Третье – возможность науки осуществить такое исследование

Объект исследования кибернетики – процессы управления в живой и неживой природе – существовал задолго до возникновения науки: процессы управления людьми возникли одновременно с появлением общества, возникновение государства привело к становлению процессов государственного управления. В ходе своего развития наука способна продуцировать некоторые новые объекты исследования: так появились автоматы, управляющие системы и машины, автоматизированные системы управления.

Таким образом, первое условие характеризует необходимость объективного существования объекта исследования – систем – и процессов управления различной природы, но еще не предопределяет конкретного момента появления новой науки.

Второе условие – потребность в выполнении исследования возникает в недрах общественной практики, когда проявляется острая необходимость в познании объективных законов управления, заполняющих пробелы в сложившейся системе уже известных законов природы, общества, мышления.

Необходимость исследования систем и процессов управления достаточно остро проявилась сразу в нескольких областях. Во-первых, возникла потребность исследования орудий труда с целью автоматизации управления ими. Во-вторых, назрела необходимость в осуществлении оптимального синтеза человеко-машинных систем. В-третьих, появилось научное направление, изучающее структуры и функции биологических систем и имеющие целью как их копирование в технике, так и собственно и управление ими. И, наконец, возникла необходимость исследования сложных социально-экономических систем: управление промышленностью, наукой, финансами, государством и др. Однако направление и развитие кибернетики определялось не только ее необходимостью для общественной практики, но и закономерностями, внутренней логикой развития науки. Кибернетика возникла в результате одновременного действия тенденций к дифференциации и интеграции научных знаний при преобладании второй тенденции над первой. Дифференциация науки обусловлена тем, что постепенное накопление и непрерывное увеличение объемов информации в каждой из наук закономерно приводит к сужению предмета исследования. Это закономерный процесс эволюционного развития, в большей степени стихийный, нежели творческий. По мере развития различных наук и теорий в них все заметнее выделялись разделы, которые специально изучал и системы и процессы управления. С другой стороны, накопление знаний о сходстве исследуемых различными науками процессов, законов приводит к качественному скачку – широкому теоретическому обобщению, рассматривающему различные явления природы, общества, мышления с единых мировоззренческих позиций, с помощью единой терминологии и общих методов, - происходит процесс интеграции наук.

Творческий характер содержательных аналогий между различными по своей природе процессами и системами управления прослеживается в истории человеческой мысли задолго до Н.Винера. Еще до нашей эры появляются образные сравнения государственного правителя с кормчим на корабле. В поэме Платона «Горгий» впервые встречается и слово «кибернус» - оно означает искусство управления кораблем. В «Левиафане» Томаса Гоббса (XVII в.) государство сравнивается с живым человеческим организмом. Декарт и Ламетри проводят сравнение человека и машины. Франсуа Кенэ (1758 г.) строит модель экономики по аналогии с системой кровообращения. Знаменитый французский математик и физик Андре Мари Ампер в 1834 г. в своей работе «Очерки по классификации наук» называет кибернетикой науку об управлении обществом.

Кибернетика как наука широких теоретических обобщений занимает определенное место в общей системе научных знаний, и четкое определение объекта и предмета ее исследования является важным методологическим вопросом. Для таких наук, как кибернетика, важным является разграничение предмета науки и объектов ее исследования: многие науки могут изучать различные виды законов функционирования одного и того же объекта, и в то же время одна наука может исследовать законы, общие для многих качественно различных объектов. Именно отсюда следует возможность существования науки, исследующей общие законы управления в живых организмах, машинах и обществе. Бесчисленные, существующие вокруг нас объекты материального мира не являются исключительно системами управления и ничем более. Например, такой объект, или система управления, как человек, изучается биологией, анатомией, психологией, социологией и т.д., причем каждая из этих наук имеет свой собственный предмет, характеризующий определенный круг закономерностей, который она исследует.

Наука — это система знаний об объективных законах существования, движения и развития природы, общества и мышления, сложившаяся вследствие ее необходимости для общественной практики.

Объекты исследования науки — это материальные явления или процессы, изучаемые данной наукой.

Предмет науки — это основное ее содержание, т.е. изучаемые ею законы существования, движения и развития объектов ее исследования, иными словами, предмет науки можно образно представить как «инструментарий», с помощью которого изучается объект исследования.

Кибернетика является самостоятельной наукой, законы ее специфичны, т.е. не являются предметом исследования никакой другой науки.

Объективной основой существования кибернетики как науки о законах управления в системах различной природы является единство мира, проявляющееся в изоморфизме [1]систем и процессов управления — сходстве формы при качественно различном содержании.

В качестве определения предмета кибернетики можно привести следующее: кибернетика — это наука о законах структурной организации и функционирования систем управления любой материальной природы и степени сложности, имеющая своей целью анализ, синтез и оптимизацию таких систем.

Структура и состав кибернетики определяется (рис. 1.1) объективными особенностями исследуемых систем и процессов управления, характером целей и задач исследования и современным уровнем развития науки.

Методология кибернетики	Методическая база кибернетики
Теория систем	КИБЕРНЕТИКА – наука об управлении сложными динамическими системами Академик А.Берг	Теория автоматического регулирования
Теория автоматов
Теория моделей	Теория алгоритмов
Теория исследования операций
Теория управления	Теория множеств
Теория графов
Теория информации	……………………………………………..
Теория игр
ПРИКЛАДНАЯ КИБЕРНЕТИКА
Экономическая кибернетика	Биокибернетика	Медицинская кибернетика	… …	Военная кибернетика

Рис. 1.1. Комплекс теорий и дисциплин, входящих

в кибернетику

Состав кибернетики в целом определяется общими свойствами систем управления, а состав ее разделов зависит от специфических особенностей конкретных систем. Применимость аппарата, методов и средств кибернетики зависит от характера решаемой задачи, то есть от целей исследования.

По характеру взаимодействия с кибернетикой все науки условно могут быть подразделены на две группы. Первую группу составляют науки, изучающие более общие формы связей и отношений, чем кибернетика. К таким наукам относятся, прежде всего, философия, математика и логика.

Вторую группу образуют науки, исследующие такие объекты, которые с точки зрения кибернетики являются частными видами систем управления: система управления производством, система кровообращения и др. Для этой группы наук кибернетика формирует общетеоретическую основу.

При всей общности своих идей кибернетика — конкретная наука. Ее конкретность проявляется в том, что качественные черты, присущие сложным динамическим системам любой природы, определяют конкретные приложения кибернетики, в частности, в экономике (экономическая кибернетика).

Как самостоятельное научное направление экономики, экономическая кибернетика возникла в начале 60-х гг. в XX в. что было предопределено серьезными системными исследованиями экономических процессов и явлений, достижениями в области экономико-математического моделирования, математических методов решения экономических задач в среде информационных технологий.

Термин «экономическая кибернетика» появляется в работах английского ученого Ст. Бира, советского ученого-экономиста B.C. Немчинова, польских ученых — О. Ланге и Г. Греневского.

Экономическая кибернетика исследует экономику, ее структурные и функциональные звенья как сложные динамические системы, в которых протекают процессы управления, информационные по своему содержанию.

Объект экономической кибернетики — экономическая система (предприятие, отрасль, регион, страна, др.) — являются общим с другими экономическими науками: экономической теорией, экономикой промышленности, региональной экономикой и т.д.

Предмет исследования экономической кибернетики — процессы и закономерности структурной организации и функционирования экономики как системы управления и, прежде всего, — информационные по всему содержанию — механизмы управления экономическими процессами.

Таким образом, экономическая кибернетика использует результаты экономической науки и формирует целостное представление об экономике как о сложной динамической системе, изучает взаимодействие ее производственно-экономической и организационно-хозяйственной структур в процессе управления ее функционированием и развитием.

Основной идеей кибернетики является идея сходства структуры и функций систем управления различной природы. Кибернетика как наука об общих законах управления возникла потому, что в системах самой разной природы выявился изоморфизм структур причинно-следственных связей, алгоритмов управления, правил преобразования информации и т.д. Поэтому одновременно с кибернетикой родилась гипотеза о возможности моделирования систем и процессов управления одной природы с помощью аналогичных систем и процессов другой природы.

Кибернетика исследует весьма специфические объекты — системы и процессы управления. Она характеризуется новыми подходами к анализу и синтезу сложных динамических объектов. Кибернетике присущ системный подход, позволяющий рассматривать явление во всей его сложности, с учетом всех имеющихся связей и свойств. Это дает возможность выявить, познать и рационально использовать закономерности управления в природе, обществе и искусственно создаваемых системах. Вместе с тем, развитие кибернетики потребовало переосмысления некоторых старых понятий, сложившихся в общественной практике, и формализации представлений терминологического характера, являющихся исходной базой при изучении сложных систем управления различной природы. Весьма важны содержательные характеристики основных понятий кибернетики: система, модель, управление, информация.

Моделирование — основной специфический метод кибернетики, применяемый для анализа и синтеза систем управления. Это особый познавательный прием, когда вместо непосредственного исследования объекта познания субъект исследования выбирает или создает сходный с ним вспомогательный объект — информационный образ, или модель, исследует его, а полученные новые знания переносит на объект — оригинал. В процессе моделирования используются различные общелогические и общенаучные методы, что позволяет отнести метод моделирования к классу синтетических общенаучных методов познания.

Моделирование — не единственный метод кибернетики. Существуют методы исследования и оптимизации систем, не связанные с моделированием, например, натурные эксперименты, наблюдения и др.

Для анализа и синтеза систем управления используются различные экономико-математические методы и модели. В соответствующих разделах курса будут рассмотрены условия и особенности их применения.

1.2. Основы теории систем

Термин «система» употребляется в различных областях науки и техники и других областях человеческой деятельности. Астрономы используют понятие «солнечная система», математики — «система уравнений», физиологи — «система пищеварения», экономисты — «финансовая система», актеры — «система Станиславского» и т.д. Общим во всех этих вариантах употребления понятия «система» является то, что ему сопутствует понятие некоторой упорядоченности множества элементов, наличие связей между элементами. В словаре русского языка Даля система определяется как «план, порядок расположения целого». По определению энциклопедического словаря система — «объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе». В основу понятия «система» положено наличие связей между объединяемыми в систему элементами; эти связи должны определяться некоторыми общими правилами или принципами.

Рассмотрим некоторую совокупность элементов и в соответствии с каким-то принципом объединим их все или часть их в систему; рассмотрев эту же совокупность элементов или часть ее и объединив их в соответствии с другим принципом, мы получим уже другую систему. Поэтому справедливо утверждение, что характеристики системы в целом определяются как характеристиками входящих в ее состав элементов, так и характеристиками связей между ними. Можно сказать, что определение любой конкретной системы является произвольным. Вполне обоснованно ножницы можно назвать системой. Однако более сложная совокупность элементов, включающая, например, работниц, режущую что-нибудь ножницами, также является подлинной системой. В свою очередь, работница с ножницами представляет часть более крупной системы производства какого-либо изделия и т.д.

Любая организация является сложной социально-технической системой. Термин «система», употребляемый в современной практике, имеет множество значений и смысловых нюансов. Это приводит к необходимости выделить те значения, которые имеют непосредственное отношение к системному анализу деятельности организации. Далее приведены четыре определения, которые представляются наиболее удачными.

Первое из них дано в Международном стандарте ИСО 9000:2000 «Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь». Система — это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Следует отметить, что в современном менеджменте качества уделяется большое внимание системному подходу к деятельности организации.

Российский энциклопедический словарь трактует понятие «система» следующим образом: система (от греческого Systema — целое, составленное из частей) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с Другом, образующих определенную целостность, единство.

Третье определение: система — совокупность связанных между собой и с внешней средой элементов и частей, Функционирование которых направлено на получение конкретного результата.

И, наконец, четвертое определение (применительно к сложным системам): системой является совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных единством цели и общими целенаправленными правилами взаимоотношений.

Причем под совокупностью элементов здесь следует понимать не просто набор элементов, хотя бы и с общими признаками, а набор, который позволяет обнаружить у системы некоторую общую характеристику. Эта общая характеристика хотя и зависит от характеристик отдельных элементов, но не присуща ни отдельному элементу, ни набору взаимосвязанных элементов. Взаимосвязь элементов будем понимать так, что элементы, не имеющие взаимосвязи или взаимовлияния с другими элементами системы, не принадлежат данной системе.

Как всякое фундаментальное понятие, термин «система» лучше всего конкретизируется при рассмотрении ее основных свойств. Для системы характерны следующие основные свойства:

• целенаправленность — определяет поведение системы;

• сложность — зависит от множества входящих в систему компонентов, их структурного взаимодействия, а также от сложности внутренних и внешних связей и их динамичности;

• делимость — система состоит из ряда подсистем или элементов, выделенных по определенному признаку, отвечающему конкретным целям и задачам;

• целостность — функционирование множества элементов системы подчинено единой цели. При этом система проявляет так называемые интегративные, эмерджентные (от англ. emergent — неожиданно возникающий) свойства, т.е. свойства, присущие системе в целом, но отсутствующие в отдельно взятых ее элементах;

• многообразие элементов и различие их природы — это связано с их функциональной специфичностью и автономностью;

• структурированность — определяется наличием установленных связей и отношений между элементами внутри системы, распределением элементов системы по уровням иерархии.

Поскольку кибернетика учитывает влияние на систему внешней среды, исходной характеристикой системы является ее противопоставление окружению. Среда — это все то, что не входит в систему. Среда представляет собой совокупность всех систем, кроме исследуемой, выделенной, интересующей нас в настоящий момент части реального окружающего мира. Поэтому можно сказать, что система — это конечное множество объектов, каким-то образом выделенное из среды посредством границы системы. Понятие «границы» в целом ряде случаев весьма условно, и при моделировании необходимо четко определить, где кончается система, а где начинается среда.

Между средой и бизнес-системой, которой является организация, существует множество взаимных связей, с помощью которых реализуется процесс взаимодействия среды и системы (рис. 1.2).

По входной и выходной связям между системой и средой путем взаимной передачи происходит обмен материальными, финансовыми, энергетическими, информационными и иными элементами. Элементы, передаваемые системой во внешнюю среду, будем называть конечными продуктами деятельности системы, а передаваемые из среды в систему — ресурсами.

Рис. 1.2. Связи системы-организации с внешней средой

Цель системы — достижение и сохранение желаемого состояния или желаемого результата поведения системы. Применительно к экономическим системам (в частности, к организациям) более подходит другое определение цели. Цель организации — стремление к максимальному результату, выражаемому в максимизации ценности капитала, при постоянном сохранении определенного уровня ликвидности и достижении целей производства и сбыта с учетом социальных задач. Вспомогательной стоимостной целью является стремление к оптимальной расчетной прибыли за период.

Задача системы — описание способа (технологии) достижения цели, содержащее указание на цель с желаемыми конкретными числовыми (в том числе временными) характеристиками.

Система целей — совокупность взаимоувязанных целей. В соответствии с определением понятия «система» для одного и того же объекта может быть рассмотрено несколько систем целей, т.е. использовано несколько оснований для их классификации, например:

• стратегические и тактические цели;

• долгосрочные (выполнение через несколько лет) и
краткосрочные (выполнение через год и ранее) цели;

• производственные, финансовые, социальные цели,
цели повышения качества продукции и т.п.

Древовидная система целей включает как минимум глобальную цель — существование организации и две главные цели — цель функционирования (выпускать продукцию) и цель развития (развиваться) (рис. 1.3).

Таким образом, система представляет собой упорядоченное подмножество объектов, интенсивность взаимосвязей которых превышает интенсивность отношений с объектами, не входящими в данное подмножество, т.е. с внешней средой.

Объект (элемент, компонент) — часть системы, выделенная по какому-либо признаку, сформулированному заинтересованным лицом. При этом объекты системы и отношения между ними выделяются в зависимости от точки зрения заинтересованного лица или группы лиц, например, одно и то же предприятие может рассматриваться как производственная, организационно-экономическая или социальная система. Выбор точки зрения — категория системного анализа, характеризующаяся выделением определенных аспектов рассмотрения проблемы и применением особой терминологии, соответствующей этим аспектам.

По существу, вся Вселенная состоит из множества систем, каждая из которых содержится в более крупной системе подобно множеству пустотелых кубиков, вложенных друг в друга. Так же, как всегда, можно представить себе более обширную систему, в которую входит данные, всегда можно выделить из данной системы более ограниченную. Пару ножниц, о которой мы только что упоминали, можно считать минимальной системой. Однако посмотрим, что получится, если сломать винт, соединяющий лезвия, и рассматривать одно лезвие. Исходя из старой точки зрения, это уже не система, а один безжизненный ее обломок. Действительно, одно лезвие уже не представляет систему для резания. Но, положив лезвие под микроскоп, мы увидим этот «обломок» как сложную систему.

Существенным признаком системы является наличие некоторой «глобальной» цели, общей для системы в целом. Следует отметить, что собственные цели элементов, входящих в систему, могут быть различны и не всегда совпадают с общей целью системы. Взаимодействие элементов в системе часто таково, что изменение одной или нескольких связей между элементами приводят к изменению других связей. Иными словами, взаимосвязи элементов в системе являются существенными обстоятельствами, которые необходимо учитывать при анализе системы.

Система характеризуется набором свойств. Свойства зависят от набора элементов, их состояния в данный момент и взаимосвязей между элементами. Естественно, что свойства системы могут меняться во времени. Из множества М свойств системы можно выделить существенные, важные для данного исследования (или вообще какого-то элемента окружения системы). Так как окружение системы может меняться, и могут меняться задачи и этапы исследования системы, то тот набор свойств, который был существенным в момент t:

,

в другой момент времени может быть другим:

.

Будем называть состоянием системы в некоторый момент времени множество существенных свойств (и их значения), которыми система обладает в данный момент:

A(t).

Как уже отмечалось, исходной характеристикой системы является внешняя среда или окружение, понимаемое как множество тех элементов системы (и их существенных свойств), которые не являются частями системы, но изменения в любом из которых может повлечь за собой изменение в состоянии системы. И обратно, система может влиять на свое окружение (внешнюю среду).

Таким образом, окружение системы — это совокупность внешних элементов, способных влиять на ее состояние A(t), которое зависит как от параметров системы, так и от состояния окружения:

A(t) = F{α₁(t), α₂(t),..., α_n(t); a₁(t), a₂(t),..., a_m(t)},

где α_i(t) — параметры системы и ее элементов;

a_j(t) — состояние внешних элементов или систем.

Состоянием окружения системы в момент времени t будем называть множество существенных свойств окружения в этот момент. Следует еще раз подчеркнуть, что хотя конкретные системы и их окружение объективны по характеру, они в то же время являются категориями в известной мере субъективными, поскольку конфигурация образующих их элементов выбирается в соответствии с целями исследования. Различные наблюдатели одной и той же системы могут по-разному выделить ее из окружения, описать состояние и провести исследование разных характеристик.

Таким образом, введенное понятие окружения системы или ее внешней среды является в некоторой степени неопределенным, зависящим от точки зрения исследователя. Возникает вопрос выделения границ системы. Какие из элементов, взаимодействующих с системой, отнести к ее окружению, а какие считать элементами самой системы? Многие исследователи считают, что невозможно исследовать или проектировать объект, границы которого не определены. Отсюда естественное желание локализовать систему, более четко определить ее границы. Однако здесь трудность носит принципиальный характер. В реальных системах элементы часто «проникают» из одной системы в другую. И этот переход часто происходит плавно, а не скачком. Исследователь не всегда может игнорировать связи элементов системы с другими системами, а, не имея возможности и средств точно различать границы системы, идет по пути использования нечетких представлений (своих собственных или представлений экспертов). В ряде случаев используются такие понятия, как «больше», «лучше», «много больше», «много лучше» и т.д. Такие понятия не имеют аналогов в классической математике, однако, если эту «качественную» или, как еще говорят, «нечеткую» или «семантическую» информацию отбросить, то это может обеднить анализ, который будет еще более отдален от реальности.

На практике определение границ системы, определение существенных взаимосвязей производится при помощи формализованных методик, руководящих методических материалов, типовых проектных решений. При разработке и исследовании сложных систем с передачей и обработкой информации, особенно, если система строится впервые, разработчик сам должен выбрать границы системы и ее подсистем, определить, какие из взаимосвязей являются существенными. Это связано со значительным разнообразием систем, а также с большой спецификой каждой из конкретных систем.

Исследование систем является необходимым этапом при проектировании и внедрении сложных систем. При недостаточных знаниях о системе разработчик может опустить важные, существенные связи или включить в рассмотрение несущественные, почти не влияющие на функционирование.

К сожалению, формализованные способы выделения существенных связей в системе отсутствуют. Исследователь обычно осуществляет перебор всех выделенных взаимосвязей и относит к существенным те из них, при изменении характеристик которых система существенно изменяет свои характеристики.

Разработчик сложной системы в процессе проектирования все более и более уточняет модель системы. По мере расширения знаний о системе вопросы, об уточнении границы системы, о взаимосвязях между ее элементами постоянно находятся в поле зрения разработчиков.

Подсистемой будем называть выделенное из системы подмножество взаимосвязанных элементов, объединенных некоторым целевым назначением. Разделение системы на подсистемы, а подсистемы — на более мелкие, можно продолжать до тех пор, пока остаются элементы (минимум два), объединенные общим признаком и целью. Правила объединения элементов для крупной системы являются более общими, для подсистемы — более частными.

Любая система может быть представлена как композиция (объединение) подсистем различных уровней и рангов.

Декомпозициякак (разделение) системы на подсистемы может быть проведена по определенным признакам и различными способами. Деление системы на подсистемы по уровням и рангам называют иерархией.

При делении число уровней и количество подсистем в каждом уровне зависит от конкретной системы и не должно оговариваться заранее, однако требуется, чтобы подсистемы, входящие в данную систему, при совместном функционировании выполняли все функции системы.

Иерархическая система управления данного уровня подчиняется системе более высокого уровня, в состав которой она входит.

Структурой (от лат. structure — строение, расположение, порядок, взаимосвязь составных частей) называется относительно постоянный порядок внутренних пространственно-временных связей системы между ее элементами и взаимодействия их с внешней средой, определяющей функциональное назначение системы.

Связи системы подразделяют на внешние и внутренние. Связи с подчиненными подсистемами или между ними считаются внутренними, а связи, выходящие за границы системы, — внешними.

Связи обладают направленностью. Для информационных систем — это получение информации, приказа, или, наоборот, выдача информации. Связь от внешней среды к системе (или ее элементу) называется входом, а направленная вовне — выходом. Каждая связь между элементами системы является входом для одного из них и выходом — для другого.