Когнитивный анализ, когнитивные модели

КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Предмет когнитивного анализа

1.1. Внешняя среда

1.2. Нестабильность внешней среды

1.3. Слабоструктурированность внешней  среды

2. Общее понятие когнитивного  анализа

3. Этапы когнитивного анализа

4. Цели, этапы и основные понятия когнитивного моделирования

4. 1. Цель построения когнитивной  модели

4.2. Этапы когнитивного моделирования

4.3. Ориентированный граф (когнитивная  карта)

4.4. Функциональный граф (завершение  построения когнитивной модели)

5. Виды факторов

6. Основные проблемы построения  когнитивной модели

6.1.Выявление факторов (элементов  системы)

6.2. Два подхода к выявлению  связей между факторами

6.3.Примеры выделения факторов  и связей между ними 

6.4. Проблема определения силы  воздействия факторов

7. Проверка адекватности модели

8. Использование когнитивной модели

8.1. Применение когнитивных моделей  в системах поддержки принятия  решений

8.2. Пример работы с когнитивной  моделью

9. Компьютерные системы поддержки  принятия управленческих решений

9.1. Общая характеристика систем поддержки принятия решений

9.2. «Ситуация - 2»

9.3. «Компас-2» 

9.4. «Канва»

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

В настоящее время  получение достоверной информации и ее быстрый анализ стали важнейшими предпосылками успешного управления. Это особенно актуально, если объект управления и его внешняя среда представляют собой комплекс сложных процессов и факторов, существенно влияющих друг на друга.

Одно из наиболее продуктивных решений проблем, возникающих в  области управления и организации, состоит в применении когнитивного анализа, который и является предметом изучения в курсовой работе.

Методология когнитивного моделирования, предназначенная для анализа  и принятия решений в плохо  определенных ситуациях, была предложена американским исследователем Р. Аксельродом¹.

Изначально когнитивный анализ сформировался в рамках социальной психологии, а именно – когнитивизма, занимающегося изучением процессов восприятия и познания.

Применения разработок социальной психологии в теории управления привело к формированию особой отрасли знаний – когнитологии, концентрирующейся на исследовании проблем управления и  принятия решений.

Сейчас методология когнитивного моделирования развивается в направлении совершенствования аппарата анализа и моделирования ситуаций.

Теоретические достижение когнитивного анализа стали основой  для создания компьютерных систем, ориентированных на решение прикладных задач в сфере управления.

Работы по развитию когнитивного подхода и его применению для  анализа и управления так называемыми слабоструктурированными системами проводятся в настоящее время в Институте проблем управления РАН².

По заказу Администрации  Президента РФ, Правительства РФ, Правительства  города Москвы в ИПУ РАН был осуществлён ряд социально-экономических исследований с применением когнитивной технологии. Выработанные рекомендации с успехом применяются соответствующими министерствами и ведомствами³.

С 2001 г. под эгидой ИПУ  РАН регулярно проводятся международные конференции «Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций (CASC)».

При написании курсовой работы привлекались труды отечественных  исследователей - А.А. Кулинича, Д.И. Макаренко, С.В. Качаева, В.И.  Максимова, Е.К. Корноушенко, Е. Гребенюк, Г.С. Осипова, А. Райкова.  Большинство из названных исследователей – специалисты ИПУ РАН.

Таким образом, когнитивный  анализ довольно активно развивается  не только зарубежными, но и отечественными специалистами. Тем не менее, в рамках когнитологии остаётся ряд проблем, решение которых могло бы значительно улучшить результаты применения прикладных разработок, базирующихся на когнитивном анализе.

Целью курсовой работы является анализ теоретической базы когнитивных  технологий, проблем методологии  когнитивного анализа, а также основанных на когнитивном моделировании компьютерных систем поддержки принятия решений.

Поставленным целям соответствует структура работы, в которой последовательно раскрываются основные понятия и этапы когнитивного анализа в целом, когнитивного моделирования (как ключевого момента когнитивного анализа), общие принципы применения на практике в сфере управления когнитивного подхода, а также компьютерные технологии, применяющие методы когнитивного анализа.

1. Предмет когнитивного анализа

1.1. Внешняя  среда

Для эффективного управления, прогнозирования и планирования необходим анализ внешней среды, в которой функционируют объекты управления.

Внешняя среда обычно определяется исследователями как  совокупность экономических, социальных и политических факторов и субъектов, оказывающих непосредственное или косвенное воздействие на возможность и способность субъекта (будь то банк, предприятие, любая другая организация, целый регион и т.п.) достигать поставленных целей развития.

Для ориентации во внешней  среде и для её анализа необходимо чётко представлять её свойства. Специалисты Института проблем управления РАН выделяют следующие основные характеристики внешней среды:

1. Сложность - здесь  подразумевается число и разнообразие  факторов, на которые субъект  должен реагировать.

2. Взаимосвязь факторов, то есть сила, с которой изменение одного фактора воздействует на изменение других факторов.

3. Подвижностью - скорость, с которой происходят изменения  во внешней среде⁴.

Выделение такого рода характеристик  для описания среды свидетельствует о том, что исследователи применяют системный подход и рассматривают внешнюю среду как систему или совокупность систем. Именно в рамках этого подхода принято представлять любые объекты в виде структурированной системы, выделять элементы системы, взаимосвязи между ними и динамику развития элементов, взаимосвязей и всей системы в целом. Поэтому когнитивный анализ, используемый для изучения внешней среды и выработки способов и методов функционирования в ней, иногда рассматривается как компонент системного анализа⁵.

Специфика внешней среды объектов управления заключается в том, что эта среда подвержена воздействию человеческого фактора. Иначе говоря, она включает в себя субъекты, наделённые автономной волей, интересами и субъективными представлениями. Это означает, что эта среда далеко не всегда подчиняется линейным законам, однозначно описывающим связь причин и следствий.

Отсюда вытекают два  базовых параметра внешней среды, в которой действует человеческий фактор, - нестабильность и слабоструктурированность. Остановимся более подробно на этих параметрах.

1.2. Нестабильность  внешней среды

Нестабильность внешней  среды часто отождествляется  исследователями с непредсказуемостью. «Степень нестабильности внешней для… [объекта управления] экономической и политической среды характеризуется привычностью ожидаемых событий, предполагаемыми темпами изменений, возможностями предсказания будущего»⁶. Эта непредсказуемость порождается многофакторностью, изменчивостью факторов, темпов и направления развития среды.

«Совокупное действие всех факторов внешней среды, резюмируют В. Максимов, С. Качаев и Е. Корноушенко, - формирует уровень ее нестабильности и определяет целесообразность и направленность оперативного вмешательства в происходящие процессы»⁷.

Чем выше нестабильность внешней среды, тем сложнее выработать адекватные стратегические решения. Поэтому существует объективная потребность в оценке степени нестабильности среды, а также в выработке подходов к её анализу.

По мнению И. Ансоффа, выбор стратегии управления и анализа ситуациями зависит от уровня нестабильности внешней среды. При умеренной нестабильности применяется обычное управление на основе экстраполяции знаний о прошлом среды. При среднем уровне нестабильности управление осуществляется на основе прогноза изменений в среде (например, «технический» анализ финансовых рынков). При высоком уровне нестабильности используется управление на основе гибких экспертных решений (например, «фундаментальный»⁸ анализ финансовых рынков)⁹.

1.3. Слабоструктурированность  внешней среды

Среда, в которой вынуждены работать субъекты управления, характеризуется не только как нестабильная, но и как слабоструктурированная. Две эти характеристики прочно взаимосвязаны, но различны. Впрочем, иногда эти термины употребляются как синонимы.

Так, специалисты ИПУ РАН, давая определение слабоструктурированным системам, указывают на некоторые их свойства, присущие и нестабильным системам: «Сложности анализа процессов и принятия управленческих решений в таких областях как экономика, социология, экология и т.п. обусловлены рядом особенностей, присущих этим областям, а именно: многоаспектностью происходящих в них процессов (экономических, социальных и т.п.) и их взаимосвязанностью; в силу этого невозможно вычленение и детальное исследование отдельных явлений - все происходящие в них явления должны рассматриваться в совокупности; отсутствием достаточной количественной информации о динамике процессов, что вынуждает переходить к качественному анализу таких процессов; изменчивостью характера процессов во времени и т.д. В силу указанных особенностей экономические, социальные и т.п. системы называются слабоструктурированными системами»¹⁰.

Однако следует  заметить, что термин «нестабильность» предполагает невозможность или  трудность предсказать развитие системы, а слабоструктурированнность – невозможность её формализовать. В конечном итоге, характеристики «нестабильность» и «слабоструктурированность», на мой взгляд, отражают разные аспекты одного и того же явления, поскольку мы традиционно воспринимаем систему, которую не можем формализовать  и таким образом абсолютно точно предсказать её развитие (то есть слабоструктурированную систему), как нестабильную, склонную к хаосу. Поэтому здесь и далее, вслед за авторами изученных статей, я буду употреблять эти термины как равнозначные. Иногда исследователи, наряду с вышеперечисленными понятиями, используют термин «сложные ситуации».

Итак, в отличие  от технических систем экономические, социально-политические и прочие аналогичные системы характеризуются отсутствием детального количественного описания происходящих в них процессов - информация здесь имеет качественный характер. Поэтому для слабоструктурированных систем невозможно создание формальных традиционных количественных моделей. Для систем подобного типа характерны неопределенность, описание на качественном уровне, неоднозначность оценки последствий тех или иных решений¹¹.

Таким образом, анализ нестабильной внешней среды (слабоструктурированных систем) сопряжён со многими трудностями. При их решении  нужна интуиция эксперта, его опыт, ассоциативность мышления, догадки.

С подобным анализом позволяют справиться компьютерные средства познавательного (когнитивного) моделирования ситуаций. Эти средства в экономически развитых странах применяются уже десятки лет, помогая предприятиям выживать и развивать бизнес, а властям - готовить эффективные нормативные документы¹². Познавательное моделирование призвано помочь эксперту отрефлексировать на более глубоком уровне и упорядочить свои знания, а также формализовать свои представления о ситуации в той мере, в какой это возможно.

2. Общее понятие  когнитивного анализа

Когнитивный анализ иногда именуется исследователями «когнитивной структуризацией»¹³.

Когнитивный анализ рассматривается  как один из наиболее мощных инструментов исследования нестабильной и слабоструктурированной среды. Он способствует лучшему пониманию существующих в среде проблем, выявлению противоречий и качественному анализу протекающих процессов. Суть когнитивного (познавательного) моделирования – ключевого момента когнитивного анализа - состоит в том, чтобы сложнейшие проблемы и тенденции развития системы отразить в упрощенном виде в модели, исследовать возможные сценарии возникновения кризисных ситуаций, найти пути и условия их разрешения в модельной ситуации. Использование когнитивных моделей качественно повышает обоснованность принятия управленческих решений в сложной и быстроизменяющейся обстановке, избавляет эксперта от «интуитивного блуждания», экономит время на осмысление и интерпретацию происходящих в системе событий¹⁴.

В.И. Максимов и С.В. Качаев для объяснения принципов использования информационных познавательных (когнитивных) технологий для совершенствования управления используют метафору корабля в бушующем океане - так называемую модель «фрегат-океан». Большинство видов коммерческой и некоммерческой деятельности в нестабильной и слабоструктурированной среде «неизбежно связаны с риском, вызываемым как неопределенностью будущих условий работы, так и возможными ошибочными решениями, принимаемыми руководством…. Руководству очень важно уметь предвидеть подобные трудности и заранее разработать стратегии их преодоления, т.е. иметь заранее проработанные установки возможного поведения». Эти разработки предлагается проводить на моделях, в которых информационная модель объекта управления («фрегат») взаимодействует с моделью внешней среды - экономической, социальной, политической и т.д. («океан»). « Цель такого моделирования - дать рекомендации “фрегату” как пересечь “океан” с наименьшими “усилиями”… Интерес… представляют способы достижения цели с учетом попутных “ветров” и “течений” … Итак, ставим цель: определить “розу ветров”… [внешней среды], а там посмотрим, какие “ветры” будут попутными, какие - встречными, как ими воспользоваться и как обнаружить важные для… [объекта] свойства внешней ситуации»¹⁵.

Таким образом, сущность когнитивного подхода заключается, как уже упоминалось, в том, что  бы 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. Примеры применения когнитивного анализа для решения конкретных задач будут рассмотрены ниже в пункте «8. Использование когнитивной модели».

3. Этапы когнитивного  анализа

Когнитивный анализ состоит из нескольких этапов, на каждом из которых реализуется определённая задача. Последовательное решение этих задач приводит к достижению главной  цели когнитивного анализа. Исследователи  приводят разную номенклатуру этапов в зависимости от специфики изучаемого объекта (объектов)¹⁶. Если суммировать и обобщить все эти подходы, то можно выделить следующие этапы, характерные для когнитивного анализа любой ситуации.

1. Формулировка цели и задач исследования.
2. Изучение сложной ситуации с позиций поставленной цели: сбор, систематизация, анализ существующей статистической и качественной информации относительно объекта управления и его внешней среды, определение присущих исследуемой ситуации требований, условий и ограничений.
3. Выделение основных факторов, воздействующих на развитие ситуации.
4. Определение взаимосвязи между факторами путем рассмотрения причинно-следственных цепочек (построение когнитивной карты в виде ориентированного графа).
5. Изучение силы взаимовлияния разных факторов. Для этого используются как математические модели, описывающие некоторые точно выявленные количественные зависимости между факторами, так и субъективные представления эксперта относительно неформализуемых качественных взаимоотношений факторов.

(В результате прохождения этапов 3 – 5 строится, в конечном итоге, когнитивная модель ситуации (системы), которая отображается в виде функционального графа. Поэтому можно сказать, что этапы 3 – 5 представляют собой когнитивное моделирование. Более подробно все эти стадии и основные понятия когнитивного моделирования будут рассмотрены в пунктах 4 – 7).

6. Проверка адекватности когнитивной модели реальной ситуации (верификация когнитивной модели).
7. Определение с помощью когнитивной модели возможных вариантов развития ситуации (системы)¹⁷, обнаружение путей, механизмов воздействия на ситуацию с целью достижения желаемых результатов, предотвращения нежелательных последствий, то есть выработка стратегии управления. Задание целевых, желаемых направлений и силы изменения тенденций процессов в ситуации. Выбор комплекса мероприятий (совокупности управляющих факторов), определение их возможной и желаемой силы и направленности воздействия на ситуацию (конкретно-практическое применение когнитивной модели).

Рассмотрим детально каждый из приведённых этапов (за исключением первого и второго, которые являются, по существу, подготовительными), механизмы реализации частных задач каждого из этапов, а также проблемы, возникающие на разных стадиях когнитивного анализа.

4. Цели, этапы и основные понятия когнитивного моделирования

Ключевой  элемент когнитивного анализа –  построение когнитивной модели.

4. 1. Цель построения  когнитивной модели

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 системе¹⁸.

4.2. Этапы когнитивного моделирования

В общих чертах этапы  когнитивного моделирования рассмотрены  выше. В трудах специалистов ИПУ  РАН содержится конкретизированное изложение этих этапов. Выделим основные из них.

• Выявление факторов, характеризующих проблемную ситуацию, развитие системы (среды). Например, суть проблемы неплатежей налогов можно сформулировать в факторах «Неплатежи налогов», «Собираемость налогов», «Доходы бюджета», «Расходы бюджета», «Дефицит бюджета» и др.
• Выявление связей между факторами. Определение направления влияний и взаимовлияний между факторами. Например, фактор «Уровень налогового бремени» влияет на «Неплатежи налогов».
• Определение характера влияния (положительное, отрицательное, +\-) Например, увеличение (уменьшение) фактора «Уровень налогового бремени» увеличивает (уменьшает) «Неплатежи налогов» - положительное влияние; а увеличение (уменьшение) фактора «Собираемость налогов» уменьшает (увеличивает) «Неплатежи налогов» - отрицательное влияние. (На этом этапе осуществляется построение когнитивной карты в виде ориентированного графа.)
• Определение силы влияния и взаимовлияния факторов (слабо, сильно) Например, увеличение (уменьшение) фактора «Уровень налогового бремени» «значительно» увеличивает (уменьшает) «Неплатежи налогов»¹⁹ (Окончательное построение когнитивной модели в виде функционального графа).

Таким образом, в когнитивную модель входят когнитивная карта (ориентированный граф) и веса дуг графа (оценка взаимовлияния или влияния факторов). При определении весов дуг ориентированный граф превращается в функциональный.

Проблемы выявления факторов, оценки взаимовлияния факторов и типология  факторов будут рассмотрены в  пунктах 5 и 6; здесь же рассмотрим такие базовые понятия когнитивного моделирования как когнитивная карта и функциональный граф.

4.3. Ориентированный граф (когнитивная карта) 

В рамках когнитивного подхода довольно часто термины «когнитивная карта» и «ориентированный граф» употребляются как равнозначные; хотя, строго говоря, понятие ориентированный граф шире, а термин «когнитивная карта» указывает лишь на одно из применений ориентированного графа.

Когнитивная карта состоит из факторов (элементов системы) и связей между ними.

Для того чтобы понять и проанализировать поведение сложной системы, строят структурную схему причинно-следственных связей элементов системы (факторов ситуации). Два элемента системы А и В, изображаются на схеме в виде отдельных точек (вершин), соединённых ориентированной дугой, если элемент А связан с элементом В причинно-следственной связью: А à В, где: А - причина, В - следствие.

Факторы могут влиять друг на друга, причем такое влияние, как  уже указывалось, может быть положительным, когда увеличение (уменьшение) одного фактора приводит к увеличению (уменьшению) другого фактора, и отрицательным, когда увеличение (уменьшение) одного фактора приводит к уменьшению (увеличению) другого фактора²⁰. Причём, влияние может иметь и переменный знак в зависимости от возможных дополнительных условий.

Подобные схемы представления  причинно-следственных связей широко используются для анализа сложных систем в экономике и социологии.

Пример когнитивной  карты некоторой экономической  ситуации приведен на рис.1.

Рисунок 1. Ориентированный граф²¹.

4.4. Функциональный  граф (завершение построения когнитивной  модели)

Когнитивная карта  отображает лишь факт наличия влияний  факторов друг на друга. В ней не отражается ни детальный характер этих влияний, ни динамика изменения влияний в зависимости от изменения ситуации, ни временные изменения самих факторов. Учет всех этих обстоятельств требует перехода на следующий уровень структуризации информации, то есть к когнитивной модели.

На этом уровне каждая связь между факторами когнитивной карты раскрывается соответствующими зависимостями, каждая из которых может содержать как количественные (измеряемые) переменные, так и качественные (не измеряемые) переменные. При этом количественные переменные представляются естественным образом в виде их численных значений. Каждой же качественной переменной ставится в соответствие совокупность лингвистических переменных, отображающих различные состояния этой качественной переменной (например, покупательский спрос может быть «слабым», «умеренным», «ажиотажным» и т.п.), а каждой лингвистической переменной соответствует определенный числовой эквивалент в шкале [0,1]. По мере накопления знаний о процессах, происходящих в исследуемой ситуации, становится возможным более детально раскрывать характер связей между факторами.

Формально, когнитивная  модель ситуации может, как и когнитивная  карта, быть представлена графом, однако каждая дуга в этом графе представляет уже некую функциональную зависимость  между соответствующими факторами; т.е. когнитивная модель ситуации представляется функциональным графом²².

Пример функционального графа, отражающего ситуацию в условном регионе представлен на рис. 2.

Рисунок 2. Функциональный граф²³.

Заметим, что  данная модель является демонстрационной, поэтому многие факторы внешней среды в ней не учтены.

5. Виды  факторов

Для структуризации ситуации (системы) исследователи подразделяют факторы (элементы) на различные группы, каждая из которых обладает определённой спецификой, а именно - функциональной ролью в моделировании. Причём, в зависимости от специфики анализируемой ситуации (системы) типология факторов (элементов) может быть различна. Здесь я выделю некоторые виды факторов, использующиеся при когнитивном моделировании большинства систем (ситуаций, сред).

Во-первых, среди  всех обнаруженных факторов выделяются базовые (воздействующие на ситуацию существенным образом, описывающие суть проблемы) и «избыточные» (малозначащие) факторы, «слабо связанные» с «ядром» базисных факторов²⁴.

При анализе  конкретной ситуации эксперт обычно знает или предполагает, какие изменения базисных факторов являются для него желательными. Факторы, представляющие наибольший интерес для эксперта, называются целевыми. В.И. Максимов, Е.К. Корноушенко, С.В. Качаев следующим образом описывают целевые факторы: «Это – “выходные” факторы когнитивной модели. Задача выработки решений по управлению процессами в ситуации состоит в том, чтобы обеспечить желательные изменения целевых факторов, это – цель управления. Цель считается корректно заданной, если желательные изменения одних целевых факторов не приводят к нежелательным изменениям других целевых факторов»²⁵.

В исходном множестве  базисных факторов выделяется совокупность так называемых управляющих факторов - «”входных” факторов когнитивной модели, через которые подаются управляющие воздействия в модель. Управляющее воздействие считается согласованным с целью, если оно не вызывает нежелательных изменений ни в каком из целевых факторов»²⁶. Для выявления управляющих факторов определяются факторы, влияющие на целевые. Управляющие факторы в модели будут являться потенциально возможными рычагами воздействия на ситуацию²⁷.

Влияние управляющих  факторов суммируется в понятии  «вектор управляющих воздействий» – совокупность факторов, на каждый из которых подается управляющий импульс заданной величины²⁸.

Факторы ситуации (или  элементы системы) могут также подразделяться на внутренние (принадлежащие самому объекту управления и находящиеся под более или менее полным контролем руководства) и внешние (отражающие воздействие на ситуацию или систему внешних сил, которые могут не контролироваться или лишь косвенно контролироваться субъектом управления).

Внешние факторы обычно разделяются на предсказуемые, возникновение и поведение которых можно предвидеть на основе анализа имеющейся информации, и на непредсказуемые, о поведении которых эксперт узнает лишь после их возникновения²⁹.

Иногда исследователи  выделяют так называемые факторы-индикаторы, отражающие и объясняющих развитие процессов в проблемной ситуации (системе, среде)³⁰. Для подобных целей используется также понятие интегральных показателей (факторов), по изменению которых можно судить об общих тенденциях в данной сфере³¹.

Факторы характеризуются  также тенденцией изменения своих  значений. Различают следующие тенденции: рост, снижение. В случае отсутствия изменения фактора говорят об отсутствии тенденции или о нулевой тенденции³².

Наконец, следует  отметить, что возможно выявление причинных факторов и факторов-следствий, кратковременных и долгосрочных факторов.

6. Основные проблемы построения когнитивной модели

Существуют  две главные проблемы построения когнитивной модели.

Во-первых, трудности  вызывает выявление факторов (элементов  системы) и ранжирование факторов (выделение  базисных и второстепенных) (на этапе  построения ориентированного графа).

Во-вторых,  выявление  степени взаимовлияния факторов (определение весов дуг графа) (на этапе построения функционального  графа).

6.1. Выявление факторов (элементов системы)

Можно констатировать, что  исследователями не разработан чёткий алгоритм выявления элементов исследуемых систем. Предполагается, что изучаемые факторы ситуации уже известны эксперту, проводящему когнитивный анализ.

Обычно при рассмотрении крупных (например, макроэкономических) систем применяется так называемый PEST-анализ (Policy - политика, Economy - экономика, Society - общество, Technology – технология), предполагающий выделение 4-х основных групп факторов, посредством которых анализируется политический, экономический, социокультурный и технологический аспекты среды³³. Подобный подход хорошо известен во всех социально-экономических науках.

PEST-анализ - это  инструмент исторически сложившегося  четырехэлементного стратегического  анализа внешней среды. При  этом для каждого конкретного  сложного объекта существует свой особый набор ключевых факторов, которые непосредственно и наиболее существенным образом влияет на объект. Анализ каждого из выделенных аспектов проводится системно, так как в жизни все эти аспекты между собой тесно взаимосвязаны³⁴.