из электронной библиотеки / 699484992772341.pdf
.pdfчасти, которая рассматривает социальные и экономические процессы, а также реакции экосистем на нарушение экологического равновесия.
Формальный аппарат, разработанный в рамках теории циклов, оказывается достаточно удобным для моделирования поведения систем, в которых уместно рассматривать колебательные (циклические) процессы. Данное научное направление активно развивается НИИ «Циклы природы и общества», созданным Ю.Н. Соколовым при поддержке Северо-Кавказского Государственного технического университета. В 2001 году в издательстве СевКавГТУ вышла в свет монография «Циклы как основа мироздания»,
содержащая результаты фундаментальных исследований, сделанные на основе общей теории циклов; также существует возможность ознакомления с ее электронной версией с использованием глобальной телекоммуникационной сети Интернет на сайте http://www.nbs.stv.runnet.ru.
Анализ большинства попыток российских ученых выдвинуть новую оригинальную концепцию показывает, что наиболее пагубное влияние на судьбы этих учений оказывает не столько конкретные руководители или система государственного устройства, сколько стремление авторов этих теорий одним махом заместить все основополагающие принципы официальной науки. Вставая на этот путь, авторы не считают возможным установление даже временного компромисса: вступают в бой не столько с существующими теориями, сколько с мощной научной организацией, располагающей собственной и не менее хищной, чем в других отраслях, бюрократией. При этом создатель новой теории не ищет сходства позиций
— он подчеркивает различия. Эта своеобразная форма научного мученичества встречается в нашей стране сплошь и рядом. Именно поэтому в России родилось и благополучно скончалось такое великое множество идей, какого, вероятно, нигде не сыщешь. Идей разных,
но сходных в одном — им так и не удалось восторжествовать. Пытались ли такие ученые как Берталанфи, Винер, Пригожин или Хакен в одночасье спихнуть с научного Олимпа активно действующих авторитетов науки? — Нет, не пытались (по крайней мере, в тех формах, в
которых это пытались делать наши научные мученики). Борьба была, но это была уважительная и бесстрастная борьба между равными… Попытка «срезать угол» в научной
«гонке» почти всегда приводила к научной гибели «пилота» (если воспользоваться терминологией ныне популярной Формулы-1).
Таким образом, в результате развития естественных наук аналитика обогатилась целым рядом методологических принципов и инструментов исследования, включая и формальный аппарат, характерный для них. В число таких инструментов вошли:
-принципы декомпозиции и агрегирования;
-принцип многомодельности;
-аппарат теории множеств, графов и формальной логики и методы структурного и причинно-следственного анализа;
-аппарат дифференциального, интегрального и вариационного исчисления и методы математического анализа;
-аппарат матричного представления, векторного исчисления и методы векторного
анализа;
-аппарат теории вероятностей и математической статистики и методы вероятностного
истатистического анализа и иные.
Со времени доминирования физикалистских концепций сохранилось достаточно удобная система метафорических терминов, отражающих сущность понятий, ими обозначаемых. В число таких терминов могут быть включены «импульс», «скорость», «ускорение», «мощность», «энергия», а из более поздних заимствований — термины
«спектр», «амплитуда», «фаза», «цепная реакция», «квант» и ряд других. Подобные метафоры существенно упрощают процесс синтеза концептуальных моделей и их последующую формализацию в интересах моделирования.
2.1.3 Кибернетика и системный анализ
Кибернетика и системный анализ составляют некое гармоническое единство — настолько тесное, что сложно установить, где же пролегает линия раздела. Можно встретить утверждения о том, что кибернетика — это раздел теории систем, или о том, что теория систем — это раздел кибернетики. Однако предмет изучения этих наук различен: одна наука
(кибернетика) исследует процессы управления, протекающие в различных системах, другая
(системный анализ и теория систем) ориентировано в большей степени на методологические вопросы изучения и описания систем разного происхождения. Но поскольку речь идет именно о сложных системах, постольку имеет место взаимное обогащение этих наук методами и технологическими достижениями. Сходство это неслучайно, поскольку на их формирование оказал воздействие общий блок идей — философская концепция позитивизма и господствовавшая в нейрофизиологии и психологии в конце 1930-х годов концепция бихевиоризма. Оговоримся, что по мере развития этих наук исходные идеи претерпели достаточно серьезные трансформации. Таковы курьезы эволюции научного знания: идеи, на которых строилась исходная гипотеза, оказались несовершенны, но гипотеза в целом — полезной и правильной. Бревна нижних венцов заменили — и дом стоит, давая кров и тепло своим обитателям.
Обе эти научные дисциплины по праву могут считаться основными компонентами методологического ядра аналитики. Это вызвано тем, что обе научные дисциплины
рассматривают объекты и системы, прежде всего, с точки зрения решения задач управления.
А, как мы установили ранее, целью информационно-аналитической работы является информационное обеспечение процессов управления. Следующий аргумент в пользу такого утверждения — это то, что эти науки предоставляют в распоряжение аналитика развитый формальный аппарат и комплекс отработанных и прошедших апробацию методик моделирования. Объединение же этих наук в рамках методологического ядра аналитики обусловлено тем, что на этапе применения их для решения практических задач управления
(анализа информации и синтеза управленческого воздействия) искусственное разделение их является нецелесообразным. Такое разграничение может быть признано обоснованным в качестве тактического шага на этапе создания новой научной школы, но на этапе их применения — излишне, поскольку методы этих наук вполне совместимы, дополняют и взаимно обогащают друг друга, и, что самое важное — результаты их применения используются в едином цикле потребления информации.
Какие бы аргументы не предлагались в опровержение этой точки зрения, но отправной точкой в развитии кибернетики стала идея «черного ящика» — идея, согласно которой любой объект или система с точки зрения процессов управления предстает перед исследователем в качестве непознанного объекта (черного ящика с неизвестной начинкой),
внутренне устройство которого не столь принципиально для достижения целей управления.
Существенным же для управления состоянием этого ящика является то, каким образом реализуется управление им. Внимание кибернетики сосредоточено на том, каким образом построен контур управления объектом и каким образом объект реагирует на некоторые входные воздействия. То есть, представление объекта или системы в терминах вход-выход,
что соответствует бихевиористскому подходу «стимул-реакция». Безусловно, важнейшим положением кибернетики является тезис о необходимости введения в контур управления объекта или системы регулирующей обратной связи, используемой для реализации автоматного (простейшего интеллектуального) поведения, однако кибернетикой рассматривается поведение автоматов как с замкнутым, так и с разомкнутым контурами управления.
Интересное влияние на общество оказало внедрение кибернетических подходов. С
этого времени научная фантастика населяется роботами, сперва — наделенными интеллектом, позже — разумом, а далее — и эмоциями. Фантастика переходит к проблемам общефилософского, социального и этического плана. Утрачиваются ценнейшие традиции научной фантастики, заложенные Ж. Верном, Г. Уэллсом, И.А. Ефремовым, А.Р. Беляевым и другими авторами, сделавшими этот жанр столь популярным в начале — середине XX века.
Эти традиции, связанные с познавательной функцией, быстро вытесняются из фантастики
(техника в своих подробностях становится заумно сложной — да и какой в ней смысл, если автомат так же чувствует, мыслит и переживает, как человек) — фантастика соскальзывает к описаниям внешнего вида устройств, использует псевдо-термины и закономерно превращается в фэнтези. Где теперь встретишь вундеркинда-конструктора с портфелем,
набитым проволочками и магнитами? Техника стала для них набором «черных ящиков».
Для системного анализа и иных системных дисциплин такой отправной точкой служит общая теория систем (ОТС) Л. фон Берталанфи. Существенно уточненная,
оснащенная специфическим формальным аппаратом, допускающим сочетание различных способов описания сущностей и процессов реального мира, общая теория систем претерпела процесс, обратный первоначальному замыслу автора теории: если на первом этапе (этапе выдвижения идеи) ОТС выступала в качестве средства интеграции и обобщения знаний о системах различного происхождения, то позже в рамках теории систем выделились системотехника (с уклоном к изучению техногенных систем), системный анализ
(характерный для систем с целеполаганием), исследование операций (сфера военного приложения теории систем, впоследствии получившая распространение и других отраслях) и
иные научные направления, основанные на системной платформе.
Однако, если всмотреться в сущность подходов, предлагаемых кибернетикой и теорией систем, и абстрагироваться от ряда несущественных методологических отличий, то становится очевидным, что и системный анализ, и кибернетика при рассмотрении систем и объектов оперируют одними и теми же подходами. Для этих наук объекты и системы, суть
— те же «черные ящики», характеризующиеся примерно одинаковым набором параметров, о
содержимом которых на этапе анализа «забывают» вплоть до особых обстоятельств.
КИБЕРНЕТИКА
Основателем современной кибернетики по праву считается американский ученый Н.
Винер, в период с 1938 по 1948 год интенсивно работавший над созданием новой теории. В 1948 году им была выпущена книга «Кибернетика», одновременно опубликованная в США и во Франции. Выход книги стал заметным событием в научной жизни: с этого момента во многих странах начинают формироваться научные школы, избравшие в качестве методологии своих исследований кибернетический подход. Активное участие в пропаганде и разработке идей кибернетики принял Дж. фон Нейман, при содействии которого в начале
1944 года было проведено совещание группы ведущих ученых США, работавших над проблемами создания вычислительной техники и систем автоматизированного управления.
Позже, только в 1947 году, было впервые употреблено название новой науки «кибернетика»,
происходящее от греческого слова, соответствующего русским словам «рулевой, кормчий».
Это название, поначалу казавшееся новым, позже вызвало споры — оказалось, что термин не нов и уже использовался для обозначения наук об управлении. Так, Платон использовал его в значении современного термина «навигация», а известный французский физик А. Ампер
(тот самый, чьим именем названа единица измерения силы тока) — в значении «наука об управлении государством».
Несмотря на то, что в своих работах Винер неоднократно обращался к результатам исследований русского физиолога И.П. Павлова, еще в 1954 году в нашей стране для кибернетики использовалось следующее определение:
«Кибернетика — реакционная лженаука, возникшая в США после второй мировой войны и получившая широкое распространение и в других капиталистических странах;
форма современного механицизма. Приверженцы кибернетики определяют ее как универсальную науку о связях и коммуникациях в технике, в живых существах и общественной жизни, о «всеобщей организации» и управлении всеми процессами в природе и обществе. …По существу своему кибернетика направлена против материалистической диалектики, современной научной физиологии, обоснованной И.П. Павловым, и
марксистского, научного понимания законов общественной жизни. Эта механистическая метафизическая лженаука отлично уживается с идеализмом в философии, психологии,
социологии. …Под прикрытием пропаганды кибернетики в странах империализма происходит привлечение ученых самых различных специальностей для разработки новых приемов массового истребления людей — электронного, телемеханического,
автоматического оружия, конструирование и производство которого превратилось в крупную отрасль военной промышленности капиталистических стран».
Однако уже в 1959 году (правда, спустя 11 лет после выхода книги Н. Винера) в СССР
был создан Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика» АН СССР — активно работавший до середины 90-х годов научно-организационный центр, осуществлявший координацию научно-исследовательских работ в стране в области кибернетики и ее приложений. Совет поочередно возглавляли академики А.И. Берг (инициатор и первый руководитель Совета), Е.П. Велихов, О.М. Белоцерковский, А.П. Ершов. Совет осуществлял анализ состояния кибернетических исследований в СССР и за рубежом, определял содержание и основные направления научно-исследовательских работ по кибернетике и содействовал их развитию, осуществлял контроль за ходом выполнения работ и разработку предложений по внедрению их результатов, организовывал процессы информационного обеспечения работ и координации международных научных связей. В состав Совета входили секции: математические проблемы кибернетики; вычислительные системы; общие и
математические вопросы теории информации; техническая кибернетика; кибернетика энергетических систем; системотехники строительства, бионика; биологическая и медицинская кибернетика; математическая теория эксперимента; философские проблемы кибернетики; применение кибернетики в психологии; экономическая кибернетика;
семиотика; кибернетика и право и иные. В рамках работы секций проводились международные конференции, научные семинары, издавались сборники «Вопросы кибернетики», «Информационные материалы», «Проблемы кибернетики» и «Кибернетический сборник».
В 1961 году академик АН СССР А.И. Берг охарактеризовал кибернетику следующим образом: «Кибернетика — это наука об управлении сложными динамическими системами .
Термин „сложность» здесь применяется как философская категория. Динамические системы на производстве, в природе и в человеческом обществе — это системы, способные к развитию, к изменению своего состояния. Сложные динамические системы образуются множеством более простых или элементарных систем или элементов, взаимосвязанных и взаимодействующих. …Целью советской кибернетики является разработка и реализация научных методов управления сложными процессами для повышения эффективности человеческого труда». Изменения, произошедшие в общественной жизни с 1961 года по настоящее время не понизили актуальности приведенных слов.
В 1959 г. академик АН СССР А.Н. Колмогоров писал: «Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. При этом кибернетика широко пользуется математическим методом и стремится к получению конкретных специальных результатов, позволяющих как анализировать такого рода системы
(восстанавливать их устройство на основании опыта обращения с ними), так и синтезировать их (рассчитывать схемы систем, способных осуществлять заданные действия). Благодаря этому своему конкретному характеру кибернетика ни в какой мере не сводится к философскому обсуждению природы «целесообразности» в машинах и философскому анализу изучаемого ею круга явлений».
С самого зарождения идеи кибернетики Н. Винер указывает на информационный характер процессов управления. Более того, уже в 1943 году в своих работах он вплотную подходит к теории информации, активно разрабатывавшейся в то время К. Шенноном, (интересно, что оба ученых находились под сильным влиянием идей Б. Рассела). Благодаря тесному сотрудничеству с ученым-медиком А. Розенблютом, исследования Винера носили комплексный характер (еще раз вспомним о влиянии естественных наук на развитие и становление аналитики). Совместно изучая особенности поведения больных с нарушением
деятельности мозжечка или спинного мозга, они обнаружили подтверждение идеи о необходимости введения в контур управления объектами и системами обратной связи. Таким образом, кибернетика изначально связана с междисциплинарными проблемами, а идеи Винера нашли применение и в нейрофизиологии. Как следствие, естественным обобщением непознанного объекта типа «мозг» стала метафора «черного ящика», познание механизмов функционирования которого на тот момент было возможно лишь в результате наблюдения за его реакциями на конкретные раздражители.
Заметим, что кибернетика, как наука о функционировании систем управления, нашла массу приложений в самых различных отраслях деятельности человека. Однако первые прикладные результаты были получены в сфере управления техногенными объектами
(например, в системах наведения вооружений, управления механизмами и приводами в авиации, автоматической подстройки частоты в радиоприемных устройствах и многих других системах, функционирующих в условиях изменяющейся обстановки).
Широкое применение в кибернетике получили математические методы, связанные с определением экстремумов функций, отражающих закономерности поведения физических объектов. Активно используются методы решения систем линейных и нелинейных уравнений, методы интегрального и дифференциального исчисления и многие другие. В
сочетании с этими методами широко используется матричный аппарат. Большой интерес представляет кибернетическое направление, связанное с управлением термодинамическими системами — многие идеи, связанные со стохастическими, вероятностными свойствами процессов управления, были почерпнуты Винером именно из этой отрасли, тогда стремительно завоевывавшей позиции в физической науке.
К числу важнейших понятий кибернетики следует отнести понятия «система
(подсистема)» и «состояние».
Термину «система» в соответствие ставится некоторый материальный объект,
состоящий из других объектов, называемых его подсистемами. По существу, когда речь идет о сложных системах, речь идет не только о физических объектах, но и об отражении в сознании некоторых фрагментов реального мира и условном разделении его на подсистемы в соответствии с задачами управления или иными задачами. Данное понятие адресовано,
скорее, к пространственному воображению исследователя (аналитика), поскольку связано с понятием иерархии, обычно мыслимой в виде пирамиды.
Термину «состояние» в соответствие ставится некоторое протяженное во времени сочетание значений атрибутов (неотъемлемых свойств) системы, характеризующее ее с точки зрения применимости к ней некоторого управляющего воздействия (или их неизменной совокупности) для достижения заданного результата. Такое определение дано
специально, дабы подчеркнуть специфику кибернетического подхода, связанного с решением задач управления и указывающего на общность подходов кибернетики и аналитики. Это понятие сложно (или невозможно) определить иначе, как со ссылкой на опыт в какой-либо из отраслей деятельности.
Оба рассмотренных понятия неявным образом связаны с понятием «отношение»: в
одном случае — между системой и системой (подсистемой), в другом — между системой в предшествовавший изменению момент времени и в последовавший за ним (момент).
Соответственно, состояние системы определяется через совокупность состояний всех ее подсистем, в конечном счете — ее элементарных подсистем. При этом по числу возможных состояний различают элементарные подсистемы двух типов: дискретные подсистемы (с конечным числом состояний) и подсистемы с непрерывными состояниями или аналоговые подсистемы (при бесконечном числе состояний).
Дискретность/непрерывность может проявляться как во временной области, так и в пространстве признаков (например, напряжения нуля и единицы в интегральных логических схемах).
Тут оказывается уместным упомянуть определение предмета исследования кибернетики, данное бывшим нашим соотечественником, блестящим ученым В.Ф.
Турчиным:
«Кибернетика изучает организацию систем в пространстве и времени, то есть то,
каким образом связаны подсистемы в систему и как влияет изменение состояния одних подсистем на состояние других подсистем. Основной упор делается …на организацию во времени, которая в случае, когда она целенаправленна, называется управлением» . Для описания процессов изменения состояния системы используются такие термины, как
«динамика системы» и «организация системы во времени», однако, по замечанию В.Ф.
Турчина, более уместным здесь является именно «организация во времени». Это вызвано тем, что термины «динамическое» и «статическое» принято использовать по отношению к вариантам описания системы (ее моделям, учитывающим либо и пространство и время, либо только пространственную компоненту); будучи же примененным к системе слово
«динамика» невольно вызывает представление об однородности устройства системы.
Как уже было отмечено, в кибернетике широко используются различные методы моделирования. Весьма показателен подход к моделированию, используемый этой наукой — детализация моделей осуществляется в той степени, которая способна обеспечить заданное качество управления системой. Подсистемы наиболее низкого уровня детализации дальнейшей декомпозиции не подвергаются и рассматриваются как элементарные,
неразложимые на составные части. Следствием этого может стать такая ситуация, когда
объекты, считающиеся элементарными в некоторых моделях, будут иметь принципиально различную природу, а кибернетические модели, отражающие их взаимодействие, будут одинаковы. Соответственно, с кибернетической точки зрения эти системы будут тождественны, несмотря на те различия, которые заложены на нижнем уровне — уровне элементов. В этом-то и заключена красота исходной идеи, заложенной в основу кибернетики,
этим и была оскорблена идеологическая верхушка советской науки в начале 1950-х годов.
Хотя механицизмом это назвать было нелогично и недальновидно — ведь физики не возмущались, когда одинаковыми математическими уравнениями описывались различные процессы и явления.
Однако, вернемся к автоматному поведению, контуру управления, информационному циклу управления и обратной связи. Что подразумевается под автоматным поведением? Под автоматным поведением понимается такое поведение, при котором некоторое изменение состояния среды функционирования (существования) объекта приводит к осуществлению им действий, направленных на адаптацию к изменившимся условиям — ситуация на входе подсистемы сбора информации приводит к осуществлению системой того или иного действия.
Автоматное поведение свойственно, например, живым организмам, способным к реализации простых рефлексов. Для таких организмов справедлив подход, представляющий подсистему управления жизнедеятельностью организма в виде некоторым образом организованной системы нервных клеток (нейронов) чувствительных к изменению условий
(рецепторов , образующих подсистему сбора информации) и исполнительных (эффекторов,
образующих подсистему доведения управляющих воздействий). Состояние всех рецепторов системы в некоторый момент времени в кибернетике принято называть ситуацией, а
состояние всех эффекторов — действием. В этом случае можно утверждать, что роль,
которую исполняет подсистема управления, сводится к преобразованию ситуации в действие.
В кибернетике принято выделять два вида обратных связей между подсистемой сбора информации, образованной совокупностью некоторым образом организованных датчиков
(или рецепторов), и подсистемой доведения управляющих воздействий, представленной совокупностью исполнительных компонентов (или эффекторов). В живых организмах эти связи представлены синапсами (местами близкого размещения или контакта нервных клеток):
- положительную обратную связь, при наличии которой возбуждение рецептора вызывает возбуждение эффектора, а покой — состояние покоя;
- отрицательную обратную связь, при наличии которой возбуждение рецептора вызывает переход эффектора в состояние покоя, а покой — возбуждение.
Благодаря наличию обратной связи контур управления приобретает замкнутый вид, за счет чего появляется возможность дозирования управляющих воздействий и анализа их результатов.
Число рецепторов и эффекторов в сложных системах бывает весьма велико (а в живых организмах — и подавно), что требует эффективных механизмов обработки поступающей от них информации и управления ими. Практика исследований как в нейрофизиологии, так и в социальных и технических дисциплин указывает на то, что в этих условиях наиболее эффективными являются механизмы обработки информации и управления, построенные по иерархическому принципу. В такой системе информация о состоянии обрабатывается наиболее быстро, а разнообразие различаемых состояний для единичного рецептора или эффектора в иерархической системе сводится к минимуму.
Соответственно, для каждого элемента иерархии достаточно располагать информацией,
необходимой для выполнения лишь того набора элементарных операций, который входит в его компетенцию.
Наибольший интерес с точки зрения процессов управления представляет категория цели. В кибернетике под целью принято понимать то желаемое состояние, на достижение которого направлена управленческая деятельность. Для систем с примитивным автоматным поведением (не обладающих способностью к целеполаганию) в качестве цели управления рассматривается поддержание гомеостаза (функционального состояния системы, при котором благодаря действию специальных систем управления, именуемых гомеостатами,
обеспечивается динамическое постоянство жизненно важных функций и параметров системы при различных изменениях внутренней и внешней среды). Следует обратить внимание на то, что гомеостаз — это не есть покой или просто постоянство, гомеостаз — это состояние, обеспечиваемое динамическим процессом. При этом наравне с термином
«гомеостаз», часто пользуются и другим термином — «гомеокинез». Так, если интегральные показатели системы при отсутствии изменений внешней среды остаются постоянными, мы имеем состояние гомеостаза, а если они колеблются около некоего среднего положения,
оставаясь в определенных рамках, это — состояние гомеокинеза.
В 1952 году У.Р. Эшби47 было сформулировано понятие целеполагающего гомеостата. В качестве такого целеполагающего гомеостата им рассматривался человеческий мозг, способный через субъективно идеализированную абстракцию (модель мира субъекта целеполагания) прогнозировать возможные опасности собственному существованию и принимать превентивные меры для обеспечения собственной безопасности за счет