Анализ сложных систем

Э. Квейд

Э. Квейд. Анализ сложных систем. // под ред. И.И. Андреева, И.М. Верещагина. – М., Советское радио, 1969, 520 с.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

Непрерывно возрастающие темпы гонки вооружений - характерный показатель агрессивности американского империализма. За последние десять лет в США затраты только на военные исследования выросли в шесть раз.

В связи с ростом расходов на строительство вооруженных сил министерство обороны США уделяет большое внимание совершенствованию планирования и управления созданием вооружения. Недостатки в планировании разработок систем оружия объясняются, как считают американские специалисты, прежде всего тем, что отсутствовала научно обоснованная теория планирования развития вооруженных сил США. В результате работ коллектива ученых «Рэнд-Корпорейшен» и других научных организаций по указанию Пентагона была создана основа теории военного планирования, оформляющаяся сейчас в самостоятельную научную дисциплину - анализ систем.

В развитии анализа систем принимают участие помимо военных специалисты различных профилей: математики, экономисты, психологи, специалисты по организации и управлению, инженеры и др. Работы ведутся в различных научных учреждениях, однако особую роль играет корпорация РЭНД.

Как подчеркивают американские специалисты, для военного планирования характерны большая неопределенность при оценке основных факторов, обусловливающих выбор направления строительства вооруженных сил; здесь имеют значение темпы экономического и политического развития различных стран, соотношение сил на мировой арене, возможности научно-технического прогресса, развитие вооруженных сил вероятного противника и изменение их задач с течением времени, внутриполитическая ситуация, степень морально-политического единства и другие факторы. Рассчитывать на то, что все эти факторы могут быть определены с желаемой точностью, невозможно.

Научные методы призваны уменьшить вероятность грубых просчетов в планировании, однако полностью исключить неопределенность они не могут.

В работах американских специалистов подчеркивается, что в планировании по-прежнему решающую роль играет человек-руководитель, который принимает решение в пределах своих полномочий и несет ответственность за последствия. Роль ученых и специалистов в подготовке решения заключается в том, что они должны предоставить в распоряжение руководителя рекомендации, полученные в результате анализа проблемы, на основе которых можно принять решение. В этой связи американские ученые, разрабатывающие теоретические основы военного планирования, подчеркивают, что руководитель не должен дать себя ослепить блеском математического аппарата, использованного при подготовке вариантов решений, а обязан критически рассмотреть исходные данные и предположения, принимать решения не только в соответствии с предлагаемыми рекомендациями, полученными расчетным путем, но и в соответствии со здравым смыслом и логикой суждений.

Научные методы подготовки решений должны удовлетворять следующим общим требованиям:

- результаты, достигнутые при анализе проблемы, может воспроизвести другой ученый и при этом получить те же данные;

- все вычисления, допущения, оценки и исходные данные должны быть выполнены достаточно ясно и доступны для их проверки и критики;

- выводы не должны зависеть от личностей, репутации или частных интересов.

Основной задачей военного планирования, при решении которой американские специалисты стремятся использовать различные научные методы, считается задача выбора вариантов распределения материальных ресурсов, обеспечивающих максимальную эффективность систем вооружения. В связи с этим общая задача планирования исследований и разработок систем вооружения может быть разделена, в порядке последовательности решения, на три группы задач.

Первая группа - определение основных направлений науки и техники, в наибольшей степени способствующих созданию перспективных систем вооружения. Решение задач этой группы возможно путем прогнозирования научно-технического потенциала, оценки относительной важности отдельных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Вторая группа - выбор оптимального направления развития вооруженных сил, определение их структуры. Решение этой группы задач подразумевает необходимость прогнозирования военно-политической и экономической обстановки с учетом развития вероятного противника.

Третья группа - оптимизация характеристик выбранного варианта системы оружия (и ее элементов) по эффективности и полной стоимости. Решение задач этой группы предполагает выбор боевых характеристик системы оружия, обеспечивающих максимальную эффективность в предполагаемых условиях боевых действий при минимальной стоимости производства и эксплуатации.

При решении задач первой группы в США широкое развитие получили методы, основанные на систематическом использовании суждений экспертов (метод «сценариев», методика «Паттерн», проект «Форкаст» и др.).

Методика «Паттерн» является одной из первых попыток общегосударственного планирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Мы остановимся на ней несколько подробнее потому, что она уже применяется в США для планирования начальных этапов научно-технических исследований в интересах министерства обороны.

Разработчики методики «Паттерн» считали, что, только ясно представляя себе цели правительств различных государств, их экономические возможности и политическую обстановку в мире на ближайшие годы, можно оценить преимущественные направления развития науки и техники. Методику можно разделить на три этапа.

На первом этапе составляется «сценарий», в котором кратко описаны вероятная картина мира на период прогнозирования и определены политические цели государств. В сценарии, где отражены политические, экономические и военные цели США, указаны коэффициенты относительной важности основных видов мероприятий (активные боевые действия, небоевые действия, научные исследования), направленных на поддержку основных задач государства (выживаемость страны, демонстрация авторитета, общественное мнение). Сумма коэффициентов относительной важности, как для задач государства, так и для видов деятельности, необходимых для обеспечения этих задач, равна единице. Затем определяют общий коэффициент относительной важности как сумму произведений коэффициента каждой из главных задач на коэффициент одного из основных видов деятельности. Эта работа производится группой экспертов, и их общее заключение отрабатывается в итоге трех туров опроса. Опыт подобных опросов показал, что результирующие оценки экспертов распределяются около близких средних значений.

На втором этапе на основе сценария строится «дерево целей». Оно состоит из ряда уровней, начиная от обязанностей правительства и кончая отдельными техническими проблемами. На каждом из уровней определены задачи и виды действий. Верхний уровень «дерева целей» характеризует три упомянутых выше вида деятельности государства, направленных на обеспечение безопасности. На следующем уровне - восемь основных областей действий (стратегические, тактические и др.) и наук (о Земле и космосе), в развитии которых заинтересовано министерство обороны США. Эти области на следующем уровне связаны зонами деятельности военных министерств и их подразделений, в развитие которых вносят вклад 161 новая научная концепция и система вооружения.

Они, в свою очередь, связаны. 425 функциональными подсистемами, которые определены как перспективные для разработки. Далее показано 850 возможных их конструктивных исполнений, содержащих 1987 технических проблем, требующих своего разрешения, прежде чем появится возможность решать задачи более высоких уровней. Элементам всех уровней соответствующие эксперты присваивают коэффициенты относительной важности. Третий этап методики «Паттерн» - информация о взаимной полезности различных направлений работ, выполненная в виде коэффициентов взаимной полезности. Эти коэффициенты представляют собой меру, характеризующую, в какой степени разрешение проблемы в одной области может способствовать снижению расходов сил и средств на разрешение аналогичной или близкой технической проблемы, входящей в другую систему вооружения.

Для более детального планирования направлений развития науки и техники и для планирования развития вооруженных сил сохраняют свое значение специальные научно-исследовательские работы по выбору направлений развития вооружения и военной техники, которые проводит каждое из военных министерств США.

Вторая группа задач (выбора оптимального направления развития вооруженных сил) решается главным образом методами военно-экономического анализа, обобщенными в новой научной дисциплине - анализе систем.

Прежде чем переходить к анализу систем, остановимся на краткой характеристике смежных с ним научных дисциплин, получивших в последнее время применение и часто упоминающихся в настоящей книге: науке об управлении, исследовании операций, системотехнике.

Наукой об управлении является кибернетика. Она изучает наиболее общие законы управления в системах любой природы и любой сложности. Объектом исследования в этой науке также являются системы, но только системы управления.

Под системой управления в кибернетике понимается взаимосвязанная совокупность элементов, предназначенных для целенаправленного воздействия управляющего органа на управляемый объект (для выполнения функции управления).

Системы управления могут иметь большое качественное различие (биологические, технические, военные, общественные системы управления), однако у всех систем есть много общего по форме. Общим для всех систем управления является структура, основные элементы (управляющий орган, управляемый объект, прямая связь, обратная связь) и информация, подлежащая переработке. Кибернетика с единых позиций изучает закономерности в функционировании систем управления различной природы.

Бурное развитие кибернетики в значительной степени обусловлено успехами в области электронных вычислительных машин. В настоящее время кибернетику обычно делят на три составные части: теорию информации, теорию алгоритмов и теорию управляющих систем.

Теория информации изучает способы передачи, переработки, хранения и выдачи информации. Она стала широко использовать математические методы после того, как было введено понятие количества информации.

Теория алгоритмов занимается изучением способов формализации процессов управления. Формализация процесса управления (или отдельной задачи) включает следующие этапы: описание процесса, разработку алгоритма и составление программы.

Описание процесса представляет последовательное изложение тех действий, которые должны выполняться при реализации данного процесса управления.

Алгоритм есть строгая последовательность простейших операций и логических условий, выполнение которых приводит к реализации процесса (решению задачи). Программа представляет систему команд, реализующих алгоритм на данной электронной вычислительной машине. Таким образом, формализация процессов управления направлена на математическое обеспечение электронных вычислительных машин и в целом автоматизированных систем управления.

В теории алгоритмов самое широкое применение получают математические методы: классические методы математического анализа, теория вероятностей, теория массового обслуживания, математическое программирование, алгебра логики и др.

Теория управляющих систем занимается анализом и синтезом управляющих систем. Таким образом, кибернетика в целом занимается анализом и синтезом систем управления. Однако системы управления представляют только часть больших систем, имеющихся в технике, природе и обществе.

Исследование операций - наука, занимающаяся выработкой количественных рекомендаций, необходимых при планировании и организации операций. Под операцией в смысле этой пауки понимается любое целенаправленное действие человека, группы людей и систем человек - машина.

Из этого определения следует, что предметом изучения в этой науке являются операции, которые по своему содержанию имеют огромный диапазон - от простейшего действия до сложных систем. Основными методами теории исследования, операций являются математически методы, причем весьма часто они реализуются на электронных вычислительных машинах. Очень широкое применение в исследовании операций получают методы математического моделирования с реализацией как аналитических, так и статистических моделей.

В военном деле можно отметить следующие области применения исследования операций:

1. оценка эффективности отдельных комплексов вооружения и образцов военной техники;

1. оценка эффективности систем вооружения и военной техники;

3) определение боевых возможностей войск;

4) нахождение оптимальных вариантов боевых действий.

В настоящее время уже достигнуты значительные успехи при решении задач, относящихся к первым двум областям.

Трудно решаются задачи, связанные с третьей и особенно с четвертой областью.

Системотехника, или в советской литературе теория больших систем, является молодой наукой, изучающей методы синтеза больших систем на основе изучения способов функционирования отдельных ее элементов. Теория больших систем является пока больше наукой технической, результаты которой используются при проектировании систем любой природы.

Следует отметить исключительно важное значение в современных условиях этой теории. Наше время характерно, прежде всего, наличием большого количества сложных систем в технике, экономике, в военном деле и т.д. Особенностью сложных систем являются информационные процессы, реализуемые в элементах системы и направленные на обеспечение оптимального управления. В связи с разработкой больших систем возникает много важных проблем, одна из которых заключается в том, чтобы построить большую систему по заданным ее функциям. По нашему мнению, теория больших систем является чрезвычайно перспективной, развитие которой позволит более успешно решать практические вопросы в области управления.

Рассмотренные молодые науки - кибернетика, исследование операций и теория больших систем имеют бесспорное право на самостоятельное существование, хотя у них есть смежные области, иногда достаточно спорные.

Возникает вопрос, есть ли необходимость в самостоятельном существовании и развитии еще одной науки, занимающейся вопросами изучения систем анализа систем, которой посвящена данная книга. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо кратко рассмотреть предмет, содержание и методы анализа систем. Заметим заранее, что хотя почти каждая глава книги начинается с определения анализа систем, тем не менее, четкого толкования предмета и содержания этой науки дать еще не удалось. Это в значительной степени объясняется молодостью нового научного направления. Анализ систем - логико-аналитический метод, применяемый для перспективного планирования при создании сложных систем и проведении крупных мероприятий в условиях неопределенности.

Анализ систем возник как развитие методологии исследования операций. Основное отличие анализа систем от исследования операций заключается в предмете исследования и методах.

Предмет исследования анализа систем - сложные ситуации и системы, для которых необходимо, прежде всего, определить задачи и направление действий.

Предмет теории исследования операций - некоторое целенаправленное действие, причем определение задачи и действий не входит непосредственно в исследование операций, поскольку они являются, в сущности, ограничениями, накладываемыми на параметры операции. Применительно к военным проблемам, рассматриваемым в настоящей книге, все задачи анализа систем можно разбить на три вида:

1. задачи, связанные с созданием основ общей структуры вооруженных сил. При решении этих задач американские специалисты исходят из военной доктрины государства, стратегии, задач вооруженных сил, состояния экономики, науки и техники, с учетом всех возможностей противника;

1. задачи, связанные с формированием требований, которым должны удовлетворять системы оружия, чтобы быть эффективными для решения задач видов вооруженных сил. По существу это является развитием первого вида задач анализа систем в более детализированном виде;

2. задачи, решение которых направлено на эффективное использование средств, выделяемых на разработку систем вооружения.

Методы анализа систем близки к методам исследования операций, однако имеются и характерные отличия.

Основное различие в методах обеих дисциплин заключается в том, что в исследовании операций наибольший объем занимают математические методы, тогда как в анализе систем они являются подспорьем логическим методам. Исключительно важное значение в анализе систем придается методам экономической оценки, учета противодействия противника и неопределенностей.

Анализ систем обычно идет в следующей последовательности:

- постановка задачи;

- выбор альтернативных путей решения задачи;

- исследование ресурсов, расходуемых на решение задачи;

- составление модели;

- выбор критериев оценки;

- сравнение альтернатив и принятие решения.

Постановка задачи является самым важным элементом анализа систем и включает формулировку существа проблемы, границы исследования, исходные данные и выявление целей.

Выбор альтернативных путей решения задач заключается в перечислении тех альтернатив (средств), которые по предварительным соображениям могут быть использованы для решения поставленной задачи. В процессе исследования происходит отсев некоторых альтернатив и включение новых.

Исследование ресурсов, расходуемых на решение задачи, представляет важный этап экономических исследований, на котором определяются материальные ресурсы, а также их стоимостные выражения, необходимые для решения задачи. Обычно выбор систем оружия производится по минимуму стоимости при заданной эффективности.

Составление модели - этап исследования, на котором разрабатывается некоторый аналог реального процесса путем учета наиболее существенных факторов математическими зависимостями (аналитические модели), с помощью электронной вычислительной машины (машинные модели) или с помощью специальной «игры» (игровые модели).

Моделирование в анализе систем будет занимать все большее место, особенно в связи с развитием методов математического моделирования и электронных вычислительных машин.

Выбор критериев оценки является исключительно ответственным этапом анализа систем и заключается в указании такой величины (системы величин), по численному значению которой можно судить об успешности решения задачи. Как подчеркивается в данной книге, выбор критериев всегда труден. Эти трудности усугубляются тем обстоятельством, что военное планирование идет на самых различных уровнях руководства, и цели действий на одном уровне могут быть только средством для реализации целей другого, более высокого уровня. Для удовлетворительного действия методов анализа систем считается важным, чтобы критерии, принимаемые на каждом уровне руководства, были увязаны в единую логическую систему.

Разработку единой системы критериев для принятия решений на всех уровнях руководства министерства обороны США следует считать одним из важных результатов внедрения анализа систем в практику руководства строительством вооруженных сил США.

Важнейшим критерием на высшем уровне (на уровне руководства министерства обороны) является критерий, выражающий соотношение стоимости и. эффективности системы.

Сравнение альтернатив и принятие решения - последний этап анализа, на котором сравниваются средства решения поставленной задачи по выбранному критерию. Кроме количественной оценки различных альтернатив могут быть приведены и логические суждения, указывающие на предпочтительность той или иной альтернативы по сравнению с другими.

Анализ систем еще очень молодая наука, существующая всего около десяти лет. Методы анализа систем еще весьма несовершенны и не четко очерчены, а, следовательно, не всегда могут дать удовлетворительные рекомендации для принятия решения. В настоящее время в анализе систем еще очень значительное место занимают интуиция и субъективные суждения исследователей.

Анализ систем может найти применение не только в военном деле, в области перспективного планирования систем оружия, военной техники, но и в технике, экономике.

Дальнейшее развитие количественных методов, умелое их сочетание с эмпирическими и логическими методами, развитие методов эвристического программирования и математического моделирования позволит анализу систем стать важной самостоятельной наукой.

Предлагаемая советскому читателю книга «Анализ сложных систем» представляет обработанный курс лекций, прочитанных для группы офицеров вооруженных сил и гражданских лиц, занимающихся военными проблемами, специалистами фирмы «Рэнд-Корпорейшен». Как известно, РЭНД является организацией, основу деятельности которой составляет научное исследование и изучение проблем, связанных с подготовкой США и их вооруженных сил к ведению войны. Этот «мозговой трест» США, вербующий ученых различных специальностей, занимается изучением большого круга вопросов, решение которых направлено на удовлетворение агрессивных намерений политических и военных руководителей США.

Заранее заметим, что книга написана в духе «холодной» войны. Во многих местах ее говорится об «агрессии Советского Союза», о «коммунистической угрозе», о необходимости со стороны США проведения стратегии «массированного возмездия», стратегии «устрашения» и т.д. Приводится много примеров, связанных с расчетами на поражение объектов Советского Союза, с необходимостью нанесения упреждающего ядерного удара и ряд других примеров, указывающих на подлинно агрессивную сущность американского империализма. По этой причине сокращены гл. 3 и 10, так как опущенные нами разделы совершенно не носят научного характера, а написаны с позиций американского империализма, носят явно авантюристический характер в духе ненависти к Советскому Союзу. Кроме опущенных разделов, в книге встречаются места, написанные в духе «холодной» войны. Читатель, критически относящийся к тексту, легко отсеет подобные вздорные утверждения американских авторов и сосредоточит свое внимание на тех местах книги (а они занимают основной объем), которые представляют научную ценность.

Книга, безусловно, полезна специалистам, занимающимся приложениями теории исследования операций к военным проблемам и разрабатывающим вопросы теории военного искусства, а также лицам, занимающимся применением теории исследования операций в экономике, технике и других областях. Главы книги далеко не равноценны по качеству изложения материала, форме и объему. Кроме того, материал во многих главах повторяется.

Книга «Анализ сложных систем» состоит из трех частей и обобщенной главы. В части 1 (главы 1-3) излагается сущность анализа систем, его возникновение и возможности приложения к военным проблемам (в терминологии авторов - к проблемам национальной безопасности). Часть II (главы 4-8) посвящена рассмотрению методов анализа систем, учету неопределенностей, анализу и построению конфликтных ситуаций. Часть III (главы 9-16) включает специальные вопросы, относящиеся к приложениям анализа систем, такие, как роль стоимости, учет противодействия противника, теория военных игр и ее роль в анализе вероятностей, динамическое программирование и другие, не затронуты.

В главе 14 рассмотрено применение электронно-вычислительных машин в анализе систем. Здесь много говорится об осторожности при использовании ЭВМ, об ограниченных логических возможностях, поскольку не проанализированы перспективы развития машин.

Глава 15 посвящена учету экономики при анализе систем, и ее содержание представляет несомненный интерес. Ценным материалом является анализ чувствительности стоимости при изменении отдельных параметров (своеобразные частные производные от функции стоимости по отдельным параметрам). В главе рассматривается важное требование представления результатов анализа стоимости в удобном для понимания руководителями виде.

Глава 16 носит название «Опасности анализа систем» и рассматривает типичные ошибки, которые могут возникнуть на различных этапах анализа. Автор достаточно подробно излагает влияния тех или иных допущений на отдельных этапах анализа систем: при постановке задачи, на этапах поиска, толкования и решения.

Глава 17 является заключительной, в которой кратко подводятся итоги изложения предыдущих глав, указывается на необходимость четкой постановки проблемы при использовании анализа систем, разработки адекватной с реальной действительностью модели, учета противодействия противника, неопределенностей, стоимости и использования в работе специалистов различных профессий.

В книге имеется два приложения: А и Б. Приложение А посвящено проблеме создания базы на Луне, предназначенной для военного использования (рассматриваются и научные аспекты). Материал главы носит специальный характер, представляет некоторый самостоятельный интерес, однако он не совсем удачно связан с анализом систем.

В приложении Б рассматривается задача сравнения двух ракетных систем по критерию стоимость - эффективность, отличающихся друг от друга системами наведения и типами силовой установки. В модели учитывается уязвимость ракет на земле и противоракетная оборона противника. Представляет интерес совокупность вопросов, которые после анализа могут быть заданы руководителю работы, и ответы на них.

В настоящее время, когда широко внедряются научные методы во все области человеческой деятельности, знакомство с новыми развивающимися направлениями по вопросам управления имеет важное практическое и теоретическое значение.

Анализ систем относится к этим новым направлениям, дальнейшее развитие которого, с непременным практическим отношением к его методологическим основам, может оказать безусловную помощь при решении проблем планирования в условиях неопределенности.

Перевод выполнен: И. М. Верещагиным - гл. 8, 9, 12, 13, 15, 16, 17, приложение Б; А. Г. Лебедевым - гл. 4-7; Н. А. Малярщиковой - приложение А; Г. М. Смахтиным - предисловие, гл. 1-3, 10, 11.

В заключение выражаю глубокую благодарность Верещагину И. М. за большую работу, проделанную им как при переводе, так и при редактировании книги.

Доктор военных наук Андреев И. И.