Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Л. Понятия «модель» и «система»
Понятие «модель» является ключевым в общей теории систем. Моделирование как мощный, а часто и единственный метод исследования экономических систем и управления ими подразумевает замещение реального объекта другим — материальным или идеальным. Не менее важным является понятие «система». Дадим несколько определений. Система — это множество элементов, понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность. Система — это множество любых элементов, способ поведения которых определяется структурой этого множества (способом связи элементов). Система — это состоящее из двух или более элементов множество, удовлетворяющее следующим трем условиям [2]: 1) поведение каждого элемента воздействует на поведение целого (например, организм человека, в котором его каждая часть — сердце, легкие, желудок — воздействует на функционирование организма в целом); 2) поведение элементов и их воздействие на целое взаимозависимы (ни один элемент не имеет самостоятельного воздействия на систему в целом: в организме человека работа сердца и ее воздействие на организм определяется деятельностью мозга, легких и других органов); 3) какие бы подгруппы элементов ни образовались, каждый элемент воздействует на поведение целого и ни один из них не воздействует на них самостоятельно (элементы системы соединены таким образом, что образование ими независимых подгрупп невозможно). Таким образом, можно дать еще одно определение — короткое, но емкое: система — это целое, которое невозможно разделить на независимые части. Отсюда следуют два важнейших свойства системы: 229 1) каждая часть системы обладает свойствами, которые она теряет в случае отделения от системы; 2) каждая система обладает определенными (существенными) свойствами, которыми не обладает ни одна из частей (такие свойства называют эмерджентными (от англ. emerge —- появляться)). Существенные свойства системы в целом проистекают из взаимодействий ее частей, а не от их действий самих по себе. Поэтому если систему разобрать на части, она утратит свои существенные свойства. Следовательно, система — это целое, которое невозможно понять лишь с помощью анализа. Важнейшими требованиями к любой модели являются ее адекватность изучаемому объекту в рамках конкретной задачи и реализуемость имеющимися средствами. В системном анализе, теории эффективности систем, теории моделирования, эконометрике моделью объекта (системы, операции) называется материальная или идеальная (мысленно пред-ставимая) система, создаваемая и/или используемая при решении конкретной задачи с целью получения новых знаний об объекте-оригинале, адекватная ему с точки зрения изучаемых свойств и более простая, чем оригинал, в остальных аспектах.
Классификация основных методов моделирования (и соответствующих им моделей) представлена на рис. 18.1. При исследовании экономических систем находят применение все методы моделирования, однако в этом разделе основное внимание будет уделено семиотическим (знаковым) методам. Напомним, что семиотикой (от греч. semeion — знак, символ) называют науку об общих свойствах знаковых систем, т. е. систем конкретных или абстрактных объектов (знаков), с каждым из которых сопоставлено некоторое значение [51]. Примерами таких систем являются любые языки (естественные или искусственные, например языки описания данных или моделирования), системы сигнализации в обществе и животном мире и т. п. Формальные и неформальные методы моделирования представлены на рис. 18.2. Семиотика включает три раздела: синтактику; семантику; прагматику. Синтактика исследует синтаксис знаковых систем безотносительно к каким-либо интерпретациям и проблемам, связанным с восприятием знаковых систем как средств общения и сообщения. Семантика изучает интерпретацию высказываний знаковой системы. С точки зрения моделирования объектов она занимает в семиотике главное место. Прагматика исследует отношение использующего знаковую систему к самой знаковой системе, в частности восприятие осмысленных выражений знаковой системы.
Из множества семиотических моделей в силу наибольшего распространения, особенно в условиях информатизации современного общества и внедрения формальных методов во все сферы человеческой деятельности, выделим математические, которые отображают реальные системы с помощью математических символов. При этом, учитывая то обстоятельство, что методы моде- Рис. 18.3. Первоначальное определение системы лирования в данном учебном пособии рассматриваются применительно к исследованию систем в разных операциях, будем использовать общеизвестную методологию системного анализа, теории эффективности и принятия решений. Попробуем проследить, как менялась форма представления системы [14]. Первоначально систему определяли как совокупность элементов А и связей (отношений) R между ними: Последнюю запись можно проиллюстрировать рис. 18.3. Классическим определением такого типа стало определение Л. фон Берталанфи (1990): система — это комплекс взаимодействующих компонентов или совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой. Следует различать понятия «элементы» и «компоненты». Компоненты — более общее понятие, которое и может означать совокупность элементов. Если известно, что элементы, входящие в систему, принципиально неоднородны, их выделяют в разные множества: В определении М. Месаровича (1976) выделены множества X входных объектов (воздействующих на систему) и множество Y выходных результатов, между которыми установлено обобщающее отношение пересечения: Для уточнения элементов и связей в определения стали включать свойства. Так, в определении А. Холла (1981) свойства (атрибуты) QA дополняют понятие «элемент» («предмет»): Затем в определениях системы появляется понятие «цель»: вначале в неявном виде — система — организованное множество 232 (Ф. Е. Темников, 1985), потом — в виде конечного результата, системообразующего критерия, функции (В.И.Вернадский, У.Р.Гиб-сон, П.К.Анохин, М.Г.Гаазе-Рапопорт, 1990). Эту группу определений можно представить так: где Z — цель (совокупность целей). В некоторых определениях уточняются условия целеобразова-ния — вводятся среда SR, интервал времени, в рамках которого будет существовать система и ее цели (AT). Таким образом, система — это конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с определенной целью в рамках определенного временного интервала (В. Н. Сагатовский, 2000): S = < А, R, Z, SR, АТ>. Далее в понятие системы начинают включать наблюдателя N— лицо, представляющее объект или процесс в виде системы при исследовании и/или принятии решения: На необходимость учета взаимодействия между изучаемой системой и исследователем указывал У.Р.Эшби (1966). Приведем определение Ю. И.Черняка (1984): система есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания: Начиная с 1960-х гг. все большее внимание обращают именно на наблюдателя — лицо, проводящее моделирование или эксперимент (даже в физике), т.е. на лицо, принимающее решения. С этим обстоятельством связан еще один очень важный вопрос — материальна или нематериальна система? Ответ таков: Рис. 18.4. Динамика изменения со держания понятия «система» 233 в понятии «система» (как и любой другой категории познания) объективное и субъективное составляют диалектическое единство. На рис. 18.4 представлена динамика изменения взглядов ученых на понятие «система». Таким образом, система предполагает целеполагание, окружающую и внешнюю среду, а также наличие субъекта. 18.2. Математическая модель системы Задача построения математической модели экономической системы может быть сформулирована следующим образом [8, 65]: для конкретной цели моделируемой операции с учетом имеющихся ресурсов необходимо построить операторы моделирования исхода операции и оценки показателя ее эффективности. Формальная запись этой задачи имеет вид: где А0 — модель планируемой операции; 9 — ресурсы; Н — оператор моделирования исхода операции; *Р — оператор оценки показателя эффективности операции. Перед рассмотрением каждого из операторов приведем два важных определения. Оператором в математике называют закон (правило), согласно которому каждому элементу х множества X ставится в соответствие определенный элемент у множества Y. При этом множества X и Y могут иметь разную природу (если они представляют, например, множества действительных или комплексных чисел, понятие «оператор» совпадает с понятием «функция»). Множество Z упорядоченных пар (х, у), где хе X, назы- вается прямым произведением множеств Хм Г и обозначается Хх Y. Аналогично, множество Z упорядоченных конечных последовательностей (х,, хъ ..., х„), где хке Хк, называется прямым произве дением множеств Хъ Хъ ..., XN и обозначается Z = XixX2x...xXN [8,18]. Оператором моделирования исхода операции называется оператор Н, устанавливающий соответствие между множеством Л учитываемых в модели факторов, множеством (/возможных стратегий управления системой (операцией) и множеством У значений выходных характеристик модели где 8М — ресурсы на этапе моделирования исходов операции; Rs — учитываемые свойства моделируемой системы. Оператором оценки показателя эффективности системы (операции) называется оператор \Р, ставящий в соответствие множе- 234 ству Y значений выходных характеристик модели множество W значений показателя эффективности системы где 9Э — ресурсы исследователя на этапе оценки эффективности системы. Особо отметим, что построение приведенных операторов всегда осуществляется с учетом главного системного принципа — принципа цели. Кроме того, важным является влияние объема имеющихся в распоряжении исследователя ресурсов на вид оператора моделирования исхода Н и состав множества U стратегий управления системой (операцией). Чем больше выделенные ресурсы, тем детальнее (подробнее) может быть модель и тем большее число стратегий управления может быть рассмотрено (из теории принятия решений известно, что первоначально множество возможных альтернатив должно включать как можно больше стратегий, иначе можно упустить наилучшую). В самом общем виде математической моделью системы (операции) называется множество элементами которого являются рассмотренные множества и операторы. Способы задания оператора *Р и подходы к выбору показателя эффективности ^рассматриваются в теории эффективности; методы формирования множества возможных альтернатив — в теории принятия решений. Для двух классов задач показатель эффективности в явном виде не вычисляется: 1) задач так называемой «прямой» оценки, в которых в качестве показателей эффективности используются значения одной или нескольких выходных характеристик модели; 2) демонстрационных задач, в ходе решения которых для изучения поведения системы используются лишь значения ее выходных характеристик и внутренних переменных. В таких случаях используют термин «математическое описание системы», представляемое множеством 18.3. Классификация математических моделей В качестве основного классификационного признака для математических моделей целесообразно использовать свойства операторов моделирования исхода операции и оценки показателя ее эффективности [5, 18]. 235 Оператор моделирования исхода Н может быть функциональным (т. е. заданным системой аналитических функций) или алгоритмическим (т.е. содержать математические, логические и логико-лингвистические операции, не приводимые к последовательности аналитических функций). Кроме того, он может быть детерминированным (когда каждому элементу множества Их А соответствует детерминированное подмножество значений выходных характеристик модели или стохастическим (когда каждому значению множества соответствует случайное подмножество Оператор оценки показателя эффективности может задавать либо точечно-точечное преобразование (когда каждой точке множества выходных характеристик Y ставится в соответствие единственное значение показателя эффективности W), либо множественно-точечное преобразование (когда показатель эффективности задается на всем множестве полученных в результате моделирования значений выходных характеристик модели). В зависимости от свойств названных операторов все математические модели делятся на три основных класса: 1) аналитические; 2) статистические; 3) имитационные. Для аналитических моделей характерна детерминированная функциональная связь между элементами множеств U, Л, Y, а значение показателя эффективности W определяется с помощью точечно-точечного отображения. Аналитические модели имеют весьма широкое распространение. Они хорошо описывают качественный характер (основные тенденции) поведения исследуемых систем. В силу простоты их реализации на ЭВМ и высокой оперативности получения результатов такие модели часто применяются при решении задач синтеза систем, а также при оптимизации вариантов применения в различных операциях. К статистическим относят математические модели систем, у которых связь между элементами множеств U, A, Y задается функциональным оператором Я, а оператор *Р является множественно-точечным отображением, содержащим алгоритмы статистической обработки. Такие модели применяются в тех случаях, когда результат операции является случайным, а конечные функциональные зависимости, связывающие статистические характеристики учитываемых в модели случайных факторов с характеристиками исхода операции, отсутствуют. Причинами случайности исхода операции могут быть: случайные внешние воздействия; случайные характеристики внутренних процессов; случайный характер реализации стратегий управления. В статистических моделях сначала формируется представительная выборка значений выходных характеристик модели, а затем проводится ее статистическая обработка с целью получения значения скалярного или векторного показателя эффективности. 236 Рис. 18.5. Основная классификация математических моделей Имитационными называются математические модели систем, у которых оператор моделирования исхода операции задается алгоритмически. Когда этот оператор является стохастическим, а оператор оценивания показателя эффективности задается множественно-точечным отображением, возникает классическая имитационная модель, которая более подробно будет рассмотрена в гл. 19. Если оператор Н является детерминированным, а оператор *Р задает точечно-точечное отображение, можно говорить об определенным образом вырожденной имитационной модели. На рис. 18.5 представлена классификация наиболее часто встречающихся математических моделей по рассмотренному признаку. Важно отметить, что при создании аналитических и статистических моделей широко используются их гомоморфные свойства (способность одних и тех же математических моделей описывать различные по физической природе процессы и явления). Для имитационных моделей в наибольшей степени характерен изоморфизм процессов и структур, т.е. взаимно однозначное соответствие элементов структур и процессов реальной системы элементам ее математического описания и, соответственно, модели. Изоморфизм — соответствие (отношение) между объектами, выражающее тождество их структуры (строения) [63]. Именно таким образом организовано большее число классических имитационных моделей. Названное свойство имитационных моделей проиллюстрировано рис. 18.6. Имитационные модели являются наиболее общими математическими моделями. В силу этого иногда все модели называют имитационными. Аналитические модели, «имитирующие» только фи- 237
Рис. 18.6. Изоморфное и гомоморфное отображения: ^ — система-оригинал; $2 — изоморфное отображение оригинала; S3 —- гомоморфное отображение оригинала зические законы, на которых основано функционирование реальной системы, можно рассматривать как имитационные модели I уровня. Статистические модели, в которых, кроме того, «имитируются» случайные факторы, можно называть имитационными моделями II уровня. Собственно имитационные модели, в которых еще имитируется и функционирование системы во времени, называют имитационными моделями III уровня. Классификацию математических моделей можно провести и по другим признакам. На рис. 18.7 представлена классификация моделей (прежде всего, аналитических и статистических) по зависимости переменных и параметров от времени. Динамические модели, в которых Рис. 18.7. Классификация математических моделей по зависимости переменных и параметров от времени 238 Рис. 18.8. Классификация математических моделей учитывается изменение времени, делятся на стационарные (в которых от времени зависят только входные и выходные характеристики) и нестационарные (в которых от времени могут зависеть либо параметры модели, либо ее структура, либо и то, и другое). На рис. 18.8 показана классификация математических моделей еще по трем основаниям: характеру изменения переменных; особенностям используемого математического аппарата; способу учета проявления случайностей. Названия типов (видов) моделей в каждом классе достаточно понятны. Укажем лишь, что в сигнально-стохастических моделях случайными являются только внешние воздействия на систему. Имитационные модели, как правило, можно отнести к следующим типам: • по характеру изменения переменных — к дискретно-непрерывным моделям; • математическому аппарату — к моделям смешанного типа; • способу учета случайности — к стохастическим моделям общего вида. В заключение приведем классификацию математических моделей экономических систем. В качестве классификационного признака используем масштаб моделируемых экономических процессов. Модели экономических систем принято разделять на три группы [10]: 1) достаточно точно отражающие одну сторону некоторого экономического процесса в системе сравнительно малого масштаба; 239 2) описывающие реальные процессы в экономических системах малого и среднего масштаба, подверженные воздействию неопределенных (прежде всего, случайных) факторов; 3) больших и очень больших (макроэкономических) систем: крупных торговых и экономических предприятий, объединений, концернов, отраслей экономики и экономики страны в целом. Модели первой группы представляют собой простые соотношения между двумя-тремя переменными (как правило, алгебраические уравнения или системы уравнений). Классическим примером таких моделей служит функция потребления [46]: где С — потребление некоторого пищевого продукта на душу населения в данном году; (3,— константа (коэффициент) (/ = 0, 1, 2); Y — реальный доход на душу населения в данном году; Р — индекс цен на продукт, скорректированный на общий индекс стоимости жизни. Разработка моделей второй группы требует принятия системы допущений, позволяющих формализовать влияние неопределенных факторов. В наибольшей степени это касается факторов стохастической природы (случайных событий, величин, векторов, функций, потоков и др.), что потребовало создания технологии их моделирования (см. гл. 20). В качестве примера приведем три класса моделей, используемых в экономических исследованиях для анализа и/или прогноза [46]. Модели временных рядов выглядят следующим образом: 1) модель тренда: где T{t) — временной тренд заданного параметрического вида (например, линейный T(t) = а + Ы); е, — случайный (стохастический) компонент; 2) модель сезонности: где S(f) — периодический (сезонный) компонент; 3) модель тренда и сезонности: • аддитивная: • мультипликативная К моделям этого класса относят и более сложные модели: адаптивного прогноза, авторегрессии и скользящего среднего и др. Все 240 они объясняют поведение временного ряда, только исходя из его предыдущих значений. Примерами их применения могут служить изучение и прогнозирование продаж железнодорожных билетов, спроса на автомобили, краткосрочный прогноз процентных ставок и т.п. Рассмотрим пример регрессионных моделей с одним уравнением: где у — зависимая (объясняемая) переменная; х — независимые (объясняющие) переменные (/ = 1, 2, ..., к); |37 — коэффициенты (j = 1, 2, ..., р). Можно считать, что именно эти модели представляют наибольший интерес в эконометрических исследованиях. Среди примеров их применения можно назвать изучение спроса на мороженое как функцию времени года, суток, температуры воздуха, среднего уровня доходов; зависимости заработной платы от возраста, стажа, пола, образования и т.п. Системы одновременных уравнений состоят не только из регрессионных уравнений, но и из тождеств, причем в них содержатся и объясняемые, и объясняющие переменные. Рассмотрим широко известную модель спроса и предложения: где QD(t) — спрос на товар в момент времени /; и, — коэффициент зависимости от времени; Y{t) — доход в момент времени /; Qs{t) — предложение товара в момент времени t; P{t) — цена товара в момент времени t. Первое из приведенных уравнений системы называют уравнением спроса, второе — уравнением предложения, третье — уравнением равновесия. Цена товара P(t) и спрос на товар Q{t) = = Qd(0 = Qs(t) определяются из уравнений системы (т.е. являются эндогенными переменными). Предопределенными переменными являются доход Y(t) и значение цены товара в предыдущий момент времени P(t - 1). К моделям второй группы следует отнести и весьма широко применяемые модели систем массового обслуживания. Популярность этих моделей объясняется, прежде всего, наличием развитого математического аппарата теории массового обслуживания, содержащего многие формальные схемы описания различных реальных систем. Весьма интересные модели важных и 241 сложных процессов (прогнозирования в промышленности; управления трудовыми ресурсами и запасами; повышения надежности и улучшения ремонта оборудования и др.) описаны в [21, 32]. Подробное описание большого количества моделей экономических систем дано в [41]. Читателям, серьезно интересующимся менеджментом в экономических системах, следует обязательно ознакомиться с [22, 54, 69, 82]. Рассмотрим использование еще одной несложной математической модели для анализа одного из сложнейших вопросов коммерции — ценообразования (пример приводится по [1] с небольшими изменениями). Пусть требуется обосновать возможный подход к определению рыночной цены на некоторый программный продукт (заметим, что данная проблема остро стоит на отечественном рынке). Для любого элемента ПО можно указать на две особенности: 1) оригинальный программный продукт является авторским произведением и должен рассматриваться как интеллектуальная собственность; 2) созданный программный продукт может быть легко размножен, причем расходы на размножение ничтожно малы по сравнению с расходами на разработку оригинала. Таким образом, существуют два вида цен: на оригинал программы и ее копию (легко провести аналогию с аудио- и видеопродукцией, картинами и т.п.). Все программы можно разделить на уникальные (создаваемые по заказу и не предусматривающие тиражирование), специализированные (разрабатываемые для ограниченного контингента пользователей) и универсальные или рыночные (предназначенные для широкого потребления). В дальнейшем будем рассматривать именно универсальные программы и цены на них. Под рыночной ценой продукта будем понимать цену, устанавливаемую продавцом (автором программы или его представителем на рынке) на копию программного продукта, готовую к реализации. При этих допущениях первоначальные затраты на разработку программ являются постоянными, и их вообще можно не рассматривать при определении рыночной цены. Действительно, сколько бы ни стоила разработка продукта, его цена определяется потребностью в программах данного типа, количеством потенциальных покупателей и их финансовыми возможностями, наличием конкурентов, качеством предлагаемого товара, известностью автора (фирмы-производителя) продукта, эффективностью рекламной кампании и т.п. Упростим ситуацию: пусть у рассматриваемого продукта нет аналогов (а следовательно, и конкурентов); известны все потенциальные покупатели, а им — информация о программном продукте; каждый покупатель готов купить одну копию программы 242 по любой цене, не превышающей его собственной предельной цены на данную программу. Необходимо установить такую цену на программный продукт, чтобы сумма выручки от его продажи была максимальной. Подобная ситуация может быть описана оптимизационной экономической математической моделью вида где Y— доход продавца; Р — искомая цена продукта; КР — количество копий, которые были проданы по цене Р. Очевидно, что количество проданных копий зависит от цены на продукт, и сложность заключается именно в определении вида этой зависимости (функции КР(Р)). Обозначим Р0 — нижний предел рыночной цены, а Р[ — верхний предел рыночной цены, которые назначают потенциальные покупатели (их, как правило, оценить возможно). Тогда модель дополняется ограничением P0<P<PV На отрезке [Р0; /*,] функция КР(Р) является монотонно невоз-растающей и, более того, она кусочно постоянна и меняется тогда, когда цена достигает такого значения, при котором очередной потенциальный покупатель уже не может купить программу. Проиллюстрируем рассуждения численным примером. Пусть есть три группы покупателей, каждая из которых готова приобрести 100 копий программного продукта, причем их собственные предельные цены составляют 600, 1000 и 1 500 р. соответственно. Тогда возможны колебания цены в пределах от 600 до 1 500 р. Очевидно, что при цене 600 р. будет продано 300 копий (всем покупателям); при цене от 601 до 1 000 р. — 200 копий (покупателям второй и третьей групп); при цене от 1 001 до 1 500 р. — 100 копий (покупателям третьей группы). Соответственно, доход для этих цен составит, р.: (Доход для второй цены рассчитать сложно, поэтому взята предельная цена для второй группы покупателей.) Графически полученные результаты показаны на рис. 18.9. Из анализа графиков видно, что цены являются максимальными на границах стабильности количества продаваемых копий. Легко определить и оптимальную цену — 1 000 р. за копию, что обеспечит доход в 200 000 р. Если отказаться от допущений о неизменности цен во времени и равенстве их значений для различных групп покупателей, можно наметить два пути увеличения общей прибыли от продаж. 243 Рис. 18.9. Зависимость от цены на программный продукт: а — количества проданных копий; б — дохода от продаж 1. Установление значительной скидки для покупателей, не имеющих возможности приобрести программу по рыночной цене (школ, вузов, государственных научно-исследовательских учреждений и т.п.). В данном примере при выделении первой группы покупателей в особый класс, для которого вводится скидка 50 % найденной цены (1 000 р.), прибыль увеличится на 50 000 р. и составит 250 000 р. 2. Постепенное снижение цены на программный продукт. Если считать, что инфляция отсутствует и за время торговли реклама не устаревает, следует принять такой сценарий продаж:
1) установить предельную цену на программу Рх и удерживать ее до тех пор, пока все покупатели третьей группы не приобретут интересующие их копии; 2) снизить цену до следующего предельного значения, дав возможность купить программу всем покупателям второй группы; 3) снизить цену до минимального порога Р0, обеспечив копиями программ всех оставшихся покупателей. Такой сценарий принесет продавцу максимальный для условий примера доход в 310000 р. Понятно, что приведенная модель имеет учебную (иллюстративную) направленность и не может быть непосредственно применена на практике. Вместе с тем учет в ней таких факторов, как неопределенность при нахождении потенциальных покупателей, переход к интервальным оценкам их собственных предельных цен, учет инфляции, нелегального копирования и устаревания рек- 244 ламы, других неопределенных факторов (после чего данная модель станет полноценным представителем моделей второй группы), позволит использовать результаты моделирования, например, при определении стратегии продаж на некоторый интервал времени. Разработка моделей третьей группы, адекватно описывающих масштабные экономические процессы, в силу ряда достаточно понятных причин представляет предмет исследований крупных научно-исследовательских организаций и в данном учебном пособии не рассматривается. ГЛАВА 19. ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ СИСТЕМ |
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-08; Просмотров: 303; Нарушение авторского права страницы