенное функциональное назначение. Сложные элементы систем, в свою очередь состоящие из более простых взаимосвязанных элементов, часто называют подсистемами.

2. Организация системы — внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы.

3. Структура системы — состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и внутренние связи между элементами организованы только от вышестоящих к нижестоящим уровням и наоборот, то говорят об иерархической структуре системы. Чисто иерархические структуры встречаются практически редко, поэтому, несколько расширяя это понятие, под иерархической структурой обычно понимают и такие структуры, где среди прочих связей иерархические связи имеют главенствующее значение.

4. Архитектура системы — совокупность свойств системы, существенных для пользователя.

5. Целостность системы — принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных ее элементов (эмерджентность свойств) и, в то же время, зависимость свойств каждого элемента от его места и функции внутри системы.

Информационная система — взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

В Федеральном законе «Об информации, информатизации и защите информации» дается следующее определение:

«Информационная система — организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы»

Классификация по масштабу

По масштабу информационные системы подразделяются на следующие группы:

· одиночные;

· групповые;

· корпоративные.

Одиночные информационные системы реализуются, как правило, на автономном персональном компьютере (сеть не используется). Такая система может содержать несколько простых приложений, связанных общим информационным фондом, и рассчитана на работу одного пользователя или группы пользователей, разделяющих по времени одно рабочее место. Подобные приложения создайся с помощью так называемых настольных или локальных систем управления базами данных (СУБД). Среди локальных СУБД наиболее известными являются Clarion, Clipper, FoxPro, Paradox, dBase и Microsoft Access.

Групповые информационные системы ориентированы на коллективное использование информации членами рабочей группы и чаще всего строятся на базе локальной вычислительной сети. При разработке таких приложений используются серверы баз данных (Называемые также SQL-серверами) для рабочих групп. Существует довольно большое количество различных SQL-серверов, как коммерческих, так и свободно распространяемых. Среди них наиболее известны такие серверы баз данных, как Oracle, DB2, Microsoft SQL Server, InterBase, Sybase, Informix.

Корпоративные информационные системы являются развитием систем для рабочих групп, они ориентированы на крупные компании и могут поддерживать территориально разнесенные узлы или сети. В основном они имеют иерархическую структуру из нескольких уровней. Для таких систем характерна архитектура клиент-сервер со специализацией серверов или же многоуровневая архитектура. При разработке таких систем могут использоваться те же серверы баз данных, что и при разработке групповых информационных систем. Однако в крупных информационных системах наибольшее распространение получили серверы Oracle, DB2 и Microsoft SQL Server.

Для групповых и корпоративных систем существенно повышаются требования к надежности функционирования и сохранности данных. Эти свойства обеспечиваются поддержкой целостности данных, ссылок и транзакций в серверах баз.

Классификация по сфере применения

По сфере применения информационные системы обычно подразделяются на четыре группы:

· системы обработки транзакций;

· системы принятия решений;

· информационно-справочные системы;

· офисные информационные системы.

Системы обработки транзакций, в свою очередь, по оперативности обработки данных, разделяются на пакетные информационные системы и оперативные информационные системы. В информационных системах организационного управлений преобладает режим оперативной обработки транзакций, для отражения актуального состояния предметной области в любой момент времени, а пакетная обработка занимает весьма ограниченную часть.

Системы поддержки принятия решений — DSS (Decision Support Systeq) — представляют собой другой тип информационных систем, в которых с помощью довольно сложных запросов производится отбор и анализ данных в различных разрезах: временных, географических и по другим показателям.

Обширный класс информационно-справочных систем основан на гипертекстовых документах и мультимедиа. Наибольшее развитие такие информационные системы получили в сети Интернет.

Класс офисных информационных систем нацелен на перевод бумажных документов в электронный вид, автоматизацию делопроизводства и управление документооборотом.

Классификация по способу организации

По способу организации групповые и корпоративные информационные системы подразделяются на следующие классы:

· системы на основе архитектуры файл-сервер;

· системы на основе архитектуры клиент-сервер;

· системы на основе многоуровневой архитектуры;

· системы на основе Интернет/интранет - технологий.

В любой информационной системе можно выделить необходимые функциональные компоненты, которые помогают понять ограничения различных архитектур информационных систем.

Архитектура файл-сервер только извлекает данные из файлов так, что дополнительные пользователи и приложения добавляют лишь незначительную нагрузку на центральный процессор. Каждый новый клиент добавляет вычислительную мощность к сети.

Архитектура клиент-сервер предназначена для разрешения проблем файл-серверных приложений путем разделения компонентов приложения и размещения их там, где они будут функционировать наиболее эффективно. Особенностью архитектуры клиент-сервер является использование выделенных серверов баз данных, понимающих запросы на языке структурированных запросов SQL (Structured Query Language) и выполняющих поиск, сортировку и агрегирование информации.

В настоящее время архитектура клиент-сервер получила признание и широкое распространение как способ организации приложений для рабочих групп и информационных систем корпоративного уровня. Подобная организация работы повышает эффективность выполнения приложений за счет использования возможностей сервера БД, разгрузки сети и обеспечения контроля целостности данных.

Многоуровневая архитектура стала развитием архитектуры клиент-сервер и в своей классической форме состоит из трех уровней:

- нижний уровень представляет собой приложения клиентов, имеющие программный интерфейс для вызова приложения на среднем уровне;

- средний уровень представляет собой сервер приложений;

- верхний уровень представляет собой удаленный специализированный сервер базы данных.

Трехуровневая архитектура позволяет еще больше сбалансировать нагрузку на разные узлы и сеть, а также способствует специализации инструментов для разработки приложений и устраняет недостатки двухуровневой модели клиент-сервер.

В развитии технологии Интернет/Интранет основной акцент пока что делается на разработке инструментальных программных средств. В то же время наблюдается отсутствие развитых средств разработки приложений, работающих с базами данных. Компромиссным решением для создания удобных и простых в использовании и сопровождении информационных систем, эффективно работающих с базами данных, стало объединение Интернет/Интранет-технологии с многоуровневой архитектурой. При этом структура информационного приложения приобретает следующий вид: браузер — сервер приложений — сервер баз данных — сервер динамических страниц — web-сервер.

По характеру хранимой информации БД делятся на фактографические и документальные. Если проводить аналогию с описанными выше примерами информационных хранилищ, то фактографические БД — это картотеки, а документальные — это архивы. В фактографических БД хранится краткая информация в строго определенном формате. В документальных БД — всевозможные документы. Причем это могут быть не только текстовые документы, но и графика, видео и звук (мультимедиа).

Автоматизированная система управления (АСУ) - это комплекс технических и программных средств, совместно с организационными структурами (отдельными людьми пли коллективом), обеспечивающий управление объектом (комплексом) в производственной, научной или общественной среде.

Выделяют информационные системы управления образования (Например, кадры, абитуриент, студент, библиотечные программы). Автоматизированные системы для научных исследований (АСНИ), представляющие собой программно-аппаратные комплексы, обрабатывающие данные, поступающие от различного рода экспериментальных установок и измерительных приборов, и на основе их анализа облегчающие обнаружение новых эффектов и закономерностей.Системы автоматизированного проектирования и геоинформационные системы.

Систему искусственного интеллекта, построенную на основе высококачественных специальных знании о некоторой предметной области (полученных от экспертов - специалистов этой области), называют экспертной системой. Экспертные системы - один из немногих видов систем искусственного интеллекта - получили широкое распространение, и нашли практическое применение. Существуют экспертные системы по военному делу, геологии, инженерному делу, информатике, космической технике, математике, медицине, метеорологии, промышленности, сельскому хозяйству, управлению, физике, химии, электронике, юриспруденции и т.д. И только то, что экспертные системы остаются весьма сложными, дорогими, а главное, узкоспециализированными программами, сдерживает их еще более широкое распространение.

Экспертные системы (ЭС) - это компьютерные программы, созданные для выполнения тех видов деятельности, которые под силу человеку-эксперту. Они работают таким образом, что имитируют образ действий человека-эксперта, и существенно отличаются от точных, хорошо аргументированных алгоритмов и не похожи на математические процедуры большинства традиционных разработок.