Slide 1

Väljavõte

1 Süsteemide sünd, areng ja surm süsteemiinseneri vaatepunktist Leo Mõtus 11.august 2013 Proaktiivtehnoloogiate uurimislabor, TTÜ ja Eesti Teaduste Akadeemia 1

2 Ettekande fookus Keskendun süsteemidele tehismaailmas, mis on loodud (peamiselt) inimeste poolt. Tehismaailma süsteemid on tänapäeval (21. sajandil) valdavalt arvutikesksed, kus arvutid on sensorite ja täiturite kaudu vahetult seotud looduslike keskkondadega, ning teiste looduslike ja/või tehissüsteemidega. See tähendab, nad koosnevad võrgus töötavatest (autonoomsetest ja kognitiivsetest) osadest, püüdes looduslike süsteemide eeskujul maksimaalselt kasutada evolutsiooni (adapteerumist, õppimist) oma eesmärkide saavutamiseks. Eeskujuks on looduses levinud parve arukus (swarm intelligence). 2

3 Termiitide linnriik 3

4 Mesilassülem 4

5 Süsteemide olemusest Hüpoteesid asjade alguse kohta Koostisosade näiteid Arhitektuuri valik Staatiline arhitektuur Adapteeruv arhitektuur Iseteadlik arhitektuur Info kogumine, töötlemine ja kasutamine Opereerimise keskkond Teisenemine ja/või surm Taaskasutamine 5

6 Hüpoteesid ja arvamused süsteemide töökeskkonna kohta Universum või multiversum? Asjade tekkimine mitte millestki? Religioon, füüsika ja mitteklassikaline arvutusteooria Asjade keerukuse kasv kas arenguks vältimatu? Looduslik ja tehismaailm inimese maailmatajumise arengust Analüüsil baseeruvad teadused Sünteesil baseeruvad teadused Kvantfüüsika ja kvantinformaatika Süsteemid ja jätkusuutlik areng Mudelid ja pärismaailm (Aristotelesest tänapäevani) 6

7 Tehissüsteemide keerukuse kasv Tavalised tehissüsteemid on determineeritud käitumisega, väga piiratud adaptiivsusega ja peaaegu olematu autonoomsusega baseeruvad täieliku info eeldusel Kaasaegsetes süsteemides on komponendid autonoomsed, ajas muutuvad ja nende interaktsioonide kohta puudub täielik info Süsteemi töökeskkondade kohta puudub täielik info: süsteemi käitumine pole määratud komponentide staatiliste omadustega, vaid tekib dünaamiliselt (nn. ilmnev käitumine) Ilmnevat käitumist võimendab komponentide proaktiivne käitumine Seega süsteemi käitumine võib tunduvalt erineda algselt projekteeritud käitumisest -- võrdle komplekssüsteemidega 7

8 Hüpoteesid ja arvamused süsteemide töökeskkonna kohta Universum või multiversum? Asjade tekkimine mitte millestki? Religioon, füüsika ja mitteklassikaline arvutusteooria Asjade keerukuse kasv kas arenguks vältimatu? Looduslik ja tehismaailm inimese maailmatajumise arengust Analüüsil baseeruvad teadused Sünteesil baseeruvad teadused Kvantfüüsika ja kvantinformaatika Süsteemid ja jätkusuutlik areng Mudelid ja pärismaailm (Aristotelesest tänapäevani) 8

9 Mudelid ja pärismaailm Sünteetiline analüüsi Platoni ettekujutus universumist, millega enam-vähem ja simulatsiooni ühinevad tänapäeva Eesti teaduse hindajad ja rahastajad. keskkond (SEAS) Kumb on originaal ja kumb peegelpilt? Tõeline tegelikkus ehk Jääv, püsiv, muutumatu ja igavene ideede maailm Näiv tegelikkus ehk Tekkivate, muutuvate ja kaduvate esemete maailm Vabariigi Presidendi mõttekoda

10 Bioloogilise süsteemi osade näiteid 10

11 Traditsioonilise tehissüsteemi osade näiteid 11

12 Plant, or/and environment Süsteemi ja keskkonna koostöö ADC Sensors Input Computer system DAC Actuators Leo Dept. Mõtus of Computer Control, Tallinn University of Technology 12

13 Analooginfol põhinev süsteem Leo Mõtus 13

14 Digiinfo kasutamise ohud Leo Mõtus 14

15 Miks analooginfo erineb digiinfost? Teisendused ühest ajamudelist teise pidev (tihe) aeg, mis on reaalarvude hulgal modelleeritud aeg (inimestele õpetatav illusoorne maailma mudel) diskreetne aeg, mis on modelleeritud täisarvude hulgal mitteregulaarne diskreetne aeg, mis on modelleeritud juhuslikul väljavõttel täisarvude hulgast Shannon Nyquist i diskreetimisteoreem, ja muud signaalitöötlusvahendid Töötavad (rangelt võttes) vaid pideva või diskreetse aja korral Arvutis saab realiseerida vaid mitteregulaarset diskreetset aega Leo Dept. Mõtus of Computer Control, Tallinn University of Technology 15

16 SÜSTEEMI ARHITEKTUURIST 16

17 Arhitektuur = komponendid + interaktsioonid SYSTEM Actor agents P = {p 1, p 2,, p i,, p n } (P, Σ) Communication agents Σ P x P IEEE 7th International Conference on system of systems engineering 17

18 Iseteadliku arhitektuuri poole Tavaliste tehissüsteemide arhitektuur ja funktsionaalsus ei muutu töö käigus Paljud kaasaegsed tehissüsteemid on iseorganiseeruvad ja saavad dünaamiliselt muuta nii arhitektuuri kui ka funktsionaalsust, analoogiliselt looduslike süsteemidega See eeldab süsteemi kognitiivset võimet ja toob kaasa vajaduse süsteemi käitumist dünaamiliselt verifitseerida. Dünaamiline verifitseerimine on võrreldav inimese meditsiinilise kontrolliga, või taimekahjurite otsimisega aedniku poolt ning sellest tuleneva ravimisega. Tehissüsteemides on komponentide autonoomsus ja dünaamiline verifitseerimine uued teoreetilised probleemid 18

19 Iseteadliku arhitektuuriga süsteem Eeldab (vähemalt osade) süsteemi komponentide iseteadvus ja autonoomsust Lisaks komponentide situatsiooniteadlikkusele eeldatakse süsteemilt ka grupiviisilise situatsiooniteadlikkuse võimet, mis omakorda võib vajada: mõnede komponentide vaheliste (otseste ja/või kaudsete) interaktsioonide asendamist vahendatud interaktsioonidega Vahendatud interaktsiooni toimimist tehissüsteemis võib ligikaudselt võrrelda ravimi manustamisega bioloogilisse süsteemi 19

20 Otsesed ja kaudsed interaktsioonid Computer 1 Computer 3 Computer 2 Environment Computer 4 August 14, 2013 Laboratory for Proactive Technologies 20

21 Situatsiooniteadlikud komponendid Awareness of time constraints only p: T(p) x dom p val p, T(p) is a well-ordered set of time instants Awareness of time and position in space p: L(p, t) x dom p val p, where L(p, t) = {(l(p, t), t); t T(p)}, and l(p,t) is a function that computes location of agent p at instant t IEEE 7th International Conference on system of systems engineering 21

22 Vahendatud interaktsioonid Mediated interaction is smart and proactive, its operation depends on situational information and system s goals Time-aware mediated interaction σ ij : T(p i ) x T(p j ) x val p i proj val pi dom p j K(σ ij, t) T(p i ), and t T(p j ) Time- and location-aware mediated interaction σ ij : L(p i,t i ) x L(p j,t j ) x val p i proj val pi dom p j K(σ ij, s(t j )) L(p i,t i ), and s(t j ) L(p j,t j ), with L(p j,t j ) = {(l(p j,t j ), t j ); t j T(p j )} IEEE 7th International Conference on system of systems engineering 22

23 Näiteid tegelikest projektidest Laboratory experiments and local industrial contracts Industry and logistics: Self-organising Intelligent Middleware Platform for Manufacturing and Logistics Enterprises, ARTEMIS project Crisis management Modelling crisis management for improved action and preparedness, FP7 SEC project CRISMA Information Interoperability and Intelligence Interoperability by Statistics, Agents, Reasoning and Semantics EDA project IN-4-STARS2.0 Asymmetric Threat Environment Analysis, EDA, ATHENA IEEE 7th International Conference on system of systems engineering 23

24 SÜSTEEMIDE TEISENEMINE, SURM JA TAASKASUTAMINE 24

25 Süsteemid ja nende ümbrus Avatud süsteem: Vahetab mateeriat ja energiat oma ümbrusega (tavaline) Suletud süsteem: Vahetab energiat, aga mitte mateeriat oma ümbrusega (planeet Maa) Isoleeritud süsteem: Ei vaheta ei energiat ega mateeriat oma ümbrusega (Universum) Informatsioon organiseerib mateeriat ja energiat ( elus süsteem ) 25

26 Palju lisadetaile leiate: Elusad süsteemid James Grier Miller (1978) Living systems. New York: McGraw-Hill Elus olemisest on sobilik rääkida süsteemide puhul, mida iseloomustavad kognitiivsed ja enesesäilitamist või eesmärgi saavutamist toetavad protsessid. Elusad süsteemid on interaktsioonis neid ümbritseva keskkonnaga interaktsioonid juhivad info, mateeria ja energia vooge. Süsteemisisene entroopia elusates süsteemides ei kasva, mitmel eluetapil entroopia väheneb Pärast surma saavutab süsteemisisene entroopia maksimumi. 26

27 Surm ja süsteemid Osade süsteemide puhul need mis vahetavad ümbritseva keskkonnaga infot saab rääkida elust. Surm saabub kui infovahetus lõpeb täielikult. Ülejäänud süsteemid (enamus eelmise sajandi tehissüsteeme), kus kogu tööks vajaminev info on jäigalt sisse ehitatud, ei ole elus. Nende puhul ei saa rääkida surmast vaid süsteemi teisenemisest, ja/või taaskasutamisest. Energia ja mateeria ei teki ega kao vaid muudab sisu ja vormi (tavapärased jäävusseadused). Informatsiooni kohta käivad jäävusseadused on hiljem tekkinud ja on omaette uurimisobjekt. 27

28 Teisenemine, taaskasutamine 28

29 Jäätmete taaskasutamine 29

30 Võrgupõhise võimekuse näide Far away HQ Sensor networks Interactive map Interactive map Portable unmanned vehicles Squad Interactive map Local HQ Interactive map Reconnaissance Interactive map Interactive map 30

31 Kokkuvõtteks 21. sajandi peasuund on tehissüsteemide keerukuse kasv ja nende autonoomse opereerimise lubamine võttes eeskujuks looduslike süsteemide evolutsiooni kogemusi. Lisatakse kognitiivse ja proaktiivse käitumise võimekust ning arendatakse nende jätkusuutlikkust (iseorganiseeruvust); tekivad hübriidsed kognitiivsed süsteemid. See toob kaasa paljude traditsiooniliste teoreetiliste uuringusuundade muutuse komplekssüsteemide teooria, ajas muutuvate nähtuste analüüs ja süntees, mitteklassikalised arvutusmudeli, jne. Mis toob kaasa vajaduse muuta tänaseid mõttemalle ja hariduslikke dogmasid. 31

32 Mõned viited uutele suundadele H.A. Simon: The Sciences of the Artificial, MIT Press, 1996 P. W. Anderson: More is different, Science, 1972 Developments in non-classical computations, super-turing models of computation, quantum computation Developments in engineering of complex systems and science of complexity The ability to reduce everything to simple fundamental laws does not imply the ability to start from those laws and reconstruct the universe. P.W. Anderson 32