CC BY
8
https://orcid.org/0000-0002-9639-3544
УДК 004.891.2 О.е. КОВАЛЕНКО*
ПРИНЦИПИ 1НЖЕНЕРП СИТУАЦ1ЙНИХ СИСТЕМ
1нститут проблем математичних машин i систем НАН Украши, м. Кшв, Украша
Анотаця. Непередбачуватсть, випадков1сть та мтлив1стъ середовищ у р1зних сферах д1ялъност1 вимагае застосування адекватних nidxodie та принципов у процес здтснення таког д1яльност1. Таким тдходом е ситуацтний nidxid до оргатзацп дiяльностi в рамках вiдповiдних ситуацтних систем. Аналiз моделей ситуацтного управлтня (ситуацiйно-орiентована поведтка) показав, що процеси ситуацтного управлтня реалiзуються в рамках перцептивного циклу (мають ци^чний характер) i включають етапи емтричного усвiдомлення стану середовища (цыьовог областi), побудови його моделi та застосування щег моделi при формувант ращональног поведтки у середо-вищi на основi перiодичного оновлення усвiдомлення поточного стану середовища. Усвiдомлення стану середовища та формування на його основi ра^ональног поведтки здiйснюеться з викорис-танням механiзмiв логiчного умовиводу, що вiдповiдають етапам перцептивного циклу. Такими мехатзмами логiчного умовиводу у циmi ситуа^йног взаемодп з середовищем е тдукщя, дедукщя та абдукщя. Осктьки ситуацтне управлтня загалом стосуеться непередбачуваних випадкових подт, то цтьова ситуацтна система повинна бути адаптована до специфти конкретног ситуа-цп. Така адаптащя може бути реалiзована на основi ad-hoc архтектури системи. До ситуацтних систем можуть бути застосоват, з вiдповiдними уточненнями, принципи тженерп системи систем, оскшьки створення системи систем, як правило, визначаеться ситуацтними чинниками. Ключовими принципами тженерп ситуацтних систем, як i системи систем, е ттероперабель-тсть та координащя мiж гг конституентними системами. Специфiчними принципами iнженерii ситуацтних систем е використання засобiв опису ситуацтног семантики та ситуацтног поведi-нки (ситуацтного числення).
Ключовг слова: iнженерiя систем, система систем, ситуацтна система, ситуацтна модель.
Аннотация. Непредсказуемость, случайность и изменчивость окружающей среды в различных сферах деятельности требует применения адекватных подходов и принципов в процессе осуществления такой деятельности. Таким подходом является ситуационный подход для организации деятельности в рамках соответствующих ситуационных систем. Анализ моделей ситуационного управления (ситуационно-ориентированного поведения) показал, что процессы ситуационного управления реализуются в рамках перцептивного цикла (имеют циклический характер) и включают этапы эмпирического осознания состояния среды (целевой области), построения ее модели и применения этой модели при формировании рационального поведения в среде на основе периодического обновления осознания текущего состояния среды. Осознание состояния среды и формирование на его основе рационального поведения осуществляется с использованием механизмов логического умозаключения, соответствующих этапам перцептивного цикла. Такими механизмами логического умозаключения в цикле ситуационного взаимодействия со средой являются индукция, дедукция и абдукция. Поскольку ситуационное управление в целом касается непредсказуемых случайных событий, то целевая ситуационная система должна быть адаптирована к специфике конкретной ситуации. Такая адаптация может быть реализована на основе ad-hoc архитектуры системы. К ситуационным системам могут быть применены, с соответствующими уточнениями, принципы инженерии системы систем, поскольку создание системы систем, как правило, определяется ситуационными факторами. Ключевыми принципами инженерии ситуационных систем, как и системы систем, являются интероперабельность и координация между ее консти-туэнтными системами. Специфическими принципами инженерии ситуационных систем является использование средств описания ситуационной семантики и ситуационного поведения (ситуационного счисления).
Ключевые слова: инженерия систем, система систем, ситуационная система, ситуационная модель.
© Коваленко O.G., 2019
ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2019, № 4
Abstract. The unpredictability, randomness and variability of environments in different fields of activity requires the use of adequate approaches and principles in the process of carrying out such activities. This approach is a situational approach for organization of activities within relevant situational systems. The analysis of situational management models (situation-oriented behavior) showed that the processes of situational management are realized within the perceptual cycle (having a cyclical nature) and include stages of empirical awareness of the state of the environment (target domain), constructing of its model and application of this model in the formation of rational behavior in environment based on periodic updates of awareness of the current state of the environment (target domain). The awareness of the state of the environment and the formation of rational behavior on its base are carried out using the mechanisms of logical reasoning, corresponding to the stages of the perceptual cycle. Such mechanisms of logical reasoning in the cycle of situational interaction with the environment are induction, deduction and abduction. Since situational management is generally concerned with unforeseen accidental events, the target situational system should be adapted to the specific situation. Such adaptation might be implemented based on the ad-hoc system architecture. The principles of systems engineering might be applied with appropriate refinements to situational systems, since the creation of a system of systems is usually determined by situational factors. The key principles for the engineering of situational systems, as well as systems of systems, are interoperability and coordination between its constituent systems. The specific principles of situational systems engineering are the use of means of describing situational semantics and situational behavior (situational calculus).
Keywords: systems engineering, system of systems, situational system, situational model.
DOI: 10.34121/1028-9763-2019-4-65-78
1. Вступ
Ситуацшний пщхщ у менеджмент та управлшш сформувався у 60-80-х роках ХХ ст. у зв'язку з необхщшстю розв'язання проблеми ефективного управлшня цшеспрямованими системами в реальних умовах змшюваного св^у. Елементи ситуацшного пщходу до управлшня можна зустр^и ще в роботах Лао Цзи (VI ст. до н.е.), Н. Макiавеллi (XVI ст.) i Б.Ф. Трентовського (XIX ст.). Актуальшсть дослщження обумовлена вимогою застосуван-ня обгрунтованих пiдходiв та принцитв у процесах керiвництва й управлшня у рiзних сферах дiяльностi в умовах непередбачуваносп, випадковосп та мшливосп оточуючого середовища.
Давньокитайський мислитель Лао Цзи у трактат «Дао Де Цзш» («Канон Шляху i БлагодатЬ» або «Книга про шлях та силу») [1] описав рiзноманiття життевих ситуацш, 'х постшну змшу i взаемоперетворення. Деяю висловлювання Лао Цзи з трактату «Дао Де Цзш» можна розглядати як ще'' ситуацшного тдходу в управлшш. У сучасному тракту-ванш вони виглядають таким чином:
1) «Велике управлшня» передбачае оволодшня «силою обставин» або «по-потенщалом ситуацп».
2) «Премудра людина цшуе змши i покладаеться обставинам, немов у нього немае свое' думки».
3) «Немае m правильного, ш порочного», немае спочатку поганих або спочатку хороших методiв або сташв управлшня - е вщповщш ситуацп або невщповщш».
4) Мудрють управлшця, мистецтво управлшня полягае у здатносп правильно виб-рати метод i стиль управлшня, вщповщний конкретнш ситуацп.
Сутшсть i принципи ситуацшного тдходу сформулював Н. Макiавеллi у робот «Державець» [2]. Зокрема, вш звернув увагу на таю моменти:
- «на наших очах вщбуваються змши настшьки раптов^ що будь-яке людське пе-редбачення виявляеться перед ними безсилим»;
- «збер^ають добробут ri, чий споаб дш вщповщае особливостям, а втрачають до-бробут li, чий споаб дiй не вщповщае своему часу»;
- «люди чинять по^зному у намаганш досягти поставлених цiлей, якi вони став-лять перед собою. Але iнодi ми бачимо, що хоча вони д^ть однаково, наприклад, з обере-
жнютю, тшьки дехто з них домагаеться успiху, i навпаки, хоча кожен дie по-своему: однi з обережшстю, iншi натиском, - всi в рiвнiй мiрi досягають успiху. Залежить же це саме вщ того, що один споаб дiй зб^аеться з особливостями часу, а шший - не зб^аеться»;
- «поки для тих, хто дiе обережно i з терпiнням, час i обставини складаються сприя-тливо, вони процв^ають, але варто часу i обставинам змiнитися, як 1'х процв^ання закшчу-еться, бо вони не змшили свого способу дш».
Брошслав Фердiнанд Трентовський доводив необхiднiсть наукового тдходу в управлшш. Вш сформулював один iз головних принципiв сучасного ситуацшного тдходу, згщно з яким в управлшш необхщно враховувати складну систему зворотного зв'язку i адаптувати управлшське рiшення до конкретно! ситуацп. Б. Трентовський першим ввiв поняття «юбернетики» i вважав, що юбернетика повинна забезпечувати спiввiдношення управлiнських дш зi змiнами ситуацп. Кiбернетика щ змiни повинна вiдчувати, вивчати, i управлiнськi дп повиннi змiнюватися в залежносп вiд того, в якому сташ знаходиться об'ект управлiння [3].
Також Б. Трентовський впровадив необхщшсть не просто врахування, а наукового аналiзу ситуацш. В цшому, основш положення фшософп управлiння Б. Трентовського зво-дяться до такого:
! По мiрi розвитку суспшьства управлiння все бiльше мае набувати рис наукового дослщження, а особа, яка отримала право управлшня, мае бути здатна до наукового аналь зу перш, шж прийняти ршення.
2. Мистецтво управлшня передбачае в першу чергу наявшсть наукових знань.
3. Ефективне управлшня передбачае врахування вах найважливших зовшшшх i внутршшх факторiв, що впливають на об'ект управлшня.
4. Для ефективного управлшня необхщно врахування особливостей попереднього розвитку.
5. Керiвництво повинно постшно вщстежувати змши у зовшшньому i внутрiшньому середовищi i спiввiдносити сво'1 дп з цими змiнами.
6. Наука управлшня мае дослщжувати проблеми управлшня людськими колектива-
ми.
7. Керiвник повинен вмiти узгоджувати рiзнi погляди i прагнення, використовувати 1'х заради досягнення спшьних цiлей, створювати i направляти дiяльнiсть рiзних шститу-цш, щоб забезпечити 1'х сталий розвиток.
Метою досл1дження е побудова таксономп ситуацшних систем та формулювання основних принципiв i складових 1'х шженерп.
2. Ситуац1йний п1дх1д та ситуацшш системи
Один iз засновникiв сучасного ситуацшного пщходу в управлшш Р. Моклер вважав, що «в найкращому випадку можна розробити умовш або ситуацшш принципи, яю будуть корис-ними в певних конкретних ситуащях дiяльностi» [4]. При цьому головною передумовою ситуацiйного пiдходу буде не стшьки заклик до керiвникiв дiяти вiдповiдно фактам i обставинам, скшьки намагання побудувати теоретичну модель оргашзацп, в якiй цi зовшшш обставини характеризувалися б чiтко визначеним набором так званих контекстних змш-них, а на основi емтричних даних були б встановленi ймовiрнiснi взаемозалежностi мiж цими змiнними i головними внутрiшнiми характеристиками органiзацii.
На основi аналiзу сутностi методу дослщження операцш Р. Моклер зробив висно-вок, що в основi операцшного пiдходу лежить саме аналiз конкретно'1' ситуацii. Вiн зазна-чив, що фахiвцi з дослiдження операцiй часто не застосовують ситуацiйне мислення в ком-бiнацii з технiчним мисленням через надмiрне зосередження на моделях лшшного програ-мування, теорii масового обслуговування, теорп iгор тощо. Саме через таке зосередження на сво'1'х методах вони вщдаляються вiд проблем управлшня дiяльнiстю i виявляються
менш здатними знаходити спшьну точку зору з керiвниками. Методологiя ситуацiйного пщходу дозволяе послiдовно долати розрив мiж формальними математичними методами i практикою ситуацшного управлiння.
У роботi Д. Мшлера i М. Старра «Управлшсью рiшення i дослiдження операцш» [5] здшснена спроба представити методи дослщження операцiй iз позицiй ситуацiйного тдходу. Виклад матерiалу в цш роботi будуеться навколо рiзних тишв практичних ситуацiй i напрямiв практики дiяльностi, а не на основi формалiзованих методiв. Було показано, як можуть бути використаш методи кшькюного аналiзу в рiзних конкретних ситуашях керiв-никами i фахiвцями з дослщження операцш.
Ситуацiйними будемо називати системи, змют стадiй життевого циклу яких визна-чаеться ситуацiйними факторами. Формування та функцюнування ситуацiйних систем грунтуеться на поняттi ситуацп та цшьовому призначеннi таких систем.
Семантика (змют) ситуаци визначаеться п модальшстю, яка виражае зв'язок мiж си-туацiею та реальнiстю (об'ективною модальшстю), суб'ектом i ситуацiею (суб'ективною модальшстю). Таким чином, ситуашя повинна розглядатися як усвщомлене знання суб'ек-та про динамшу навколишнього середовища, представленого певними типами шформацш-них повщомлень, що е основою для побудови обгрунтовано'1' штерпретацп послiдовностi змiни сташв (динамiки) свiту (предметно'1' областi) з певно'1 точки зору [6, 7].
Життевий цикл системи - промiжок часу вiд моменту шщацп (концепцп) створен-ня системи до припинення п iснування (виведення з експлуатацп) через фази створення (розробки i побудови), функцiонування (застосування) та удосконалення (супроводу) [8].
Ситуацiйнi фактори (також вiдомi як зовнiшнi чинники) - це впливи, яю виникають ззовш системи - середовища iснування (функцюнування) та iнших оточуючих систем. Диспозицшш фактори визначають внутрiшнi (iндивiдуальнi) характеристики системи, як впливають на поведшку та функцiонування системи, такi як функцюнальш характеристики, показники якосп та архiтектура. Диспозицiйнi фактори визначають устшшсть функць онування (застосування) систем («Система виконала сво'1 завдання завдяки достатньому рiвню спроможностей», «Використання системи вщповщае 11 призначенню»). Ситуацiйнi чинники впливають на неустх функцiонування системи («Поставлен задачi не вщповща-ють спроможностям», «Використання системи не вщповщае призначенню»).
Таксономiя ситуацiйних систем може бути побудована на основi ознак походження, застосування, реалiзацii тощо. Приклад тако'1 таксономп ситуацiйних систем представлено на рис. 1.
Рисунок 1 - Таксоном1я ситуацшних систем
3. Модел1 ситуацшного управлшня
Ситуацшне управлшня вщноситься до категорп когнiтивних (тзнавальних) та управлiнських процесiв (cognitive and governing processes) на рiзних рiвнях у системах pi3HOMaHiTHoro призначення i е циклiчним процесом. Ситуацiйне управлшня здшснюеться у рамках ситуацiйних систем (СС). У переважнш бiльшостi випадюв у процесi ситуацiйного управлiння в СС можна видшити такi основш фази:
- оцiнки ситуацп, результатом яко! мае бути усвiдомлення ситуацп;
- осмислення ситуацп, результатом яко! мае бути розумшня ситуацп;
- аналiз ситуацп, результатом яко! мае бути прогнозування розвитку ситуацп;
- прийняття ршення (рiшень) стосовно реакцп на ситуацiю в цiльовому середовищц
- впровадження прийнятих рiшень у щльовому середовищi;
- контроль за виконанням впроваджених рiшень з переходом до аналiзу ново! ситуацп.
Ситуацшне управлшня здшснюеться на основi когштивного моделювання як методологи прийняття ршень у ситуацiях невизначеностi або неповно! визначеностi. Методологiя когнiтивного моделювання, запропонована Р. Аксельродом [9], орiентована на формування управлшських рiшень з обгрунтованою ефективнiстю, знаходження сценарпв розвитку подш на основi видiлення понять (концептв, чинникiв), що кiлькiсно та якюно характеризують ситуацiю, а також ощнки взаемного впливу цих чинникiв. У рамках СС когштивне моделювання здшснюеться колективами людей (ОПР, експертiв, анал^июв), грунтуеться на моделюваннi та узагальненш !х суб'ективних думок стосовно конкретно! ситуацп i включае:
- методолопю структурованого представлення ситуацп як моделi знань експерта у виглядi знакового орграфа (когштивно! карти) (F, W), де F - множина ситуацшних факторiв, W - множина причинно-наслщкових зв'язкiв мiж ситуацiйними факторами;
- методи аналiзу ситуацп.
Ситуацiйне управлiння (СУ) здшснюеться в рамках перцептивного (сприйняття та усвщомлення) циклу ситуацп в оточуючому середовищ^ який вперше був описаний у робот Ульрша Нейссера (U. Neisser) [10, 11]. Перцептивний цикл, запропонований Нейссером, мютить в однш точцi активну схему (схему фенотипу як активну конструкщю). Схема одночасно е i моделлю фактично! ситуацп, i моделлю очiкувань того, яка шформащя може бути пiдiбрана вщповщно до ситуацп. Ця схема спрямовуе перцептивне дослщження, випробовуючи середовище, модифшуючи схему, яка завершуе цикл. У цш точцi циклу далi використовуеться поняття <когнiтивних карт>/<орiентувальних схем> для представлення знань про те, де знайти шформащю, яка в даний час поза спостереженням. Вона спрямовуе просування, щоб перетворити потенцшно доступну шформащю на наявну шформащю. Керiвництво може вщбуватися бшьш-менш звично, без ч^ких рiшень "куди пiти далГ' на кожному кроцi. Схема представляе сфокусовану (послщовну) увагу; зразки (паттерни) сканування проявляються у вiдповiдь на ситуацп. Сигнали, однак, можуть також привернути увагу (паралельний процес неусвщомлено! уваги).
Еколопчний пщхщ Смiта i Хенкока [11] мае бiльш цшюний пiдхiд, розглядаючи СУ як «генеративний процес створення знань та здшснення пошформовано! дп». 1х опис грунтуеться на моделi перцептивного циклу Нейссера, яка описуе взаемод^ людини зi свiтом i впливову роль схем у цих взаемодiях. Згiдно з моделлю перцептивного циклу, взаемодiя зi свiтом (дослiдження) спрямовуеться внутрiшнiми схемами. Ц схеми полегшують передбачення ситуацшних подш, спрямовуючи увагу особистост на сигнали в навколишньому середовищi i направляючи кiнцевий хiд дiй суб'екта. Потм людина проводить перевiрки для пщтвердження, що розвиток ситуацп вщповщае очшуванням.
Будь-яю несподiванi подп слугують подальшому пошуку та поясненню, що, у свою чергу, змшюе iснуючу модель оператора.
Tp^iBHeBa модель ситуацшно! обiзнаностi Мши Ендош (М. Endsley) [12] е нaйбiльш вiдомою. Ця модель описуе СУ як внутршньо притаманний когнгтивний (пiзнaвaльний) продукт обробки шформаци, що базуеться на трьох iеpapхiчних piвнях pозпiзнaвaння ситуацп, якi вiдокpeмлeнi вщ пpоцeсiв оцiнки ситуацп i використовуються для досягнення мети СУ.
Модель зображуе СУ як складову ланцюжка (послiдовностi) обробки шформацп, що наступае тсля сприйняття й призводить до прийняття piшeнь та виконання вщповщних дiй. Вiдповiдно до модел^ на здiйснeння та пiдтpимку СУ впливають piзнi фактори, включаючи шдивщуальш фактори (наприклад, досвiд, навчання, робоче навантаження тощо), фактори завдання (наприклад, складшсть) та систeмнi фактори (наприклад, дизайн штерфейсу).
Процес впровадження та пщтримки ситуaцiйного упpaвлiння вiдбувaеться навколо внутршньо притаманно'1 схеми (ментально! модел^, яка мiстить iнфоpмaцiю про певш ситуацп. Ця схема полегшуе передбачення ситуацшних подiй, спрямовуючи увагу ОПР на сигнали в навколишньому сepeдовищi та направляючи ix можливий хщ дiй. Потiм ОПР проводить пepeвipки, щоб переконатись, що розвиток ситуацп вщповщае його очшуванням. Нeочiкувaнi поди слугують пщказками для подальшого дослщження та пояснення, яю, у свою чергу, змшюють iснуючу ментальну модель.
Динaмiчнa модель ситуацшно! обiзнaностi Ендсш [12], адаптована до перцептивного циклу Нейссера, представляе СУ [13] в контекст циклу перцепци, що дозволяе aнaлiзувaти СУ як циклiчну модель зi зворотним зв'язком, подiбну до перцептивного циклу.
Процесний пщхщ до СУ фокусуеться на тому, як СУ змшюеться з часом та стосовно шших процеав, таких як прийняття ршень. СУ - це процес, який генеруе горизонт подш [13]. Ключовим мехашзмом процесно! модел1 СУ е взаемний вплив «д1я-о-зворотний зв'язок» перцептивного циклу. Вш включае фрейми (видшеш сцени, кадри), контексти (внутpiшнiй змют), об'екти та горизонт подiй, не тшьки спрямовуючи д11, модифiкуючи оточення, але й пщбираючи зразки сигнaлiв/об'ектiв та модифiкуючи СУ. Кpiм того, у складних системах СУ фiзичнi мaнiпуляцii можуть змiнювaти прояви СУ, при цьому можуть вщбуватися транзакцп мiж piзними проявами СУ.
Фоpмaлiзовaний пiдxiд до СУ запропонував Д.А. Поспелов [14]. Вш увiв поняття поточно'1 та повно'1 ситуaцiй, на основi яких описав процес СУ як процес вироблення керуючих впливiв на об'ект упpaвлiння шляхом трансформацп вxiдноi iнфоpмaцii про поточну ситуащю з використанням логiко-тpaнсфоpмaцiйниx правил (ЛТП).
З aнaлiзу моделей ситуaцiйного управлшня (ситуaцiйно оpiентовaнa повeдiнкa) видно, що процеси ситуацшного управлшня peaлiзуються в рамках перцептивного циклу (мають ци^чний характер) i включають етапи емтричного усвiдомлeння стану середовища (цiльовоi обласп), побудови його модeлi та застосування ще'1 модeлi при фоpмувaннi рацюнально'1 повeдiнки у сepeдовищi на основi пepiодичного оновлення усвiдомлeння поточного стану середовища. Усвщомлення стану середовища та формування на його основi рацюнально'1 повeдiнки здiйснюеться з використанням мexaнiзмiв логiчного умовиводу, що вiдповiдaють етапам перцептивного циклу. Такими мехашзмами логичного умовиводу у циклi ситуaцiйноi взаемодп з середовищем е iндукцiя, дедукщя та aбдукцiя [15, 16]. Tодi модель ситуaцiйного упpaвлiння з урахуванням мexaнiзмiв умовиводу буде мати вид, представлений на рис. 2.
Рисунок 2 - Модель Mexarn3MiB перетворень еташв циклу СУ
Оскшьки ситуацшне управлшня загалом стосуеться непередбачуваних випадкових подш, то цшьова ситуацшна система повинна бути адаптована до специфши конкретно! ситуацп. Така адаптащя може бути реал1зована на основ1 ad-hoc арх1тектури системи. Узагальнена модель ситуацшно! системи показана на рис. 3.
Рисунок 3 - Узагальнена модель ситуащйно! системи
Рисунок 4 - Пщпроцеси ситуащйно! системи
Варiанти ad-hoc арх^ектури можуть бути розробленi для конкретно! ситуацшно! проблеми або задач^ без узагальнення варiанта рiшення (варiант зберiгаеться лише для вибору на основi конкретних випадкiв), не маючи намiру !х адаптувати до шших цiлей. Таким чином, архiтектурнi види повинш вiдображати види, узгодженi з контекстом
(семантикою) ситуацп, позищями защкавлених сторiн та наявними необхщними засобами управлiння. Процес управлшня ситуащею S1 (рис. 2) е рiзновидом проектно'' дiяльностi [17], що включае пiдпроцеси, зображенi на рис. 4.
Показаш на рис. 3 процеси повинш пiдтримуватися системою ситуацшного управлшня з вщповщним типом ad-hoc арх^ектурно!' моделi. Оскiльки основною мiсiею ситуацшно'' системи е прийняття ршень та 1'х реалiзацiя, то основною защкавленою стороною е особа, яка приймае ршення (ОПР). ОПР може бути iндивiдуальною або колективною. Iншi зацiкавленi сторони беруть участь у процес ситуацiйного управлiння з вщповщними ролями для пiдтримки пщпроцеав та використання результатiв обробки, визначених вщповщно до специфiки областi функцюнування ситуацшно'' системи. Формально динамiчну модель ситуацшно! системи можна представити у виглядi
Y(t) = P(C(F(R(t)\ t), F(R(t), 0), (1)
де Y - результат функцюнування ситуацшно! системи, P - функщя управлшня процесами в систем^ C - функщя управлшня обробкою шформацп в систем^ F -функцiя обробки шформацп, R - функцiя варiацiï (змiн) з часом ресурсiв, t - часова змшна з обласп визначення функцп P (перiод життевого циклу процесу).
4. 1нженер1я системи систем
Iнженерiя системи систем виникла як пщхщ для розв'язання задачi побудови складних систем, до складу яких входять iншi системи, збер^аючи при цьому свою iдентичнiсть. 1снуе кiлька визначень системи систем, деяю з яких залежать вiд особливостей обласп за-стосування. Зокрема, М. Майер [18] постулював п'ять основних характеристик системи систем: операцшна незалежшсть складових систем, управлiнська незалежнiсть складових систем, географiчний розподiл, емерджентна (виникла) поведшка та процеси еволюцiйного розвитку. Визначив операцшну незалежнiсть та незалежшсть управлшня як двi основнi вщмшш характеристики для застосування термiна «система систем» (СС, SoS). Система, яка не мае цих двох характеристик, не вважаеться системою систем незалежно вщ склад-носп чи географiчного розподiлу ïï компонентiв.
У характеристик Майера емерджентнiсть вiдзначаеться як загальна характеристика СС, особливо в СС, що складаеться з декшькох великих юнуючих систем, заснованих на вимогах (часових та ресурсних) тдпорядкування вах можливих лопчних потокiв у множит функцш, спроможностей та даних системи в СС. Емерджентшсть може бути пов'язана з ризиками несподiваноï або ненавмисно'' поведiнки, що виникають у результат поеднання систем, яю мають власну iндивiдуально притаманну складну поведшку. Цi ри-зики можуть стати суттевими у випадках, коли безпещ системи загрожуе, наприклад, не-навмисна взаемодiя мiж функцiями, що надаються декшькома складовими системами в СС. ISO/IEC/IEEE 21839 [19] дае таке визначення СС та ïï конституентно'' (складово') системи.
Система систем - сукупнють систем або системних елементв, якi взаемодiють мiж собою, щоб забезпечити таку ушкальну спроможнiсть, яку жодна з ïï конституентних (складових) систем не може досягти самостшно. Примiтка: елементи системи можуть бути необхщними для полегшення взаемодп складових систем у системi систем.
Конституентнi системи можуть бути частиною одше! або декiлькох СС.
Примтка. Кожна складова е корисною системою сама по соб^ мае власний розви-ток, цш управлшня та ресурси, але взаемодiе в межах СС для забезпечення ушкальних можливостей СС.
Слiд зазначити, що формування СС - це не обов'язкове постшне явище, а скорее питання необхiдностi узгоджено'' iнтеграцiï та поеднання у мережу систем для конкретних щлей, таких як надшшсть, вартють, ефективнiсть, функцiональнiсть тощо.
Враховуючи незалежшсть складових систем, процеси шженерп системи в бiльшостi випадкiв реалiзуються також i для шженерп системи систем. Отже ïx необхiдно адаптувати для пщтримки характеристик СС. Процеси, що реалiзуються як на системному, так i на pÏBHÏ СС, представлен в табл. 1. При цьому iнженерiя системи систем часто обмежуеться лише системами.
Таблиця 1 - Особливосп реалiзацiï процесiв шженерп систем в шженерп СС
Процес ¡нженери систем Реал1защя стосовно ¡нженерп системи систем
Процеси узгодження Оскшьки часто вщсутш повноваження найвищого р1вня для СС, ефективш угоди м1ж системами у склад! СС е ключовими для усш-шно1' шженерп СС
Оргашзацшш процеси забезпечення проекту У рамках шженерп СС розробляються та шдтримуються т процеси, яю е критичними для СС у межах обмежень процес1в на системному р1вш
Процеси техшчного управлшня У рамках шженерп СС впроваджуються процеси техшчного управлшня, застосоваш для конкретних положень ¡нженери СС - плану-вання, анал1зу, оргашзаци та штеграцп спроможностей сумш1 ю-нуючих i нових систем у спроможносп системи систем, у той час, як системи продовжують вщповщати за техшчне управлшня сво1'х систем
Техшчш процеси Техшчш процеси ¡нженери СС визначають наскр1зну спроможнють СС, виходячи з анатзу д1яльност1/мюи на р1вш СС, а також визна-чення потреб та вимог защкавлених сторш Арх1тектура та дизайн СС поеднують планування, оргашзащю та штегращю складових систем, обмежених системними арх1тектурами. Розробка, штегра-шя, перев1рка, перехщ та валщащя реатзуються системами за до-помогою мошторингу та огляду ¡нженерп СС. 1нтеграц1я, верифша-щя, передача та перев1рка в ¡нженери СС застосовуються, коли складов1 системи штегруються в СС та перев1рена i шдтверджена ïï продуктившсть
Стандарт ISO/IEC/IEEE 21841 [20] представляе таксоном^ СС, що базуеться на ступеш незалежностi складових i пропонуе основу для розумшня СС на основi походжен-ня цшей СC та взаемозв'язкiв мiж зацiкавленими сторонами як для С^ так i для ïï складових систем. За шею таксономiею СС може бути вiднесена до одного з чотирьох титв:
1. Пщтверджеш (визнанi) СС (acknowledged SoS) - СС i3 пiдтвердженими цшями, призначеним керiвником та видiленими для СС ресурсами.
Примгтка. Складовi системи збер^ають свою незалежнiсть, цiлi, фшансування та пiдxоди до розробки та супроводу. Змши в системах грунтуються на угодах про спiвпрацю мiж СС та системою.
2. Спiвпрацюючi (колаборативнi) СС (collaborative SoS) - СС, в яких компоненты системи взаемод^ть бiльш-менш добровiльно для виконання узгоджених найважливiшиx цiлей.
Примтка. Складовi системи спiльно вирiшують, як надавати або вщмовляти у на-данш сервiсiв, забезпечуючи тим самим засоби пщкршлення та пiдтримання узгодженостi.
3. Кероваш СС (directed SoS) - СС, створеш i керованi для виконання конкретного призначення, а складовi системи пщпорядковуються СС.
Примтка. Компоненты системи пiдтримують можливiсть самостшно'1' роботи; од-нак ïx нормальний режим роботи пщпорядковуеться головнiй керованiй меть
4. Вiртуальнi СС (virtual SoS) - СС, в яких обмежеш повноваження центрального управлшня та централiзованоï узгоджено'1 мети для СС.
Примтка 1. Виникае поведшка великого масштабу, i це може бути бажано, але цей тип SoS покладаеться на вщносно невидимi мехашзми його тдтримки. Примтка 2. Вiртуальнi СС, як правило, е самооргашзованими. У бшьшосп фактичних випадкiв СС вщображатиме комбiнацiю типiв СС, яка може змшюватися з часом. Iншi таксономп можуть зосереджуватися на природi/типi компонен-тiв, 'х неоднорiдностi тощо [21].
В1дм1нност1 м1ж 1нженер1ею систем та 1нженер1ею системи систем
Особливост реалiзацiï процеав шженерп систем в шженерп системи систем (табл. 1) е орiентовними, i в кожному конкретному випадку стетнь рiзницi залежить вщ практики. Реальнi системи, як правило, дуже взаемопов'язаш i лише умовно можуть бути вщнесеш до одше! i двох категорiй в залежност вiд конкретного практичного випадку. Таю умовш вiдмiнностi застосування принципiв шженерп систем в шженерп системи систем наведеш в табл. 2 [22].
Таблиця 2 - Вщмшносп мiж основними рисами систем та системи систем
Риси систем Риси системи систем
Ч1тко визначений перелш защкавлених сторш Декшька р1вшв защкавлених сторш з1 змшаними i, можливо, конкуруючими штересами
Ч1тко визначеш цш та призначення Декшька i, можливо, суперечливих цшей та приз-начень
Ч1тко визначеш оперативш пр1оритети з розширеннями для визначення прюритеив Декшька та шод1 р1зних операцшних прюритет1в без ч1тких шлях1в розширення
Сдиний життевий цикл Життевий цикл включае декшька життевих цикл1в конституентних систем з елементами, реатзова-ними асинхронно
Ч1тко визначене володшня з можливютю перемщення ресурс1в м1ж елементами Декшька власниюв приймають незалежш ршення щодо розподшу ресурс1в
Принципи побудови системи систем
Ключовими принципами побудови СС е штероперабельнють та координащя мiж ii консти-туентними системами. Iнтероперабельнiсть загалом визначаеться як здатшсть двох або бшьшо'' кiлькостi систем, продуктiв чи компоненпв обмiнюватися iнформацiею та викори-стовувати iнформацiю, отриману в результат обмшу. Iнтероперабельнiсть у контекстi СС означае, що кожна система може спшкуватися та взаемодiяти з будь-якою iншою системою незалежно вщ i'x апаратних та програмних характеристик або природи. Це означае, що кожен конституентний елемент (та потенцшш новi елементи) СС повинен мати можли-вють спiлкуватися з шшими без проблем сумiсностi в операцшних системах, апаратних засобах, зв'язку тощо. Для цього СС потребуе стльно'' мови, якою можуть користуватися системи СС. Прикладом тако'' мови е XML (extensible Markup Language).
Одшею iз ключових проблем побудови арх^ектури СС е те, що складовi системи СС можуть розроблятись без урахування 'х ролi СС та обмежень параметрiв архiтектури СС. Арх^ектурний рiвень, який накладае цi обмеження на складовi системи та пщтримуе результуючi можливостi СС, може базуватися на вщкритих стандартах. Вiдкритiсть архь тектури е основою для подальшого еволюцiонування СС.
Найважливiшим завданням переходу вщ концепцп СС до шженерп СС е суш^ те-хнолопчш, людськi та органiзацiйнi вiдмiнностi в системi розгляду системних пiдходiв та
управлшня [23]. Потенцшним пiдходом до розробки СС може бути тдхщ на ochobï прин-ципiв, вiдкритих системам [24] :
- принцип вщкритого штерфейсу (open interface) - вщкрит системи мають проник-m меж^ що дозволяють ïm обмiнюватися масою, енергieю та iнформацieю з шшими системами;
- принцип синергизму (synergism) - поняття, яке означав, що кооперативна взаемо-дiя мiж складовими системами мае бiльший ефект за рахунок спшьних зусиль, тж сумар-ний ефект дiй окремих частин; по суп, це те, що породжуе емердженттсть;
- принцип самокерованост (self-government) означав, що СС пщтримуе i розвивае свiй внутршнш порядок без втручання зовнiшнiх джерел; вш може бути реалiзований на основi кiбернетичного управлiння, гомеостазу чи самооргатзаци;
- принцип емерджентностi (emergence) - у цьому випадку маеться на увазi виник-нення нових та зв'язних структур, закономiрностей та властивостей пщ час самооргатзаци СС;
- принцип збереження (conservation) - встановлюе, що енерпя та маса (матерiал) зберiгаються в межах СС;
- принцип реконф^ураци (reconfiguration) - стосуеться переналаштування та адап-таци СС, щоб пiдтримувати себе в умовах змш у своему оточеннi;
- принцип симбюзу (symbiosis) - системи в середин CC мають симбютичний зв'язок одна з одною; або проспше, успiшна розробка та пщтримка СС залежить вiд сим-бютично! спiвпрацi мiж зацiкавленими сторонами систем, з яких вона складаеться;
- принцип модульност (modularity) - означае, що кожен рiвень i кожна система пе-вною мiрою незалежн вiд iнших. При створеннi СС розробка незалежних модульних систем, яю взаемодiють мiж собою за допомогою стандартизованих iнтерфейсiв, дае змогу пщвищити гнучкiсть, що сприяе кращому еволюцiонуванню СС.
Управлiння - це функщя правил, часу та пропускно! здатностi; тодi як керiвництво (командування, менеджмент) - це функщя довiри, впливу, точност та спритностi. Ергоно-мiчнi характеристики соцiально-технiчних систем властивi також системам систем [25]:
- виконання колективних оперативних завдань;
- включають соцiальнi та технiчнi пщсистеми;
- вiдкритiсть (сильна взаемодiя зi сво'1'м середовищем);
- сприйняття системи як незавершено! системи.
5. Ситуацшна семантика
Iнженерiя систем з систем виникла як тдхщ для розв'язання задачi побудови складних, до складу яких входять iншi системи, збер^аючи при цьому свою iдентичнiсть. Семантика (змют) ситуацiï визначаеться ïï модальшстю, яка виражае вiдношення мiж ситуащею i дiй-снiстю (об'ективна модальнють) та суб'ектом i ситуацiею (суб'ективна модальшсть). За-пропонована у другш половинi ХХ столiття алгебра'1'чна штерпретащя модально'1 логiки стала основою для розробки семантики модальних систем [26] та 1'х застосування у системах ситуацшного управлiння i пщтримки прийняття рiшень. Врахування модальностей ситуацш та 1'х формальне представлення у виглядi модальних систем дозволяють вийти за обмеження семантики класичних лопчних систем та наблизити формальний опис ситуацш до реального.
Основою для формального опису моделi технологи консолщаци даних ситуацшного управлшня е ситуацшна теорiя. Основш положення ситуацiйноï теорiï викладенi, зокрема, в робот [27]. Опис ситуаци в ситуацшнш теорiï базуеться на понятп iнфону. 1нфон - це деталь (фрагмент) шформаци про ситуацш, яка представлена у формi
({R, A, Pol)),
де R - п -мюне вщношення, А—<а1,...,ап > кортеж вщиовщних об'екпв для R, значения Pol = {0 або 1} представляв поляршсть.
Для воображения того, що шфон сг актуал1зуеться ситуащею s, пишуть s |= сг i стверджують, що s шдтримуе сг . Базов1 типи шфошв:
- TIM: тип часово! локалiзащi;
- LOC: тип просторово! локалiзащi;
- IND: тип iндивiду;
- RELn: тип n -мiсного вiдношення;
- SIT: тип ситуаци;
- INF: тип шфону;
- TYP: тип типу;
- PAR: тип параметра;
- POL: тип полярност (0 або 1).
1нфони будуються з базових типiв. Наприклад, якщо l е локалiзацieю, тодi l мае тип LOC, а iнфон <<of-type, l, LOC, 1>> е фактом. Для представлення модальност в опис ситуаци вводимо новий тип: MOD (modality). Об'екти (uniformities) модальносп в онтологи типiв позначимо як m0, щ, m2 тощо.
Джерелами отримання ситуащйно"1 шформаци можуть бути архiвнi данi, корпорати-вш данi, транзакцiйнi данi, соцiальнi та iншi медiа, генерованi данi, публiчна iнформацiя тощо. Сама ситуацiйна шформащя вiдноситься до одше1 з категорш - структурована, напь вструктурована, квазютруктурована, неструктурована.
Консолiдацiя даних у системах ситуацшного управлшня здшснюеться на основi онтологи ситуащйно"1 шформаци. Для побудови онтологи використовуеться таксономiя таких концептв:
- джерела даних;
- формат даних;
- тип даних;
- категорiя шформаци;
- рiвень важливостi шформаци;
- модальшсть шформаци;
- ступiнь довiри до шформаци.
6. Ситуац1йне числення
Ситуацшне числення (Situational Calculus) е формальною логичною системою (логiкою першого порядку), розробленою для представлення i обгрунтування динамiчно змiнюваних свiтiв, доменiв i систем. У логiцi першого порядку (Л1П) висловлювання або iстиннi, або хибш i такими залишаються завжди. I шчого не може призвести до будь-яких змш Ситуацшне числення представляе змшш сценари як множину формул лопк другого порядку (Л2П). Вперше поняття ситуацiйного числення було введене в 1963 рощ Джоном Маккарт у робот «Ситуаци, ди та причинно-наслiдковi закони» [28]. Найбшьш поширена удоско-налена верая ситуацiйного числення базуеться на представлены, введеному Реем Рейтером у 1991 рощ в робот «Проблема фрейму в ситуацшному численш» [29]. Завдяки пред-ставленш Р. Рейтером формалiзацii, ситуацiйне числення отримало широке застосування через значно багатшу, шж очiкувалось, виразнiсть та здатнiсть ч^ко охарактеризувати си-льнi i слабю сторони рiзних загальних теорiй про ди. Основними поняттями ситуацiйного числення е ди, флуенти, ситуаци.
Ди (Actions) можуть бути виконанi у середовищi (свiтi, системi). Ди визначаються функцiональним символом i можуть бути ощнеш кiлькiсно. Ди представляються термами першого порядку. Наприклад, Put(х, у) визначае дш, при якiй об'ект x кладеться на
об'ект y; Do(put(A, B), s) визначае стан, що e результатом того, що A поклали на B, коли cbít перебувае у сташ (ситуацп) s .
Флуенти (Fluents) - це 3míhhí величини, що описують стан середовища (свiту). Флу-ент е вщношенням або функцieю, значення яко! можуть змiнюватися залежно вiд ситуацп. Флуенти (змiннi) визначаються з використанням або предикатiв, або функцiональних сим-волiв, що приймають терм ситуацп як аргумент. Наприклад, closeTo(x, y, s) означае, що x близький до y в ситуацп s ; Pos(x, s) визначае позищю x в ситуацп s .
Ситуацп (Situations) - представляють iсторiю проявiв (результатiв) дш. Динамiчне середовище моделюеться у розвитку через серш (послiдовнiсть) ситуацiй, як наслщюв рiзних дiй, виконуваних у цьому середовищп Послiдовнiсть цих дш е скiнченною. Ситуа-цiя описуе не стан, а ^торш (контекст стану), i е термом першого порядку, що визначае ймовiрнiсну юторш свiту. Ситуацiя представлена бiнарним функцюнальним символом do : do(a, s) визначае юторш, що е результатом додавання ново! дп a в юторш s . Ця ситу-ацiя також визначае стан св^у.
Домен кодуеться у Л2П (лопщ другого порядку) трьома типами формул:
- аксюмами передумов дiй та аксюмами результатiв (наслiдкiв) дiй;
- аксюмами послщовних станiв, одним iз яких е флуент (fluent);
- основоположними аксюмами ситуацшного числення.
На основi формалiзмiв ситуацiйного числення були розроблеш мови ситуацiйного планування та дш: STRIPS, ADL, PDDL, GOLOG.
7. Висновки
Таким чином, у шженерп ситуацшних систем можуть застосовуватись принципи шженерп системи систем. Усвщомлення стану середовища та формування на його основi рацюналь-но! поведшки здiйснюються з використанням механiзмiв логичного умовиводу, що вщповь дають етапам перцептивного циклу. Такими мехашзмами лопчного умовиводу у циклi ситуацшно'1 взаемодп з середовищем е iндукцiя, дедукщя та абдукцiя. Оскiльки ситуацiйне управлшня загалом стосуеться непередбачуваних випадкових подш, то цiльова ситуацiйна система повинна бути адаптована до специфши конкретно! ситуацп. Така адаптащя може бути реалiзована на основi ad-hoc арх^ектури системи. До ситуацiйних систем можуть бути застосоваш з вiдповiдними уточненнями принципи шженерп системи систем, оскшь-ки створення системи систем, як правило, визначаеться ситуацшними чинниками. Ключо-вими принципами шженерп ситуацшних систем, як i системи систем, е штероперабель-шсть та координащя мiж ii конституентними системами. Специфiчними принципами ш-женери ситуацiйних систем е використання засобiв опису ситуацшно'1 семантики та ситуа-цшно! поведiнки (ситуацшного числення).
СПИСОК ДЖЕРЕЛ
1. Лао Цзи, Дао Де Цзш. URL: https: //lvivmedievalclub.fíles .wordpress. com/2015/12/lao_-czy dao de czin perevod malyavina v.pdf [дата звернення: 18.04.2019].
2. Мак'явелл1 Н. Флорентшсью хрошки. Державець. Кшв: Основи, 1998. 492 c.
3. Trentovsky B.F. Stosunek filozofii do cybernetyki, czyli sztuka rz^dzenia narodem (The Relation of Philosophy to Cybernetics, or the Art of Governing a Nation). Naki ksi^g. J.K. Zupanskiego, 1843. 194 p.
4. Mockler R. Situational Theory of Management. Harvard Business Review. 1971. Vol. 40, N 3. 146 p.
5. Miller D.W., Starr M. K. Executive Decisions and Operations Research. 2nd Revised edition. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1969. 608 p.
6. Коваленко О. Застосування онтологш в системах ситуацшного управлшня. Сучасм проблеми информатики в управлтт, економщ, oceimi та подолант насл^дюв Чорнобильськог катастрофи: матерiали XV Мiжнар. наук. семшару (Кшв-Свггязь, 4-8 липня 2016 р.). Кшв-Свггязь, 2016. С. 8489.
7. Kovalenko O. Information Taxonomy and Ontology for Situational Management. 2018 IEEE 13th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies, CSIT2018 - Proc. 2018. Vol. 2. P. 94-97.
8. Encyclopedia Britannica. System Life Cycle. 2012. URL: https://www.britannica.com/topic/system-life-cycle (дата звернення: 18.04.2019).
9. Axelrod R. The Structure of Decision: Cognitive Maps of Political Elites. Princeton: University Press, 1976.422 p.
10. Neisser U. Cognition and Reality: Principles and implications of cognitive psychology. San Fransisco: W H Freeman and Company, 1976. 230 p.
11. Salmon P.M., Stanton N.A., Walker G.H., Baber C., Jenkins D.P., McMaster R., Young M.S. What really is going on? Review of situation awareness models for individuals and teams. Theoretical Issues in Ergonomics Science. 2008. Vol. 9, N 4. P. 297-323.
12. Endsley M. Toward a Theory of Situation Awareness in Dynamic Systems. The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society. 1995. Vol. 37, N 1. P. 32-64.
13. Lundberg J. Situation awareness systems, states and processes: a holistic framework. Theoretical Issues in Ergonomics Science. 2015. Vol. 16, N 5. P. 447-473.
14. Поспелов Д. Ситуационное управление: теория и практика, Москва: Наука, 1986. 288 c.
15. Peirce CS. Notes on Ampliative Reasoning. The Collected Papers of Charles S. Peirce. Vol. 8 / ed. C. Hartshorne, P. Weiss, A.W. Burks. 4 ed. Cambridge, Belknap Press of Harvard University Press. P.1931-1966.
16. Светлов В.А. Методологическая концепция научного знания Чарльза Пирса: единство абдукции, дедукции и индукции. Логико-философские штудии. 2008. № 5. С. 165-188.
17. Коваленко О. Ситуацшне управлшня як проектна дiяльнiсть. Системи тдтримки прийняття ршень. Теоргя i практика: зб. доп. одинадцято! дистанцшно! наук.-практ. конф. з мiжнap. участю (КШ'в, 5 червня 2017 р.). Кив, 2017. С. 28-31.
18. Maier M. Architecting Principles for Systems-of-Systems. Systems Engineering. 1998. Vol. 1, N 4. P. 267-284.
19. ISO/IEC/IEEE 21839:2019. Systems and software engineering - System of systems (SoS) considerations in life cycle stages of a system. 07 2019. URL: https://www.iso.org/standard/71955.html (дата звернення: 29.09.2019).
20. ISO/IEC/IEEE 21841:2019. Systems and software engineering - Taxonomy of systems of systems. 07 2019. URL: https: //www .iso.org/standard/71957.html (дата звернення: 29.09.2019).
21. Cook S. C. a. P. J. M. Towards designing innovative SoSE approaches for the Australian defence force. Proc. 9th Int. Conf. Syst. Syst. Eng. Socio-Technical Perspect. 2014. N SoSE. P. 295-300.
22. SEBoK. Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge. 31 October 2019. Vol. 2.1. URL: https://www.sebokwiki.org/wiki/Guide_to_the_Systems_Engineering_Body_of_Knowledge_(SEBoK) (дата звернення: 10.11.2019).
23. Wells G., Sage A. Engineering of a System of Systems. System of Systems Engineering: Innovations for the 21st Century. USA, Wiley. 2008. P. 44-76.
24. Azani C. A Multi-criteria Decision Model for Migrating Legacy System Architectures into Open Systems and Systems-of-Systems Architectures. A Publication of the Defense Acquisition University. 2009. October. P. 320-341.
25. Maguire M. Socio-technical systems and interaction design. 21st century relevance, Appl. Ergon. 2014. Vol. 45, N 2 PA. P. 162-170.
26. Смирнов В. Семантика модальных и интенсиональных логик. Москва: Прогресс, 1981. 424 с.
27. Devlin K. Situation theory and situation semantics. Handbook of the History of Logic. Stanford. 2006. Vol. 7. P. 601-664.
28. McCarthy J. Situations, actions and causal laws. Stanford Artificial Intelligence Project. Memo series, Stanford University. 1963. 11 p.
29. Reiter R. The frame problem in the situation calculus: a simple solution (sometimes) and a completeness result for goal regression. Artificial intelligence and mathematical theory of computation: papers in honour of John McCarthy / ed. V. Lifshitz. San Diego, CA, USA: Academic Press Professional, Inc. 1991. P. 359-380.
Стаття надтшла до редакцп 08.08.2019
