Сущность когнитивного моделирования и этапы реализации

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В середине 17–го века знаменитый философ и математик Рене Декарт высказал афоризм, ставший классическим: «Cogito Ergo Sum» (мыслю, следовательно, существую). Латинский корень cognito имеет интересную этимологию. Он состоит из частей “co–” (“вместе”) + “gnoscere” (“знаю”). В английском языке существует целое семейство терминов с этим корнем: "cognition", "cognize " и др. [13]

В той традиции, которая у нас обозначена термином "когнитивное", проглядывает только одно "лицо" мысли – ее аналитическая сущность (способность разлагать целое на части), декомпозировать и редуцировать реальность. Эта сторона мышления связана с выявлением причинно–следственных связей (каузальностью), что свойственно рассудку. Видимо, Декарт абсолютизировал рассудок в своей алгебраической системе.

Другое "лицо" мысли – ее синтезирующая сущность (способность конструировать целое из непредвзятого целого), воспринимать реальность интуитивных форм, синтезировать решения и предвосхищать события.

Эта сторона мышления, выявленная в философии Платона и его школы, присуща разуму человека. Не случайно и в латинских корнях мы находим два основания: ratio (рациональные отношения) и reason (разумное проникновение в сущность вещей). Разумное лицо мысли берет свое начало от латинского reri ("думать"), восходящее к старолатинскому корню ars (искусство), затем превратившееся в современное понятие art. Таким образом, reason (разумное) – это мысль, родственная творчеству художника. Когнитивность как "разум" означает "способность думать, объяснять, обосносывать действия, идеи и гипотезы".

Для "сильной" когнитивности существенен особый, конструктивный статус категории «гипотеза». Именно гипотеза является интуитивной отправной точкой дедуцирования образа решения. При рассмотрении ситуации ЛПР обнаруживает в ситуации некоторые негативные звенья и структуры («разрывы» ситуации), подлежащие замещению новыми объектами, процессами и отношениями, устраняющими отрицательное воздействие и создающими явно выраженный позитивный эффект. В этом заключается суть управления по инновациям. Параллельно с обнаружением «разрывов» ситуации, часто квалифицируемых как «вызовы» или даже «угрозы», субъект управления интуитивно представляет себе некоторые «позитивные ответы» как целостные образы состояния будущей (гармонизированной) ситуации. [3]

Когнитивный анализ и моделирование являются принципиально новыми элементами в структуре систем поддержки принятия решений.

Методология когнитивного моделирования, предназначенная для анализа и принятия решений в плохо определенных ситуациях, была предложена Аксельродом. [1]

 Она основана на моделировании субъективных представлений экспертов о ситуации и включает: методологию структуризации ситуации: модель представления знаний эксперта в виде знакового орграфа (когнитивной карты) (F, W), где F – множество факторов ситуации, W – множество причинно–следственных отношений между факторами ситуации; методы анализа ситуации. В настоящее время методология когнитивного моделирования развивается в направлении совершенствования аппарата анализа и моделирования ситуации. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Сущность когнитивного моделирования и этапы реализации

Вопросы исследования множества факторов (политических, экономических, социальных и др.), характеризующих регион, выявления негативных процессов и генерации управленческих решений для адекватного управления ими на современном этапе являются актуальными и требуют применения соответствующих научных подходов.

Одним из новых направлений современной теории поддержки и принятия решений является когнитивное моделирование при исследовании управления слабоструктурированных систем и ситуаций.

Предпосылками к применению когнитивного подхода являются сложности диагностики процессов и принятия управленческих решений в регионе, которые обусловлены рядом особенностей, присущих данной территории. Они связаны с многоаспектностью происходящих в них процессов и их взаимосвязанностью, отсутствием достаточной количественной информации о динамике происходящих процессов, что вынуждает переходить к качественному анализу таких процессов, а также изменчивостью характера процессов во времени и т.д.

В силу указанных особенностей экономические системы являются слабоструктурированными системами. [7]

Таким образом, сущность когнитивного подхода заключается, в том, чтобы помочь эксперту отрефлексировать ситуацию и разработать наиболее эффективную стратегию управления, основываясь не столько на своей интуиции, сколько на упорядоченном и верифицированном (насколько это возможно) знании о сложной системе.

Когнитивное моделирование предполагает реализацию следующих этапов:

• выявление факторов, характеризующих проблемную ситуацию, развитие системы (среды);
• выявление связей между факторами. Определение направления влияний и взаимовлияний между факторами;
• определение характера влияния (положительное, отрицательное);
• определение силы влияния и взаимовлияния факторов (слабо, сильно);
• построение когнитивной модели ситуации (системы, среды);
• когнитивное моделирование.

Когнитивное моделирование на основе проведенного анализа позволяет прогнозировать возможные изменения факторов, которые зависят от изменения некоторых других. [6]

Когнитивное моделирование способствует лучшему пониманию проблемной ситуации, выявлению противоречий и качественному анализу системы.

Цель моделирования состоит в формировании и уточнении гипотезы о функционировании исследуемого объекта, рассматриваемого как сложная система, которая состоит из отдельных, но все же связанных между собой элементов и подсистем. Для того чтобы понять и проанализировать поведение сложной системы, строят структурную схему причинно-следственных связей элементов системы. Анализ этих связей необходим для реализации различных управлений процессами в системе. [13]

1.2 Когнитивная  карта

В технологии когнитивного моделирования используются различные типы когнитивных моделей.

Наиболее употребляемой является: когнитивная карта (неформальная когнитивная карта, с ее разработки начинается исследование) [12]

Когнитивная карта (от лат. cognitio— знание, познание) — образ знакомого пространственного окружения.

Когнитивные карты создаются и видоизменяются в результате активного взаимодействия субъекта с окружающим миром. При этом могут формироваться когнитивные карты различной степени общности, «масштаба» и организации (например, карта–обозрение или карта–путь в зависимости от полноты представленности пространственных отношений и присутствия выраженной точки отсчета). Это — субъективная картина, имеющая, прежде всего пространственные координаты, в которой локализованы отдельные воспринимаемые предметы. Выделяют карту–путь как последовательное представление связей между объектами по определенному маршруту, и карту–обозрение как одновременное представление пространственного расположения объектов. [16]

Когнитивная структуризация предметной области – это выявление будущих целевых и нежелательных состояний объекта управления и наиболее существенных (базисных) факторов управления и внешней среды, влияющих на переход объекта в эти состояния, а также установление на качественном уровне причинно–следственных связей между ними, с учетом взаимовлияния факторов друг на друга.

Результаты когнитивной структуризации отображаются с помощью когнитивной карты (модели).

Технология когнитивного моделирования позволяет:

• исследовать проблемы с нечеткими факторами и взаимосвязями;
• учитывать изменения внешней среды;
• использовать объективно сложившиеся тенденции развития ситуации в своих интересах.

Такие технологии завоевывают все большее и большее доверие у структур, занимающихся стратегическим и оперативным планированием на всех уровнях и во всех сферах управления. Применение когнитивных технологий в экономической сфере позволяет в сжатые сроки разработать и обосновать стратегию экономического развития предприятия, банка, региона или целого государства с учетом влияния изменений во внешней среде. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Детальный анализ системы

Под системой обычно понимается объединение взаимодействующих элементов, рассматриваемых как связное целое. Каждый элемент системы производит определенные действия, что позволяет всей системе выполнять возложенные на нее функции.

Структура системы – организация системы из отдельных элементов с их взаимосвязями. Структура любой системы наглядно представима в виде ориентированного графа. Вершины графа соответствуют элементам системы, а ребра – связям между элементами этой системы. Ориентация ребер графа определяется направленностью влияния одних элементов системы на другие.

Для полного описания системы до попадания ее в зону форс–мажорных обстоятельств (в условия внешних дестабилизирующих импульсных воздействий) необходимо наделить (взвесить) вершины графа числами – показателями качественного состояния элемента, а ребра – коэффициентами сопротивляемости. [10]

Зона форс–мажорных обстоятельств, в которой система подвергается влиянию дестабилизирующих факторов, представляется в виде внешнего  импульсного воздействия.

Динамика распространения внешних дестабилизирующих воздействий по системе описывается как изменение показателей качественного состояния элементов системы:

– распространение возрастающих импульсных воздействий, когда импульсное воздействие усиливается при переходе от одного элемента системы к другому;

– распространение затухающих импульсных воздействий, когда импульсное воздействие ослабевает при переходе от одного элемента системы к другому.

Распространение импульсных воздействий происходит в дискретном времени t = 0,1,2,3... Значения всех показателей (показателей качественного состояния элемента, коэффициентов сопротивляемости, импульсных воздействий) – величины относительные, и находятся в отрезке (0, 1).

В соответствии с описанным импульсным воздействием на орграфе можно ввести различные критерии отказа в случае моделирования технической системы или кризиса в случае моделирования социально–экономической системы. К примеру, можно считать, что система находится в состоянии отказа или кризиса, если показатель качественного состояния хотя бы одного из наиболее значимых элементов системы ниже некоторого допустимого уровня. Этот уровень будем называть критическим уровнем качественного состояния. Если показатель качественного состояния элемента ниже критического уровня, то элемент не в состоянии выполнять возложенных на него функций, или функционировать требуемое время.

Целесообразно также использовать в описываемой модели управляющие воздействия, позволяющие повышать значения качественных показателей состояния элементов системы в любой момент времени, вмешиваясь тем самым в процесс распространения дестабилизирующих воздействий по системе. А также внутренний ресурс системы – периодическое восстановление значений качественных показателей состояния элементов системы на определенную величину.

2.1 Анализ устойчивости  системы, представленной графом

Устойчивость — понятие многоаспектное. В исследованиях социально-экономических систем термин "устойчивость" обозначает очень многое, не всегда четко определенное (устойчивость финансовой системы, устойчивость организации). В теории управления техническими системами понятие "устойчивость" определяется четко, разработаны критерии устойчивости системы ("устойчивость по Ляпунову", по Пуанкаре и др.). [14]

Рассматривают два аспекта понятия "устойчивость": устойчивость системы под воздействием внешних возмущений при фиксированной структуре системы, т.е. когда изменяется только внешняя среда, и устойчивость поведения системы при изменениях структуры системы — структурная устойчивость (малые изменения в структуре системы вызывают малые изменения в ее динамике).

При исследовании устойчивости взвешенного ориентированного графа — когнитивной карты — исследуется устойчивость по значению и устойчивость по возмущению системы по мере ее эволюции.

Представим понятия алгебраического критерия устойчивости по возмущению и начальному значению и рассмотрим связь устойчивости графа с его топологической структурой, опираясь на работы В. В. Кульбы, С. С. Ковалевского, Д. Л. Кононова, А. Б. Шелкова и др., а также на работах Дж. Каста. [15]

Основополагающим представлением при разработке критериев устойчивости графов является представление о характеристических значениях матрицы отношений графа — когнитивной модели.

Характеристические значения графа определяются как собственные значения этой матрицы. Согласно теореме Рауса — Гурвица для линейных систем, если среди собственных значений матрицы (корней) нет чисел по модулю больших единицы, то система устойчива по возмущению. Устойчивость по возмущению не означает наличия устойчивости по значению, хотя обратное и справедливо. Но для применения этого критерия имеются существенные ограничения, поэтому использовать его будем в простых случаях.

2.2 Структурная  и связная устойчивость системы

Положение равновесных состояний зависит от динамических свойств изучаемой системы и может изменяться. Поэтому возникает еще один вопрос: поведет ли небольшое изменение системы к смещению состояния равновесия? То есть в отличие от классической теории устойчивости, не рассматривавшей изменения в системе, а только возмущения в окружающей среде, необходимо изучать проблемы устойчивости при структурных изменениях самой системы.