автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Концепция системно-физического подхода и его приложения к исследованию процессов обмена в сложных системах

{X У У-

/

С-'

А.Т. Надеев

КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМНО-ФИЗИЧЕСКОГО ПОДХОДА И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА В

СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук по

специальности 05.13.17 "Теоретические основы информатики"

8 Президиум ВАК России

(решение от" / " Р ? 19^ г., №

| присудил ученую степень ДОКТОРА

I /'Июси+гч ___[

( Начальник управления ВлК Роесгш (•■ ! _____ ______________ |!

<г

Научный консультант, член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор В.В.Кондратьев

Н.Новгород - 1998 г.

Оглавление

Введение..........................................................4

Глава 1. Концепция системно-физического подхода

1.1 Основные принципы системно-физического подхода.........23

1.2 Основные понятия................................................32

1.3 Фундаментальные свойства......................................36

1.4 Интегративность фундаментальных свойств........................42

1.5 Выводы........................................................46

Глава 2. Информационно-ценностная природа обменных взаимодействий

2.1 Сферы и образы..................................................48

2.2 Пространства ситуаций............................................51

2.3 Факторы и законы существования................................56

2.4 Пространства ценностей..........................................62

2.5 Механизмы отображения и системы координат......................69

2.6 Ценностные принципы и механизмы их реализации (законы)..........77

2.7 Закон эквивалентности и структура ценности........................81

2.8 Общая структура проявления сущности систем......................95

2.9 Выводы........................................................98

Глава 3. Обменные взаимодействия в социально-экономических системах

3.1 Информационно-ценностный подход к прогнозированию результатов голосований..........................................................101

3.2 Спектральная теория социальной напряженности и прогнозирование результатов голосований............................................115

3.3 Статистическая теория голосований. Логарифмический и гармонический законы................................................134

3.4 Статическая теория голосований. Функции распределения..............145

3.5 Динамика общественного мнения. Влияние стратегий информирования 154

3.6 Выводы........................................................161

Глава 4. Обменные взаимодействия в технологических системах

4.1 Методика оценки качества изделий на основе моделирования потоков

производственных дефектов..........................................165

4.2 Непрерывная модель обменов в технологических системах........177

4.3 Методика оценки влияния геометрических связей и отношений на точностьпреобразования управляющей информации....................183

4.4 Точность и быстродействие оперативного управления с помощью средств визирования................................................196

4.5 Принцип максимума полезной информации и точностные характеристики технологических систем................................199

4.6 Выводы........................................................219

Глава 5. Обменные взаимодействия в физических системах

5.1 Активные центры системообразования (системоразрушения) и начало пузырькового кипения жидкости......................................221

5.2 Информационные свойства акустического излучения кипящей жидкости 230

5.3 Системная открытость и эффекты внутреннего массообмена в сплошной среде............................................................249

5.4 Информационные искажения в человеко-приборных комплексах при визировании в приземном слое атмосферы...............259

5.5 Модель отражений и реконструктивное описание атмосферы в горах. . . 264

5.6 Выводы............................268

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................271

Литература........................................................274

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Основные исторические этапы развития системно-

физического подхода.........................293

Приложение 2 Целесообразность открытости внутреннего рынка..........306

Приложение 3. Оценка общественной роли личности....................309

Приложение 4. Квазиоптимальное управление экономическими системами . 316

Приложение 5. Информационное управление в социальных системах. ... 321

Приложение 6. Роль естественных процессов накопления.........339

ВВЕДЕНИЕ

Предмет исследования. Диссертация посвящена разработке общей концепции системно-физического подхода и его практическому применению в исследовании обменных взаимодействий в социально-экономической, технологической и физической сферах. Основными объектами внимания в ней являются реальные системы, которые с известной степенью условности можно назвать технологическими, т.е. подчиняющимся определенным технологиям (программам) своего существования. В этом смысле технологической, например, является избирательная система, поскольку процессы проведения предвыборной кампании, голосования и подсчета голосов достаточно жестко регламентируются соответствующей совокупностью определенных правил. Причем указанные правила (т.е. технология выборов) являются общими (одинаковыми) для большого числа структурных элементов системы (избирателей, участковых, окружных и центральных комиссий, кандидатов, общественных организаций и т. п.). Кроме того, характерной особенностью выборов является их циклическая повторяемость. Именно эта циклическая повторяемость порождает значительный практический интерес в исследовании существующих в данной области закономерностей. Другим характерным примером технологической системы может служить какая-либо физическая (химическая, биологическая и т.п.) технологическая установка (например, тепловая машина, радиотелескоп или ускоритель).

Методы исследований. Методологической основой данной работы является системный анализ, органически сочетающейся с физическим подходом, что обеспечивает целостность, целесообразность, открытость и содержательность модельного представления об исследуемых проблемах, целенаправленное выявление их наиболее важных особенностей и существенных черт. В качестве математического аппарата в диссертации использованы элементы теории множеств, математической логики, теории автоматов, теории графов, теории вероятностей и математического программирования. В ней также достаточно широко используются некоторые достижения современной и классической

физики (в частности из области статистической физики, термодинамики, физики кипения, механики сплошных сред и т. д.).

Актуальность. Научно-технический процесс и связанная с ним системная революция породили к настоящему времени настолько сложные, многоаспектные проблемы взаимоотношений человека и окружающей его природы, что он по сути дела потерял способность к их адекватной интерпретации в рамках существующей совокупности специальных наук. Стало вполне очевидно, что указанные проблемы, с одной стороны, для своего решения требуют интегративного системного подхода, а, с другой стороны, на содержательном уровне они лежат далеко за пределами последнего. Причина такого двойственного положения заключается в том, что классический системный анализ вполне определяет лишь форму (методы) исследования, а не содержательное разнообразие информационного образа самого предмета исследования. Попытка же сочетания указанной общей формы с частным содержанием каких-либо специальных наук приводит в силу их очевидного несоответствия к внутренней противоречивости и к значительной потере интегративности, целостности, целесообразности и открытости модельного представления о реальной действительности. Типичным примером подобной рассогласованности формы и содержания научного знания может служить так называемый системный подход в экономике, который в силу сказанного выше трудно назвать системным, - ведь он имеет дело лишь с частичными образами реальных систем.

Вследствие этого традиционные методы управления указанными системами, основанные практически только на индивидуальном житейском и профессиональном опыте отдельных людей стали неэффективными. В связи с этим возникла настоятельная необходимость изучения указанных систем, (казалось бы совершенно различной природы) с единых научных позиций. И хотя эта задача значительно осложняется оторванностью исследований в области теории систем от реальной действительности, отсутствием в них физически адекватного содержания, однако большую надежду на возможность ее решения дает то, что к настоящему времени накоплен уже достаточно большой объем эмпирических данных, свидетельствующих о наличии в данной области некоторых фундаментальных закономерностей. Кроме того, имеется весьма

положительный опыт разработки и практического использования самых разнообразных методик, базирующихся на системном подходе. Существует также целый ряд весьма интересных теоретических результатов, связанных с использованием физических модельных представлений в других отраслях знаний (в социологии, в экономике, в психологии и т. п.). Помимо этого к настоящему времени сложилось довольно большое количество достаточно интересных и продуктивных научных теорий (таких как общая теория систем; теория сложности; экономические, социальные и психологические теории полезностей; теории технической эффективности; теория игр; теория коллективного выбора теории голосований; и т. п.)., которые как бы «повисают в воздухе», существуя сами по себе. Их отнесение к той или иной социальной научной дисциплине очень часто является настолько искусственным, что это бросается в глаза даже неискушенному в вопросах методологии познания студенту. Причина такой методологической путаницы заключается в том, что указанные теории представляют собой некоторые зародышевые образования (фрагменты) некоего общего системного научного управления.

Все это вместе взятое свидетельствует о наличии необходимых предпосылок для возникновения и развития целостного научного направления, в котором естественным образом соединились бы концептуальная мощь системного анализа и содержательная интерпретируемость, эмпирическая согласованность, формальная строгость и красота физических теорий. Только такой системно-физический подход (систематика) позволяет обеспечить необходимую глубину и общность понимания сущности реальных систем, имеющих разнообразные многоаспектные проявления, уровень сложности которых сравним или превышает уровень сложности живых организмов.

Сущность системы любой природы проявляется посредством взаимодействий ее структурных образований. Эти взаимодействия структурных образований реализуются в форме различного рода обменов, сопровождающихся количественными и качественными изменениями состояния и относительного пространственного положения последних. Отсюда следует, что взаимодействия систем представляют собой в конечном счете обмен информацией. И в этом смысле актуальной становиться проблема раскрытия информационной природы

процессов, протекающих в различных сферах, информационной природы физической содержательности.

Существующая ситуация. Широкое внедрение методов системного анализа в практику исследований сложных проблем, изучаемых в рамках отдельных специальных наук привело, на наш взгляд, к значительному выхолащиванию его концептуальной основы, сформировавшейся в рамках общей теории систем. Типичным примером здесь может служить широко известная работа Месаровига и Такахары [114], посвященная формально-математическим основам этой теории. Принципиальное, концептуальное отличие предложенного в этой работе подхода от методологических подходов других наук (например, математической физики) заключается в практически полном отказе от принципов эмпирической согласованности и физической содержательности. Это обстоятельство обусловлено в первую очередь тем, что разрабатываемая авторами теория не строиться как обобщение эмпирических фактов, а она создается как некая рефлексия некоторых областей математики, затрагиваемых общей теорией систем, в себя, т. е. чисто умозрительно.

К наиболее разработанным вопросам практического использования системного подхода следует прежде всего отнести вопросы моделирования деятельности организационных и производственно-экономических систем, их взаимодействия со своим локальным окружением [11,33,35,41,4346,56,63,70,113,115,188,189,195-203,240,258], а также вопросы оптимального планирования и оперативного управления технологическими процессами [64,65,72,95,96,236]. Значительные достижения, связанные с использованием некоторых системных принципов, получены также при решении целого ряда социально-экономических и социально-психологических задач. И здесь нельзя не упомянуть об исследованиях в области принятия решений, выполненных в разные годы В.Парето, Л. С. Миркиным, Ю.Б. Гермейером, Р. Беллманом, А. Заде, У. Феррелом, Т. Шериданом, Э. Муленом, Ю. Казелецким, Ю. И. Клыковым, Д.А. Поспеловым, H.H. Пушкиным, Т. Саати и многими другими [26,8,21,26,35,51,68,71,72,86,87,89-93,99,101,119,120,189,202,203,209,211-215,253,254].

Однако, как уже отмечалось, выше все попытки объединения различных достижений прикладного характера довольно часто представляют из себя весьма пеструю электрическую смесь. Типичным примером такого рода попыток может служить монография Ван Гига [54].

Существование реальных систем любой природы является целесообразным. Эта целесообразность проявляется прежде всего в наличии определенных ценностных принципов и целей, которым подчиняется поведение реальных систем их реакция на возникающие во внешнем окружении ситуации. Пожалуй, одними из первых, кто с особой ясностью показали полную однокачественность понятий цели и средства были Р. Беллман и Л. Заде [21,6668]. Ценностная природа процессов управления с особой полнотой продемонстрирована также в работах [36,209,215,242,254]. Сложность решения задачи целеопределения заключается в необходимости исследования взаимодействия системы с окружающей ее средой с учетом их взаимного проникновения. Как правило, вопрос о формировании цели о ее "естественном" возникновении остается вне поля зрения исследователя. Характерным в этом смысле являются работы по оптимальному управлению. Многие авторы (в частности А. Холл, Мессарович и др.) считают, что определение цели системы есть процесс творческий, неподдающийся сколько-нибудь разумной формализации, или, что цель назначается системе извне и поэтому не подлежит обсуждению. Поэтому и вопрос о механизме формирования цели, по мнению этих исследователей, не имеет никакого смысла. Однако с подобными утверждениями навряд ли можно согласиться, поскольку признание их истинности означало бы по сути отказ от признания причинно-следственной обусловленности событий и, следовательно, отказ от первичности ценностных принципов бытия. Причина возникновения и устойчивого существования такого взгляда на природу целеполагания заключается в отмеченном выше разрыве между формально-абстрактной теорией систем и ее практическими предложениями в форме системного анализа (системного подхода), в выхолащивании физического содержания из методологического основания этого научного направления. Именно поэтому в научной литературе практически не затрагивается, например, такой важный вопрос, как вопрос о взаимосвязи ценности и полезности. Кроме того, практически обходится стороной и такой важный вопрос, как вопрос о

структуре системы ценностей. Может быть в этом кроется причина того разнообразия определений самого понятия системы, базирующихся на атрибутивном (в виде перечисления некоторой совокупности базовых признаков), а не на конструктивном (структурном) подходе. В связи с этим в диссертации, особенно в ее концептуальной части значительное внимание уделяется физически содержательной интерпретации понятия системы, основанного на структурном представлении о проявлении ее сущности. Кроме того, в данной работе автор стремиться показать определяющую роль ценностных принципов существования системы, которая подтверждается результатами многочисленных исследований в самых различных областях (физической, биологической, психологической, технологической и т. д.).

Довольно длительное время в таких, казалось бы, далеких от физики отраслях науки как экономика, социология и т. п. предпринимаются (и часто весьма успешно) попытки использования ее модельных представлений [41,239,257,258]. Физические аналогии позволяют очень часто добиться если не качественно новых результатов, то, по крайней мере, значительно более глубокого понимания изучаемого явления, его внутреннего единства и взаимосвязи с другими явлениями природы. Однако простое перенесение общих физических закономерностей на другие процессы, не обнаруживая (именно в силу этой самой общности, а также существенной неформализуемости изучаемых явлений) явных противоречий с опытом, может привести к существенному искажению представлений о реальной действительности. Это обстоятельство становится особенно очевидным в том случае, когда наблюдается явное пренебрежение основными системными принципами. Так, например, одними из особенно важных проблем, возникающими постоянно в самых различных областях, явля�