Аналитическое представление сложных искусственных динамических систем

 

Принятие решений в динамически сложной среде

Любая искусственная, техническая система (эргатическая система) управляется людьми. В них важно наличие «человеческого фактора», который может проявляться в виде ограниченных физиологических, мыслительных и динамических свойств человека, оказывающих зачастую негативное влияние на работу системы в целом [2].

Принятие решений представляет собой важнейшую функцию любого руководителя всех уровней. Лицо, принимающее решение (ЛПР) — это рациональный человек, который имеет ясную систему приоритетов и эффективно обрабатывает имеющуюся у него информацию, принимая оптимальные решения. Так ли это? Предполагается, что рациональное принятие решений основывается на наличие у ЛПР правильных представлений (известных также как интеллектуальные, «ментальные» модели) о таких сложных динамических процессах как, например, выращивание зерна или покупка сельскохозяйственной техники.

Однако, ЛПР принимает решения в условиях ограниченной рациональности —даже в случае умеренно сложной ситуации оно значительно упрощает картину мира, что способствует принятию далеко не самых оптимальных решений. Современная реальность такова, что ЛПР вынужден принимать решения, действуя в динамической среде, для которой характерно [1, 2]:

- необходимость принятия нескольких решений, каждое из которых должно рассматриваться как зависимое от остальных решений, а каждое последующее решение ограничено последствиями принятых ранее и в свою очередь накладывает ограничения на последующие решения;

- среда принятия решений динамична, изменяется как сама по себе, так и вследствие принимаемых решений;

- решения принимаются в реальном времени (т.е. непосредственно в процессе изменения среды принятия решений).

Принятие решений в динамической среде характерно для таких распространенных явлений, как, например, выбор маршрута при движении автомобиля, диспетчерский контроль за поставками электроэнергии, составлении и реализации графика уборки полей и закладки урожая на хранение и т.п.

Наиболее важным фактором принятия качественного решения является наличие у ЛПР эффективной интеллектуальной (ментальной) модели производственной ситуации и окружающей обстановки. Ментальные моделиЛПР представляют собой результат когнитивных процессов восприятия окружающего мира и особенностей мышления человека. В процессе выявления и решения управленческой проблемы ЛПР концептуализирует сложившуюся производственную ситуацию посредством своих ментальных моделей, а затем на этой основе делает выводы относительно состояния среды и принимает решения о необходимых корректирующих действиях для достижению поставленных целей. Когда ментальная модель ЛПР отличается от реальной, то решения, принимаемые на ее основе, неизбежно ошибочны.

Люди испытывают большие затруднения при взаимодействии с процессами, протекающими во времени. Как правило ЛПР не используют информацию о прошлом поведении системы, подчиняющейся определенным законам. Вместо этого для принятия решений они используют только легко доступную информацию о текущем состоянии системы и не стремятся разработать собственную интеллектуальную модель управленческой проблемы.

В процессе возрастания сложности ЛПР начинают принимать решения более упрощенной и хаотично. Основными причинами низкой эффективности принятия решений в динамичной управленческой среде являются:

1) упрощение производственной ситуации, недостаток и выборочное использование информации;

2) временные ограничения в процессе принятия решений;

3) недооценка и ошибочное восприятие эффектов обратной связи;

4) неопределенность и сложность окружающей среды.

Неизбежно возникающие в процессе принятия решений искажения и погрешности восприятия окружающей среды основываются также и на механизме упрощения восприятия реальности и выборочном использовании информации, присущем человеку. В ситуации необходимости принятия решения ЛПР зачастую использует стратегию упрощения реальности, что приводит к появлению систематических ошибок в оценке ситуации и при принятии управленческих решений.

Ограничения по времени в процессе принятия решений отрицательно сказываются на эффективности принятия решений: чем меньше времени остается на принятие решений, тем проще правила (эвристика), которыми руководствуются ЛПР при принятии решений.

Среди причин низкой эффективности принятия решений выделяют прежде всего недооценку роли эффектов обратной связи и/или ее некорректное восприятие. Сложность динамической среды принятия решений усугубляется характерными для нее нелинейными процессами и присутствием эффектов запаздывания во времени между причиной и следствием. Недооценка обратной связи и эффектов запаздывания приводит к искажению восприятия производственной ситуации и обусловливает выбор заведомо неэффективных мер управленческого воздействия.

ЛПР отличает невысокая эффективность в случае принятия решений с неопределенными переменными — решения, принятые в этих условиях, также не основываются на рациональности. Принятие решений в динамической среде осложняется также и тем, что принятое ранее ошибочное решение становится невозможно исправить в будущем даже при условии принятия идеальных по оптимальности решений: небольшая начальная ошибка стремительно уводит систему в неверном направлении.

Управление сложными и слабоорганизованными системами на основе обратной связи

В управлении техническими системами и инженерной практике широко известно понятие обратной связи- положительной и отрицательной и их комбинаций. Концепция обратной связи находит применение и в других научных направлениях, связанных с обработкой информации, в частности биологии, экономике, социологии и т.д. [1, 2]. Функция «на входе» на рисунке. 2.12 формирует восприятие, которое затем сравнивается с целью системы; в случае расхождения («ошибки») между целью и воспринимаемым состоянием системы функция «на выходе» предпринимает корректирующее действие по изменению переменной. Таким образом, подобный цикл повторяется до тех пор, пока система не придет в равновесие — т.е. пока значение изменяемой переменной не сравняется с целью системы. Сама переменная также может изменяться вследствие внешнего воздействия.

Важен такой фактор, как «открытость» системы, благодаря которой она активно взаимодействует с внешней средой и сохраняет относительную устойчивость. Такие системы также имеют названия «адаптивных», поскольку они не только реагируют на окружающую среду, но и могут активно воздействовать на него благодаря механизму прямой и обратной передачи информации — обратной связи. Корректирующая обратная связь (известная также как «балансирующая», «отрицательная») позволяет управлять поведением объекта.

В применении к живым организмам схема обратной связи выступает в форме гомеостаза. Классическим примером действия такого рода механизма является способность теплокровных живых организмов сохранять теплоту тела посредством непрерывного отслеживания температуры (тепловых потоков) окружающей среды и активировать механизмы, ответственные в них за сохранение или выделение тепла, в зависимости от разницы между желательной и воспринимаемой температурами тела.

Контр-интуитивное поведение систем

Контр-интуитивное поведение стистемы- это ее поведение, не оправдывающее ожиданий ЛПР, ее недостижение цели, уклонение от цели вопреки логике, интуиции и опыта. Фактически любое контр-интуитивное поведение системы есть следствие неграмотного или неумелого вмешательства в систему. Главной причиной такого рода эффектов являются особенности мировосприятия ЛПР — тенденция интерпретировать реальность в жестких причинно-следственных связях. Такого рода событийный подход приводит к фрагментарному восприятию постоянно усложняющегося мира —делается оценка реальной ситуации, полученные данные экстраполируют на поставленные системе цели, а затем принимается решение по корректировке, которое, по замыслу ЛПР, должно привести к определенному ожидаемому результату.

 

Рисунок 2.12- Принцип действия обратной связи в системе

 

 

Как правило при принятии решения мы мыслим в категориях причина—следствие: всякий эффект имеет причину, которая, в свою очередь, имеет причину и т.д. Например, рассуждение может строиться примерно по следующей схеме: запасы зерна на складе выросли, потому что темп отгрузки потребителям снизился. Темп отгрузки сгизился, потому что нет вагонов. Вагонов нет, потому что управление железнеой дороги отправило вагоны в соседний район… и т.п.

Сопротивление и сбои — то есть «контр-интуитивное» поведение системы, возникают вследствие нашего недопонимания механизма обратной связи в системе. Действия ЛПР по возвращению системы в исходное положение не только часто оказываются безрезультатными, но и запускают механизм так называемых побочных эффектов, которые становятся следствием нашего слишком узкого и ограниченного понимания сложных систем. Поскольку причина и следствие далеко не всегда явно видны и не всегда четко взаимосвязаны во времени, в сложных системах подобные связи часто остаются незаметными в течении длительного времени [2]. Линейная парадигма мышления ограничивает ЛПР наиболее простыми и поверхностными решениями. Наиболее сильно наше мышление ограничивают следующие допущения:

- результат следует из конкретной причины (рост урожайности зерна ведет к росту доходов);

- корреляция между причиной и следствием велика, без запаздывания (т.е. реакция идет сразу) и достаточно продолжительна (что позволяет нам безошибочно установить причину и следствие);

- будущее поведение процесса легко прогнозируемо;

- любой рост в желаемом направлении — это положительная тенденция в управлении системой;

- стремление учитывать только те факторы, которые известны, измерены, откладывание на потом идентификации других важных факторов.

Для успешного управления сложной системой необходимо прежде всего понять механизм ее функционирования, а затем определить точки воздействия управленческого действия на систему с соответствующими мерами по корректировке ее поведения. Для лучшего понимания механизма функционирования сложной системы возможно применение ее анализа на основе теории обратной связи.

Динамика поведения сложных систем описывается взаимодействием «положительных» и «отрицательных» контуров обратной связи. Положительные контуры обратной связи стремятся усиливать, увеличивать эффект происходящего и тем самым дестабилизируют систему, выводя ее из равновесия. Положительная обратная связь ведет к экспоненциальному росту результата. Напротив, отрицательный контур обратной связи стремится вернуть систему в равновесие, снизить отклонение от равновесия [2].

Принимаемые решения основываются на ментальных моделях: чем опытнее специалист, тем более качественные ментальные модели, описывающие сложные системы, лежат в основе принятия им решений.

Выделяют три основных подхода в построении модели управления — рациональный, эволюционный и процессный.

В основе рационального подхода лежит допущение о том, что существует единственная оптимальная стратегия и роль ЛПР заключается в том, чтобы разработать стратегию, в наибольшей степени близкую к оптимальной, путем выбора из нескольких альтернатив той, которая максимально полезна. Положения, на которых базируется рациональный подход:

- предсказуемость, отсутствие значимого вмешательства из вне;

- наличие четко определенных целей;

- реализация стратегии после ее формулирования;

- полное понимание процессов как внутри организации, так и вовне;

- контроль выполнения процессов внутри организации;

- ожидание рационального поведения от себя, своих подчиненных и руководителей.

На практике это не всегда выполняется- системы время от времени сталкиваются с ситуациями, когда период сравнительной стабильности и предсказуемой сменяется резкой динамичностью и нестабильностью. Перемены могут быть настолько быстрыми и непредсказуемыми (например, при появлении радикально новой технологии производства и комплекса машин, как это случилось в сельском хозяйстве при появлении одноростковых семян сахарной свеклы), что весь предыдущий опыт организации оказывается бесполезным и малоприменимым к новым реалиям.

В эволюционном направлении предполагается сложная природа предприятия, которая в значительной степени лежит за пределами рационального восприятия. Стратегия деятельности проедприятия является не целеполагающей, а скорее «избегающей проблем», направленной на действия, которые позволяют избегать отрицательных последствий, трудностей, ограничений, ущерба. Принятие решений в этом случае представляет собой сложный процесс взаимных уступок и переговоров перед тем, как будет предпринято какое-либо конкретное действие: единой согласованной стратегии не существует.

В ситуациях, когда одновременно действует множество независимых агентов, поведение всей системы становится труднопредсказуемым и вероятностно-производным. Стратегия эволюционного направления представляет собой следование направлению эволюционирования окружающей среды: выигрышная стратегия может быть осознана только в ретроспективе и представляет собой наиболее подходящий набор действий, позволяющий добиться наибольшего соответствия изменяющимся реалиям окружающей среды- это постоянное экспериментирование и последовательное отсечении всего того, что не приносит желаемого результата.

Процессный подход занимает промежуточную позицию между рациональным и эволюционным направлениями. Сторонники процессного подхода уделяют основное внимание процессам, происходящим в организации. В основу берутся два положения:

- большинство организационных ситуаций слишком сложны, чтобы анализировать их в деталях- на это нет ни соответствующих моделей (просто нет математического аппарата для описания производства), ни времени, ни специалистов;

- не существует единственно правильной стратегии в быстро изменяющейся окружающей среде;

- не так важна правильность текущей стратегии — гораздо важнее запустить цикл постоянного обучения, основанного на восприятии, осмыслении и действии, эффективна та стратегия, которая позволяет организации задействовать петлю обучения.

Петля обучения представляет собой простейший пример действия механизма обратной связи, рисунок. 2.13. Это модель обучения на основе односторонней петли обратной связи [1]. Интерпретация информации о проблеме проходит через социо-культурный и индивидуальный специфический фильтр —индивидуальные «интеллектуальные» (ментальные) модели ЛПР. Важен факт постоянства и непрерывности процесса обучения.

Схема обучения на основе анализа обратной связи с учетом ментальных моделей представлена на рисунке 2.14. Ментальная модель представляет собой восприятие ЛПР системы взаимосвязей между причинами и следствием, описывающих поведение определенной системы. До тех пор, пока ментальные модели восприятия действительности у ЛПР статичны и неизменны, процесс обучения не меняет представлений о картине окружающей среды, поскольку каждый ЛПР воспринимает окружающий мир через призму собственного мировоззрения, опосредованного традициями, привычками и прочими особенностями.

 

Рисунок 2.13- Модель односторонней петли обучения

 

При обучении на основе двойной петли обратной связи, рисунок 2.14, информация о реальном окружающей среде не только влияет на принимаемые решения, но и способна изменять интеллектуальные модели ЛПР. Как только меняются ментальные модели, изменяются также и правила принятия решений, т.е. то, как ЛПР мыслит. Это позволяет создавать новые модели принятия решений, использовать новые стратегии и подходы к сложным проблемам. Таким образом, изменив структуру принятия решения, ЛПР корректирует собственное поведение.

 

Рисунок 2.14- Схема процесса обучения на основе анализа обратной связи с учетом ментальных моделей

 

 

Процессный подход позволяет взглянуть на предприятие как на сложную адаптивную систему. Будучи открытой системой, организация взаимодействует с внешним окружением, приспосабливаясь к изменениям окружающей среды и одновременно изменяя ее. Процессный подход подчеркивает ключевую роль способности системы к самообучению для эффективной адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.

Основы системной динамики

 

В настоящее время системная динамика представляет собой одно из направлений имитационного моделирования, к которому относятся также дискретно-событийное и агентное моделирование.

Понятие «системности» определяет окружающую среду как совокупность сложных систем с нелинейным поведением и зачастую неочевидной динамикой взаимодействия [2].

«Динамика» позволяет анализировать интересующие нас системы не в статике, а в развитии —отслеживая поведение системы во времени, ее изменение под действием тех или иных параметров, в том числе и тех, которые сложно измерить количественно и просчитать математически. Именно динамическая компонента делает метод системной динамики привлекательным инструментом для прогнозирования будущих событий в сложной и неопределенной среде. В системной динамике появляется возможность учитывать нелинейность поведения систем и обратную связь.

Согласно системной динамике, в системе множество переменных взаимодействуют друг с другом посредством петель обратной связи, которые в свою очередь могут взаимодействовать и между собой. Внутри системы определяются все петли положительной и отрицательной обратной связи. В системе также определяются «точки приложения», в которых можно вмешаться в процессы и изменить поведение системы.

Методология системной динамики включает качественную и количественную стадии.

На качественной стадии исследователь описывает модель и определяет характеристики взаимодействий. На количественной стадии, в ходе компьютерного эксперимента, исследователь определяет, насколько верна его модель, и тестирует свои гипотезы о поведении системы.

Динамика поведения сложных систем в принципе описывается взаимодействием всего двух типов обратной связи — положительных и отрицательных. Причинно-следственные диаграммы состоят из переменных и связей между ними с определенной полярностью (положительной или отрицательной). Связи между переменными изображаются стрелками. Например, производительность водяногог насоса зависит от нескольких переменных, как представлено на рисунке 2.15. Причинно-следственная диаграмма предусматривает наличие полярных связей (положительной или отрицательной) между переменными. Правило определения полярности связей следующее:

- положительная обратная связь (положительный контур) увеличивает переменную;

- отрицательная обратная связь (отрицательный контур) уменьшает переменную.

Рисунок 2.15- Причинно-следственная диаграмма производительности водяного насоса

 

Применяя правило расстановки полярности, получается следующая структура системы: чем больше цена насоса, тем больше производительность (+); чем больше глубина скважины, тем ниже производительность (-); чем выше мощность электродвигателя, тем выше производительность (+); чем выше длительность пользования водой в сутки, тем ниже производительность (–), чем больше количество пользователей- тем выше производительность (+).

При создании причинно-следственных диаграмм исходят из количества отрицательных связей в петле. Положительный контур обратной связи представляется как контур, имеющий четное число отрицательных причинно-следственных связей, а отрицательный контур — как контур с нечетным числом отрицательных причинно-следственных связей.

Если отклик контура обратной связи на переменное изменение выступает против первоначального возмущения, то контур является отрицательным, или целенаправленным.

Отрицательный контуробратной связи обозначается там, где изменение одного элемента (контура обратной связи) распространяется по кругу, пока не вернется, чтобы изменить тот же элемент в направлении, противоположном начальному изменению. Такой контур еще называется балансирующим — балансирующие петли стремятся вернуть систему в равновесное состояние, сдерживая ее рост. Это аналогично работе усилителя с отрицательной обратной связью в электронике. Балансирующая система ориентирована на достижение определенной цели. Примеры отображения поведения системы с балансирующими петлями обратной связи представлены на рисунке 2.16 для системы полива овощного поля. Совокупность положительных (самовоспроизводящихся) и негативных (балансирующих) петель обратной связи определяет поведение системы в целом.

По существу, на рисунке 2.16 приведена ментальная модель выбора производительности водяного насоса для подачи воды на овощное поле. Интуитивно предполагается, что между выбором насоса и получаемой прибылью после реализации овощей существует связь. Рассмотрим несколько контуров обратной связи между производительностью насоса и прибылью.

Контур 1- положительный (два -): Производительность насоса(+) - Урожай овощей(-) - Цена овощей (+)- Прибыль (-) - Техническое совершенство насоса (-) - Мощность эл.двигателя- Производительность насоса.

Контур долговременный, время его действия, запаздывания, зависит от времени технического совершениствования насосов, которое может составлять несколько лет. Увеличение производительности насоса, вызванное, например, необходимостью повышения урожая овощей, привет через несколько лет к еще большему увеличению производительности за счет того, что рост урожая приведет к снижению цены (-) и к необходимости в этом контуре технического совершенствования, которое приведет к повышению необходимой мощности.

 

 

Рисунок 2.16- Причинно-следственная диаграмма с положительными и отрицательнми обратными связями при поливе овощного поля

 

 

Контур 2- отрицательный (один -): Производительность насоса(+) - Урожай овощей(-) - Цена овощей (+)- Прибыль (+) – Площадь поля (+) - Производительность насоса. Контур долговременный, время его действия, запаздывания, зависит от ввода или сокращения площадей, которое может составлять не менее года. Увеличение производительности насоса, вызванное, например, необходимостью повышения урожая овощей, привет через несколько лет к снижению производительности насоса за счет того, что рост урожая приведет к снижению цены (-) и к необходимости в этом контуре снижению площадей, которое приведет к снижению необходимой мощности.

В приведенном примере существуют еще несколько положительных и отрицательных контуров более низкого порядка. Например, положительный: Техническое совершенситвование насоса- Мощность эл.двигателя- Цена насоса, и отрицательный: Техническое совершенситвование насоса- Цена насоса- Прибыль.

Все контура, естественно, взаимодействуют и влияют друг на друга, что и обуславливает непредсказуемость поведения системы, ее сложность и невозможность математического описания аналитическими методами. В этом примере мы отметили обратные связи с запаздыванием, когда обратная связь начинает действовать через некоторое время, и эффект от какого-то действия, например, увеличения цены насоса, скажется через несколько лет.

В этом случая в системе возникают колебания с периодом для сельскохозйственного предприятия более года. Эффект запаздывания является источником формирования колебаний в сложных системах, таких как, например, рынки сырьевых товаров, урожайность плодов, промышленное производство определенных групп товаров. Колебания возникают, если текущее состояние системы (прибыль предприятия) сравнивается с целью- желаемой прибылью, после чего осуществляется определенное корректирующее управленческое воздействие, например, увеличиваются площади под овощами. Однако вследствие эффектов запаздывания корректирующее воздействие может быть избыточным, слишком большие площади заняли под культуру, что приведет к значительному повышению затрат и урожайности, снижению прибыли. После этого предпринимается слишком сильное обратное корректирующее воздействие- снижение площади. Затем со временем снова происходит рост — т.е. система из одной крайности впадает в другую. Во временном анализе это можно представить как колебания с одинаковоцй, а чаще – с разной амплитудой. Эффект запаздывания вынуждает применять корректирующие действия даже после того, как цель достигнута, вынуждая систему чрезмерно приспосабливаться, тем самым вызывая новую коррекцию в обратном направлении, рисунок 2.17.

 

Рисунок 2.17- Колебательная система

 

Карты восприятия, созданные на основе причинно-следственных диаграмм, помогают сфокусировать внимание на глубинных причинах проблем в организации, выявить критические точки (рычаги), на которые следует воздействовать для достижения поставленных целей, оценить возможные последствия и риски внедрения той или иной стратегии, наглядно представить и объяснить сложную структуру взаимозависимостей и взаимодействия между организацией и ее контрагентами.

 

Контрольные вопросы к главе 2

 

1. Что называется и какие Вы знаете типовые входные воздействия? Для чего они нужны?

2. Дайте определение временной характеристики?

3. Что называется интегрирующим звеном?

4. Назовите вид переходной характеристики апериодического звена.

5. Назовите уравнение динамики колебательного звена.

6. Назовите вид переходной характеристики колебательного звена.

7. Назовите уравнение динамики дифференцирующего звена.

8. Дайте определение причинно-следственной диаграммы.

9. Поясните сущность ментально модели принятия решения.

10. Поясните действие положительной обратной связи при принятии решения.

11. Поясните действие отрицательной обратной связи при принятии решения.

12. В чем разница действия обратных связей в технических и организационных системах?

 

 

Источники информации к главе 2.

 

1. Введение в теорию организационных систем: Учеб. пособие /Н.Д.Дроздов; Твер. гос. ун-т. Тверь, 2001. 172 с.

2. Каталевский Д.Ю. Основы имитационного моделирования и системного анализа в управлении: Учебное пособие. — М.: Издательство Московского университета, 2011. — 304 с., ил.

3. Основы автоматики: Учебное пособие для вузов / А.С. Гордеев. – Мичуринск.: МичГАУ, 2006. – 220 с.

 

Электронные и интернет ресурсы

5. Электронный ресурс: Казиев В.М. Введение в системный анализ и моделирование. http://nashaucheba ru v4611.