Исторический экскурс. Истоки общей теории систем.

До начала XX-го века классическая наука развивалась как редукционистская и основывалась на изучении элементов в рамках той или иной отрасли знаний. Превалировал механистический способ мышления, не ориентированный на междисциплинарные связи.

Тем не менее единство свойств в группах объектов было замечено давно. Так, еще древнегреческий философ Аристотель был, очевидно, первым ученым, сформировавшим одно из фундаментальных положений целостности теории систем. Он показал несводимость целого к простой сумме частей.

Впервые общую теорию систем в виде, близком к современному изложил в книге с таким же названием биолог Людвиг фон Берталанфи. Ему же принадлежит и широко известное определение системы как «множества взаимодействующих элементов».

Теория систем – это раздел науки, изучающий различные явления, отвлеченно от их конкретной природы. Другая интерпретация теории систем – это система понятий, методов и технологий для изучения, описания и реализации систем различной природы. Все объекты, состоящие из множества взаимодействующих элементов, в соответствии с теорией систем обладают некой общностью свойств структуры и функции. Такой системный подход к рассмотрению различных систем (объектов) позволяет не только объяснить присущие им свойства, но и предсказать новые свойства, а также решить задачи по получению новых объектов с заранее заданными свойствами. Особенно продуктивным оказалось рассмотрение свойств живой природы и перенос их свойств на соответствующие технические устройства.

Такие предметы, как сложность, самоорганизация, коннективизм и адаптация систем были изучены еще в 1940-ых и 1950-ых годах. В кибернетике Норберт Винер, Уильям Эшби, Джон фон Нейман и Хейнц фон Фёрстер изучали сложные системы с помощью математики. Нейман открыл клеточный автомат и самовоспроизвоство систем. Александр Ляпунов и Анри Пуанкаре работали над основами теории хаоса еще до эпохи компьютеров. Эколог в области радиации Говард Одум привел к заключению, что изучение систем общего вида требует языка, описывающего энергетику и кинетику в системах всех видов. Он завершил свои исследования созданием языка энергетических цепей как варианта некоторого международного языка для теории систем.

Далее последовало интенсивное развитие ОТС. Особенно способствовало этому появление кибернетики (от греч. kybernetike – искусство управления), основоположником которой является Норберт Винер. Для решения многих задач кибернетики удалось привлечь ряд идей и алгоритмов из живой природы таких как интеллектуальные решения, самоорганизация, адаптация. Термин «самоорганизация систем» в 1947 г. ввел один из основоположников теории систем и кибернетики нейрофизиолог У.Р.Эшби. Многие специалисты считают понятия теория систем и кибернетика практически тождественными.

Как один из аспектов теории систем, системная динамика предоставляет метод для описания динамического поведения сложных систем. Основой метода является понимание того, что структура любой системы со взаимосвязанными отношениями, иногда с временной задержкой между компонентами, настолько же важна в определении поведения, как и сами отдельные компоненты. Примерами являются теория хаоса и социальная динамика. Обычно принимается, что поскольку свойства целого могут отсутствовать в свойствах частей, то и поведение целого не может быть полностью объяснено из поведения частей. Примером являются свойства букв, которые только при соединении могут дать некоторое понятие, отсутствующее в буквах, взятых по одиночке. Это объясняет роль интеграции различных средств, таких как язык, как наиболее простой процесс в человеческой деятельности, для облегчения жизненной адаптации путем использования сложных связанных систем. Одним из известных ученых, занимавшихся развитием теории динамических систем, а также теории катастроф, явился Владимир Арнольд.

В 1960-х годах теория систем была адаптирована Дж.фон Нейманом к информатике и информационным технологиям, что фактически привело к созданию таких направлений, как структурный анализ и структурное проектирование. Этот подход также стал основой для ранних исследований в области разработки программного обеспечения, в том числе разработки принципов автоматизированной разработки такого обеспечения.

Нейронные сети – алгоритмы использующие свойства нейронов. Первым, обратившим внимание на аналогию между используемыми в ЭВМ обрабатывающими элементами и нейронами, был Джон Фон Кейман. В 1942 Норберт Винер сформировал идеи кибернетики как науку и об управлении на идеях кибернетики Н.Винера МакКаллок и Питтс опубликовали формальное описание искусственных нейронных сетей (НС). В 1957 году Розенблатт изобрел персептон – элемент искусственной НС. В 1982 году Джон Конфилд показал что высокосвязная НС может быть описана как динамическая система, обладающая энергией.

Кибернетика, теория катастроф, теория хаоса и теория сложности имеют схожую цель по объяснению сущности сложных систем, состоящих из множества взаимодействующих элементов, в терминалах такого взаимодействия. Клеточные автоматы, нейронные сети, искусственный интеллект искусственная жизнь являются связанными областями системных исследований, но ни одна из них не описывает общие (универсальные) комплексные системы. Вместе с тем, каждая из них создавалась на идеях ОТС. Наша дисциплина ОТТС также базируется на принципах системного подхода.

Дополнительные возможности в системных исследованиях открыло создание компьютера. Когда в самом начале исследований по теории хаоса Э.Лоренц при помощи компьютера случайно обнаружил странный аттрактор, компьютер стал неотъемлемым инструментом для исследователей. Сегодня невозможно представить изучение сложных систем без использования компьютера.

Курт Левин был основателем организационной теории систем и ввел термин системная идеология, организационное поведение.

Упорядочение организации в системах обычно связывается с отрицательной энтропией через открытость и обратные связи в системах. Системный взгляд на организацию является междисциплинарным и интегральным. Это значит, что он более перспективен по сравнению с отдельными дисциплинами, интегрируя их вклады на единой основе, предлагаемой формальным аппаратом теории систем. Системный подход ориентируется не просто на элементы систем, а на их взаимодействие. Из этого вытекает динамическое взаимодействие, как новое свойство систем. В последние годы системное мышление было применено для обеспечения подходов для холистического изучения систем с целью дополнения традиционных редукционистских методов. Методы упорядоченности, явление частичной упорядоченности играют важную роль в организации связи.

Теория систем описывает общие закономерности, существующие во множестве взаимодействующих элементов независимо от их физической природы. При этом изучаются не сами свойства и явления систем, а их модели на абстрактном уровне. Вместе с тем, практика показывает, что чем уже предметная область, в которой применяется теория систем, тем более продуктивными оказываются ее закономерности. Поэтому мы ограничимся предметной областью, ограниченной рамками нашей отрасли – телекоммуникации.

Д.Нейманом было показано, что стремление получить точную исчерпывающую модель сложной системы проблематично из-за того, что сложность описания оказывается одного порядка сложности самой модели. Достаточно точные результаты по описанию состояния системы можно получить на основе вероятностных методов или с использованием нечеткой логики (Fuzzu Logir). Основоположником использования нечетких описаний сложных систем был Л.А.Заде, работающий в Калифорнийском университете.

За последние десятилетия широкую популярность приобрело новое междисциплинарное направление науки: синергетика, занимающееся изучением появления и развития упорядоченных во времени и (или) пространстве процессов или структур. Термин синергетика был предложен немецким физиком-теоретиком Германом Хакеном, изучавшим неравновесные явления в переходах нелинейных систем. Одним из ключевых понятий синергетики выступает динамический (детерминированный) хаос.

ОТС сложилась как раздел прикладной математики, занимающийся изучением свойств абстрактных моделей. То есть по научному статусу ОТС должна представлять собирательную общую теорию в виде синтетического набора абстрактных математических моделей построения и поведения реально существующих систем. Модель представляет собой редуцированное отображение объекта или реальной ситуации в аналитическом, графическом, вербальном или ином видах.

Значительный вклад в теорию моделей внесли У.Р.Эшби и Дж.Шенфилд. Таким образом теория моделей и кибернетика с теорией систем объединяются в общую науку. Дальнейшее развитие теория моделей находит в математической логике в теории автоматов, теории управления, теории машин Тьюринга и др. (см. рис.1.3).

М.Месарович, Я.Такахара (1978 г.) – авторы фундаментальной монографии «Общая теория систем». М.Месарович определил ОТС как теорию абстрактных моделей. Таким образом изучение свойств математических (формальных) или концептуальных (ситуационных) моделей тех или иных систем на основе их, с последующим переносом результатов на реальные системы, является одним из главных методов познания мира. В нашем курсе мы пытаемся осуществить перенос математических (формальных) моделей на процессы и свойства ТК-систем.