Когнитивное моделирование проблемных ситуаций

Методом, позволяющим не только структурировать факторы проблемной ситуации, но и моделировать ее развитие во времени (в том числе, разрабатывать сценарии) под влиянием данных факторов, является когнитивное моделирование. Этот метод в последние годы получает все большее распространение, прежде всего, для исследования сложных социально-экономических проблем.

На Западе когнитивные модели используют достаточно давно в разных направлениях исследований, начиная с такого направления, как когнитивная психология. В России основы когнитивной методологии для изучения социально-экономических систем были разработаны и активно развиваются в различных научных организациях, прежде всего, в Институте проблем управления РАН. Расширение сферы применения когнитивного подхода в настоящее время объясняется тем, что для задач, связанных со сложными системами, проблема неопределенности в описании и моделировании ситуации является внутренне присущей самому предмету исследований.

Социально – экономические явления обычно включают в себя много различных событий, тенденций, определяемых несколькими факторами, причем каждый в свою очередь влияет на некоторое количество других факторов. Образуются сети причинных отношений, т. е. причинность носит системный характер и требует адекватного отображения. Для анализа такого рода ситуаций и предназначено «когнитивное моделирование» (от лат. cognitio – знание, познание).

Когнитивный подход к исследованию слабоструктуризованных ситуаций был предложен Р. Аксельродом и Ф. Робертсом из-за ограниченности применимости точных моделей для построения моделей слабоструктуризованных систем и исследования ситуаций, возникающих при функционировании и развитии таких систем. Когнитивный подход ориентирован на то, чтобы активизировать интеллектуальные процессы субъекта и помочь ему зафиксировать свое представление сложной проблемной ситуации в виде некоторой модели. В качестве такой модели обычно используется так называемая «когнитивная карта» ситуации, которая представляет известные эксперту основные закономерности наблюдаемой ситуации в виде ориентированного знакового или взвешенного графа, в котором вершины – ключевые элементы ситуации (факторы, признаки, характеристики ситуации), а дуги между ними – причинно-следственные связи. Существенно, что параметры ключевых элементов и степени их взаимного влияния могут выражаться как точными количественными параметрами, так и нечеткими качественными соотношениями. Это особенно важно при моделировании ситуаций, которые включают социальные, политические и другие факторы, когда точные числовые характеристики недоступны. При этом используется аппарат нечеткого моделирования.

На рис. 6.5 приведена когнитивная карта из книги Ф. Робертса [30], иллюстрирующая сеть факторов, характеризующих ситуацию потребления электроэнергии в регионе.

Рис. 6.5. Когнитивная карта потребления электроэнергии в регионе.

По мнению автора, проблему потребления электроэнергии в регионе достаточно полно можно описать семью факторами F, J, P, Q, R, С, U. Дугами на рис. 6.5 отмечены существенные причинно-следственные отношения, влиянием остальных можно пренебречь. В когнитивной модели выделяют два типа причинно-следственных связей: положительные и отрицательные. При положительной связи увеличение значения фактора-причины приводит к увеличению значения фактора-следствия, а при отрицательной связи увеличение значения фактора-причины приводит к уменьшению значения фактора-следствия. Дуга (Q, P) имеет знак < + >, так как улучшение окружающей среды ведет к увеличению числа жителей, а ухудшение состояния окружающей среды вызывает отток населения. Дуга (U, Q) имеет знак <->, так как увеличение потребления энергии ухудшает состояние окружающей среды, а уменьшение потребления энергии благотворно сказывается на ее состоянии.

В когнитивных картах представляет интерес, прежде всего, анализ контуров[40]. Контуры в когнитивной карте соответствуют контурам обратной связи. ­­­­Контур, усиливающий отклонение, является контуром положительной обратной связи, а кон­тур, противодействующий отклонению, - контуром отрица­тельной обратной связи. Знак контура определяется произведением знаков входящих в него дуг. Это позволяет анализировать устойчивость ситуаций. Отрицательные контуры способствуют сохранению устойчивости, положительные - наоборот.

Рассмотрим взаимодействие факторов в контуре Р, U, Q, Р. Предположим, что численность населения региона возросла. Это приведет к увеличению потребления энергии и, следовательно, ухудшит состояние окружающей среды, что в свою очередь приведет к уменьшению числа жителей. Таким образом, влияние импульса в вершине Р будет компенсироваться действием контура Р, U, Q, P, и поведение системы стабилизируется. Три фактора Р, U, Q образуют контур, противодействующий отклонению. В контуре U, С, F все дуги со знаком <+>, т.е. увеличение (уменьшение) любой переменной в этом контуре будет усилено.

Анализ контуров обратной связи может дать полезную ин­формацию о поведении системы. Если в когнитивной карте большинство контуров усилива­ет отклонения, то незначительные возмущения могут быть по­степенно усилены и система станет неустойчивой. Анализируя когнитивные карты, исследователь может углубить понимание проблемы, улучшить качество и обоснованность принимаемых решений. В то же время, когнитивная карта отображает лишь факт наличия влияний факторов друг на друга. В ней не отражается ни детальный характер этих влияний, ни динамика изменения влияний в зависимости от изменения ситуации, ни временные изменения самих факторов. Учет всех этих обстоятельств требует перехода на следующий уровень структуризации информации, отображенной в когнитивной карте, т. е. к когнитивной модели.

Когнитивное моделирование основано на сценарном подходе. Сценарий может моделироваться по трем основным направлениям:

1. Прогноз развития ситуации без всякого воздействия на процессы в ситуации (ситуация развивается сама по себе);

2. Прогноз развития ситуации с выбранным комплексом мероприятий (управлений) (прямая задача);

3. Синтез комплекса мероприятий для достижения необходимого изменения состояния ситуации (обратная задача).

Этапы моделирования:

· определение начальных условий и тенденций, характеризующих развитие ситуации на данном этапе;

· задание целевых, желаемых направлений и силы изменения процессов в ситуации;

· выбор комплекса мероприятий (совокупности управляющих факторов), определение их возможной и желаемой силы и направленности воздействия на ситуацию;

· выбор комплекса возможных воздействий (мероприятий, факторов) на ситуацию, силу и направленность которых необходимо определить;

Выбор наблюдаемых факторов (индикаторов), характеризующих развитие ситуации, осуществляется в зависимости от целей анализа и желания пользователя.

Наиболее важной задачей в когнитивном моделировании является построение когнитивной карты. Распространены следующие методы построения когнитивных карт[41]:

- когнитивную карту строит сам ЛПР на основе своих знаний и представлений без привлечения экспертов и справочных материалов;

- построение когнитивных карт экспертами на основе изучения документов;

-построение когнитивной карты на основе опроса группы экспертов,имеющих возможность оценивать причинно-следственные связи;

- построение когнитивных карт, основанных на открытых выборочных опросах;

- сочетание названных методов.

Когнитивный метод позволяет проанализировать рассматриваемое явление (систему, ситуацию) в двух аспектах: с точки зрения ее структуры (статики) и с точки зрения ее динамики. Статический анализ – это анализ исследуемой ситуации посредством изучения структуры взаимовлияний факторов когнитивной карты. Такой анализ позволяет выделить факторы с наиболее сильным влиянием на целевые факторы, т.е. факторы, значения которых требуется изменить. Динамический анализ лежит в основе генерации возможных сценариев развития ситуации во времени.

Для когнитивного моделирования используют специальные программные продукты. Одним из них является ПП «КАНВА»[42]. Данная система помогает экспертам построить когнитивные карты ситуации, возможные сценарии развития ситуации, а также проанализировать «обратную» задачу – как из желаемой ситуации перейти к исходным параметрам. Примеры когнитивного моделирования социально-экономических ситуаций приведены в различных источниках, в том числе, в [9]. В приложении 3 приведен пример использования когнитивного метода для моделирования инновационного механизма развития организации.

Постановка задачи

Основная задача данного этапа процесса принятия решений (ППР) – систематизация условий, необходимых для разрешения проблемы, в том числе: определение целей, критериев и ограничений, определяющих выбор решений. Целью искомого решения является количественно (либо качественно) измеримый результат, обеспечивающий разрешение проблемы. Для решения сложных проблем возможно появление целого списка целей. В этой ситуации важно определить, какие из них являются основными, а какие могут рассматриваться как необходимые условия. Для первой группы, т. е. собственно для целей, должны быть определены критерии – показатели, позволяющие оценить (желательно количественно) степень достижения цели. Ограничения определяют множество допустимых альтернатив, а критерий используется для оценки эффекта получаемого решения.

Например, целью искомого решения является выбор наиболее эффективной стратегии развития предприятия. В качестве критериев для оценивания данной цели могут выступать: экономическая эффективность стратегии; надежность реализации в заданные сроки; социальная приемлемость и другие. Значения критериев могут быть получены на разных шкалах, как качественных, так и метрических. Конечно, более предпочтительны количественные оценки, но их получение не всегда возможно.

Этап постановки задачи позволяет перейти к синтезу решения - генерации и выбору альтернатив.