Моделирование систем

В 1972 году на основе метода «системной динамики» Дж. Форрестера Форрестер Джей Райт (р. 14 июля 1918, Анселмо, шт. Небраска), американский инженер-электронщик и эксперт по менеджменту. Изобрел запоминающее устройство на магнитных сердечниках, применяемое в настоящее время в большинстве цифровых компьютеров.

были построены первые так называемые «модели мира», нацеленные на выработку сценариев развития всего человечества в его взаимоотношениях с биосферой. Их недостатки заключались в чрезмерно высокой степени обобщения переменных, характеризующих процессы, протекающие в мире; отсутствии данных об особенностях и традициях различных культур и так далее. Однако это оказалось очень многообещающим направлением. Постепенно указанные недостатки преодолевались в процессе создания последующих глобальных моделей, которые принимали все более конструктивный характер, ориентируясь на рассмотрение вопросов улучшения существующего эколого-экономического положения на планете.

М.Месаровичем и Э.Пестелем были построены глобальные модели на основе теории иерархических систем, а В.Леонтьевым - на основе разработанного им в экономике метода «затраты-выпуска». Дальнейший прогресс в глобальном моделировании ожидается на путях построения моделей, все более адекватных реальности, сочетающих в себе глобальные, региональные и локальные моменты.

Простираясь на изучение все более сложных систем, метод моделирования становится необходимым средством, как познания, так и преобразования действительности. В настоящее время можно говорить как об одной из основных, о преобразовательной функции моделирования, выполняя которую оно вносит прямой вклад в оптимизацию сложных систем. Преобразовательная функция моделирования способствует уточнению целей и средств реконструкции реальности. Свойственная моделированию трансляционная функция способствует синтезу знаний - задаче, имеющей первостепенное значение на современном этапе изучения мира.

Прогресс в области моделирования следует ожидать не на пути противопоставления одних типов моделей другим, а на основе их синтеза. Универсальный характер моделирования на ЭВМ дает возможность синтеза самых разнообразных знаний, а свойственный моделированию на ЭВМ функциональный подход служит целям управления сложными системами.

Сферы использования кибернетики

В нашей стране кибернетика как наука о наиболее общих законах управления начала интенсивно развиваться примерно с 1955 года. Большую роль в этот период становления кибернетики сыграли ученые А.А.Ляпунов Ляпунов Алексей Андреевич (1911-73), российский математик, член-корреспондент АН СССР (1964). Труды по теории множеств, математическим вопросам кибернетики, математической лингвистике. и В.М.Глушков Глушков Виктор Михайлович (1923-82), математик, академик АН Украины (1961) и АН СССР (1964), Герой Социалистического Труда (1969). Организатор и первый директор Института кибернетики АН Украины (с 1962; ныне имени Глушкова). Основные труды по теоретической и прикладной кибернетике: теория цифровых автоматов, автоматизация проектирования ЭВМ, применение кибернетических методов в народном хозяйстве..

А.А.Ляпунов дает следующее определение: "Кибернетика - это наука об общих закономерностях строения управляющих систем и течения процессов управления. Она изучает процессы хранения, передачи, переработки и восприятия информации".

Большое влияние на развитие кибернетики в СССР оказывал академик В.М.Глушков, работавший в основном в области теории цифровых автоматов, формальных языков, искусственного интеллекта. Ему же принадлежит идея создания первых автоматизированных систем управления предприятия (АСУП) "Кунцево", "Львов", а также общегосударственной автоматизированной системы управления (ОГАС).

Данное им определение кибернетики, вошедшее в Советскую энциклопедию и ряд энциклопедий других стран, выглядит следующим образом: "Кибернетика - это наука об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах". Следует отметить, что это определение раскрывает только теоретическую сторону исследований. В.М.Глушков вместе с тем отмечал, что кибернетика, как и физика, подразделяется на теоретическую и прикладную.

Основными категориями методами теоретической кибернетики являются следующие понятия: "сложная система", "междисциплинарность", "межсистемный изоморфизм", "черный ящик", "управление", "обратная связь", наблюдатель", "гомеостаз", "внешнее дополнение", "принцип необходимого разнообразия". В сочетании с обще познавательными методами "классификация", "обобщение", "абстрагирование", "анализ-синтез" кибернетика добросовестно выполняет свою миссию методологии изучения сложных систем.

Области приложения кибернетики как прикладной науки также достаточно обширны, появляются направления: техническая кибернетика, экономическая кибернетика, биологическая кибернетика, медицинская кибернетика, нейрокибернетика и т.д.

Наука кибернетика изучает проблемы анализа и синтеза сложных целенаправленных систем, законы управления и вопросы построения и исследования моделей этих систем и т.д. Применительно к организационно-технологическим системам кибернетика как наука об управлении включает следующие основные направления:

· системный анализ и общая теория систем;

· теория автоматического управления;

· теория оптимального управления экономикой;

· теория выбора и принятия решений;

· теория распознавания образов;

· теория расписаний;

· теория моделирования;

· теория массового обслуживания и т.д.

Основное прикладное назначение кибернетики - проектирование автоматических, автоматизированных и интегрированных систем различного класса и назначения. При этом с точки зрения управления в организационных системах можно выделить следующие уровни предметной области кибернетики:

· общегосударственная автоматизированная система сбора и обработки информации (ОГАС);

· территориальные (республиканские, областные, городские, районные) автоматизированные системы обработки информации и управления (ТАСУ);

· отраслевые автоматизированные системы управления (ОАСУ); автоматизированные системы управления акционерными обществами, предприятием (АСУП);

· автоматизированные учрежденческие системы (АУС);

· автоматизированные рабочие места руководителей (АРМ).

C точки зрения управления в технических системах выделяют обычно следующие предметные области исследования:

· отдельные устройства автоматики;

· гибкие производственные модули, участки производства;

· автоматизированные системы управления технологическими процессами и установками;

· автоматизированные системы комплексных испытаний;

· автоматизированные системы научных исследований;

· системы автоматизированного проектирования.

Рассмотрим кратко некоторые из направлений применения кибернетики.

Системный анализ и теория систем

· удорожание "цены ошибки". Чем сложнее, дороже, масштабнее планируемое мероприятие, тем менее допустимы в нем "волевые" решения и тем важнее становятся научные методы, позволяющие заранее оценить последствия каждого решения, заранее исключить недопустимые варианты и рекомендовать наиболее удачные;

· ускорение научно-технической революции техники и технологии. Жизненный цикл технического изделия сократился настолько, что "опыт" не успевал накапливаться, и требовалось применение более развитого математического аппарата в проектировании;

· развитие ЭВМ. Размерность и сложность реальных инженерных задач не позволяло использовать аналитические методы.

Инженерное дело теснейшим образом связано с совокупностями объектов, которые принято называть сложными системами, которые характеризуются многочисленными и разнообразными по типу связями между отдельно существующими элементами системы и наличием у системы функции назначения, которой нет у составляющих ее частей. На первый взгляд каждая сложная система имеет уникальную организацию. Однако более детальное изучение способно выделить общее в системе команд ЭВМ, в процессах проектирования лесной машины, самолета и космического корабля.

В научно-технической литературе существует ряд термином, имеющих отношение к исследованию сложных систем. Наиболее общий термин "теория систем" относится к всевозможным аспектам исследования систем. Ее основными частями являются

· системный анализ, который понимается как исследование проблемы принятия решения в сложной системе,

· кибернетика, которая рассматривается как наука об управлении и преобразовании информации.

Здесь следует заметить, что понятие управления не совпадает с принятием решения. Условная граница между кибернетикой и системным анализом состоит в том, что первая изучает отдельные и строго формализованные процессы, а системный анализ - совокупность процессов и процедур.

Очень близкое к термину "системный анализ" понятие - "исследование операций", которое традиционно обозначает математическую дисциплину, охватывающую исследование математических моделей для выбора величин, оптимизирующих заданную математическую конструкцию (критерий). Системный анализ может сводиться к решению ряда задач исследования операций, но обладает свойствами, не охватываемыми этой дисциплиной. Однако в зарубежной литературе термин "исследование операций" не является чисто математическим и приближается к термину "системный анализ". Широкая опора системного анализа на исследование операций приводит к таким его математизированным разделам, как

· постановка задач принятия решения;

· описание множества альтернатив;

· исследование многокритериальных задач;

· методы решения задач оптимизации;

· обработка экспертных оценок;

· работа с макромоделями системы.

Теория автоматического управления

Концепция молекулярно-генетических систем управления (МГСУ) возникла в середине 60-х годов как приложение идей и методов кибернетики для описания, анализа и моделирования явлений молекулярно-генетической организации. К этому времени в теоретической кибернетике были получены крупные результаты, открывшие возможность обосновать и решить эти проблемы. Дж. фон Нейман Нейман Джон (Янош) фон (1903-57), американский математик и физик. Родился в Будапеште, с 1930 в США. Труды по функциональному анализу, теории игр и квантовой механике. Внес большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. разработал основы теории самовоспроизводящихся автоматов, имея ввиду проблемы и прообразы из генетики и молекулярной биологии. К.Шеннон Шеннон Клод Элвуд (р. 1916), американский инженер и математик. Один из создателей математической теории информации. Основные труды по теории релейно-контактных схем, математической теории связи, кибернетике., Л.Бриллюэн Бриллюэн Леон (1889-1969), французский физик, с 1941 в США. Труды по теории твердого тела, квантовой механике, магнетизму, радиофизике, теории информации, философии естествознания. и др. прояснили понятие количества информации. А.Ляпунов и С.Яблонский Яблонский Сергей Всеволодович (р. 1924), российский ученый, член-корреспондент РАН (1991; член-корреспондент АН СССР с 1968). Труды по математической логике и математическим вопросам кибернетики. описали центральный объект кибернетики - системы управления, а И.Полетаев уточнил понимание "информации по смыслу", физических особенностей актов управления, принципа лимитирования в сложных системах. Кибернетика была активной и бурно развивавшейся наукой, приложение которой пытались найти в самых разных областях знания.

Весь опыт молекулярной генетики показывает, что наиболее существенными молекулярными компонентами клетки являются фракции кодирующих биополимеров - ДНК, РНК и белков. С ними связаны все наиболее важные процессы и свойства клеток: самовоспроизведение, наследование, транспорт веществ, развитие, иммунитет и т.д. Совокупность кодирующих биополимеров клетки обладает несколькими общими, фундаментальными свойствами, и эту систему биополимеров клетки и назвали молекулярно-генетической системой управления. При ее информационно-кибернетическом описании на первый план выходят принципы организации и управления, самовоспроизведение, информационные процессы, помехоустойчивость, кодирование, память, языки и т.п., а структурные, физико-химические свойства отходят на второй план.

Список использованной литературы

1. Винер Н. Кибернетика. М.: Наука, 1968.

2. Ершов А., Кузнецов А., Гольц Я. Основы вычислительной техники. М.: 1985.

3. Клаус Г. “Кибернетика и философия”, М.: Иностранная литература, 1963

4. Ратнер В., профессор, д.б.н., зав. лабораторией молекулярно-генетических систем управления Института цитологии и генетики СО РАН, академик РАЕН. Статья в журнале «НВС» за май 2000 года «молекулярная кибернетика в океане науки»

5. Эшби У. Р. Введение в кибернетику. М., 1959.