книги из ГПНТБ / Сочивко В.П. Человек и автомат в гидросфере очерки системотехники

старых задач. Это и новое направление мышления, но­ вые концепции, идеи, принципы, новая методология,

своего рода прикладная философия технического про­ гресса.

Следует отметить, что обсуждение применимости новых идей и методов крайне осложняется отсутствием единого понимания основных терминов и понятий. Например, определяя комплексирование как принцип создания систе­ мы, имеющей координирующий орган, подчеркивают особенности функционирования системы. Определяя ком­ плексирование как инженерный прием, сводящийся к использованию одного физического узла (блока, прибора) при одновременном решении нескольких задач, переводят проблему в плоскость изучения структурной организации системы.

Для того чтобы избежать недоразумений, будем по воз­ можности определять используемые понятия.

- Думается, что именно комплексный подход к пробле­ ме автоматизации стимулировал развитие системной мето­ дологии, хотя необходимость в общей теории, преодоле­ вающей границы профессиональной специализации, ощу­ щалась-давно. Такого рода теорию называют по-разному: теория систем, теория организации, общая (или всеобщая) теория систем, системный анализ и'т. д.

Укажем основные причины, побуждающие по крайней мере техническую кибернетику и комплексное приборо­ строение обратить внимание на системный анализ.

- Во-первых, создаваемые автоматизированные системы управления становятся все более «анизотропными» в резуль­ тате включения в единый комплекс разнородных звеньев: вычислительных машин и человека-оператора, регуля­ торов и измерительных трактов, элементарных датчиков и сложных устройств ввода информации, встроенных подсистем контроля и разнообразных исполнительных механизмов.

Во-вторых, все более осознается необходимость про­ тиводействовать чрезмерной профессиональной специали­ зации, которая мешает взаимопониманию специалистов, разрабатывающих разные приборы (блоки, узлы) единого комплекса (сложной автоматизации системы).

В-третьих, возникает необходимость вооружить кон­ структора сложного комплекса (главного конструктора или другого лица, ответственного за конструирование комплекса в целом) методом, позволяющим рассматривать

57

систему, не утопая в деталях, прямо не определяющих функционирование системы.

В-четвертых, обнаружилось, что традиционный под­ ход по принципу «разделяй на части, изучай каждую, из них в отдельности, суммируй результаты» непригоден для анализа некоторых сложных систем, так как не все они могут быть расчленены на независимые простые части. Другими словами, инженеру-исследователю понадобился метод изучения систем, который основывается на диалек­ тико-материалистических принципах целостного рас­ смотрения явлений.

Перечисленные причины способствовали созданию мето­ дологии решения крупных проблем, основанной на концеп­ ции систем. Наиболее конкретное воплощение этой кон­ цепции с использованием вычислительных машин и других технических средств оформилось в системотехнику. В сов­ ременном ее выражении системотехника объединила ряд наук для комплексного рассмотрения тех вопросов проек­ тирования систем, которые ранее изучались изолированно отдельными научными дисциплинами.

Очевидно, что на роль общей теории систем может претендовать только такая теория, которая достаточно абстрактна для того, чтобы стать общей, но одновременно и достаточно конкретна для того, чтобы быть практически полезной.

Такая принципиально новая теория была предложена А. А. Богдановым, автором книг «Всеобщая организа­ ционная наука» (1913—1917 гг.), «Очерки всеобщей орга­ низационной науки» (1922 г.), «Тектология» (1923 г.) и др., ставших ныне библиографической редкостью. Эта разработка на многие десятилетия опередила работы других ученых (Л. фон Берталанфи, Р. Акофа, А. Рап­ попорта, У. Р. Эшби), которых сейчас принято относить к числу основоположников общей теории систем, и ие была по достоинству оценена современниками.

Необходимо отметить, что А. А. Богданов подвергался резкой и справедливой критике со стороны В. И. Ленина 1 за неправильные философские взгляды, логически при­ водящие к субъективному идеализму, за ошибки в эконо­ мических работах. Но не надо забывать, что в ряде слу­

58

конкретной научной работы А. А. Богданова \ по «Крат­ кому курсу экономической науки» которого учился целый ряд поколений русских марксистов.

Современные исследователи истории рассматриваемого вопроса отмечают [62], что многие теоретические проблемы системного подхода разработаны в книгах А. А. Богданова более полно и строго, чем в некоторых последующих работах других ученых. Более того, не остался незамечен­ ным и такой интересный факт: в работах У. Р. Эшби (вто­ рого «отца кибернетики»), отдаленных от работ А. А. Бог­ данова на полвека, обнаруживаются сходные идеи (отбор, изоморфизм, обратная связь в широком смысле слова и некоторые другие) и даже сходные примеры, иллюстри­ рующие основные концепции.

Если от истории вопроса обратиться к нашим дням, то следует заметить, что современная конкретная разра­ ботка, широкое применение и популяризация системного анализа —заслуга знаменитой американской фирмы РЭНД, одного из так называемых «мозговых центров» США, фирмы, к услугам которой чаще всего прибегают прави­ тельственные органы США и Пентагон.-

В1952 г. сотрудники Лаборатории исследования си­ стем фирмы РЭНД опубликовали фундаментальную работу «Об использовании и границах математических моделей, теории игр и системного анализа». Заметим, что сотрудни­ ком этой небольшой лаборатории является известный ученый Ньюэлл, один из создателей метода и теории эвристического программирования — все еще дискус­ сионного, но бесспорно интересного способа решения за­ дач, алгоритмически пока неразрешимых.

В1956 г. сотрудники фирмы РЭНД Канн и Манн, вы­ пустили, по-видимому, первую книгу по системному ана­ лизу. У нас широко известна книга американских авто­ ров Гуда и Макола [20], которая вышла в США годом позже.

Муки рождения новой теории продолжаются и по сей день. Достаточно сказать, что не получили общепризнан­ ного определения даже ключевые понятия теории — «си­ стема» и «структура». Два международных симпозиума (специальный семинар Международного центра синтеза в 1956 г. и симпозиум ЮНЕСКО в 1959 г.) так и не при­ няли решения по этим вопросам.1

1 См. В. И. Л е н и н. Поли. собр. соч. Изд. 5-е, т. 4, с. 35—43.

59

В 1960 г. в США прошел первый симпозиум под деви­ зом «Системы— исследование и анализ», в 1963 г. — вто­ рой, под девизом «Взгляды на общую теорию систем». В последующие годы состоялось большое число нацио­ нальных и международных конференций, где продолжа­ лось обсуждение этих вопросов.

По состоянию теории на сегодняшний день допустимо такого рода заключение: общая теория систем — это миро­ воззрение или методология, а не теория в .том смысле, который придается этому термину в современной науке. В этой методологіей подчеркиваются те аспекты предметов или событий, которые вытекают из общих свойств систем,

ане из их конкретного содержания.

Вчем же заключаются достоинства общей теории систем

сточки зрения инженера?

Инженер постоянно стремится к тому, чтобы упростить изучаемую систему, аппроксимировать ее с помощью наиболее простой модели, поддающейся математическому анализу по стандартным, апробированным методам. Тео­ рия систем, по определения У. Р. Эшби, строится именно на методах упрощения и в известном смысле представ­ ляет собой науку упрощения.

Вместе с тем следует помнить, что основное содержание системного подхода заключено не в формальном мате­ матическом аппарате, описывающем системы и решение проблем, и не в специальном математическом методе, та­ ком, как оценка неопределенности, а в его концептуаль­ ном аппарате, в его идеях, подходе и установках.

Одной из важнейших характеристик любой методоло­ гии является граница ее применимости. Знать 'эти гра­ ницы так же необходимо, как и понимать возможности собственно методологии. В противном случае могут быть допущены серьезные ошибки, связанные с использованием методов в тех областях, где они принципиально неприме­ нимы, что либо заводит исследователей в тупик, либо дает результаты, отнюдь • не способствующие установле­ нию истины. Общая теория систем, претендующая на роль всеобщей прикладной философии, до сих пор не определила своих границ. Это требует особой осторож­ ности при переносе общих идей и методов теории систем в новые области науки. Что касается основных проблем, рассматриваемых в данной книге, то нам представляется бесспорной правомочность системңого подхода, объеди­ няющего все необходимые методы, знания и действия..

60

Можно согласиться с известным утверждением, что систем­ ный подход — это «количественное выражение здравого смысла»; однако в силу незавершенности общей теории систем справедливо и другое утверждение, которое гла­ сит, что системный подход — это искусство давать пло­ хие ответы на те практические вопросы, на которые дру­ гие способы дают еще худшие ответы.

Во всяком случае, используя методологию системного анализа, полезно помнить остроумное предупреждение Л. фон Берталанфи, использованное в качестве эпиграфа к данной главе.

§ 5.

Системы, структуры, организация

•

Целое есть нечто большее, чем-сумма его частей.

Платон

Когда система становится сложной, тогда единственно пра­ вильной теорией становится теория ее упрощения.

У. Р . Эшби

Общая теория систем формируется благодаря уси­ лиям многих ученых, каждый из которых имеет в виду прежде всего интересы своей области знания.

Одной из первых наук, в которой объекты исследова­ ния стали рассматриваться с системной точки зрения, была биология. Довольно давно системные методы получили свое выражение и в некоторых психологических концеп­ циях, таких, например, как идея целостных психологи­ ческих структур (гештальтов).

Лишь в последние годы благодаря идеям кибернетики в теорию систем пришли точные методы и знаковая сим­ волика. Хотя главное, как уже говорилось, отнюдь не строгость, используемого математического аппарата и хотя в теории систем некоторые слабости математического языка проявляются особенно отчетливо, математизация этой теории имеет большое значение. Говоря о слабых сторонах математического языка, мы имеем в виду прежде всего особенности современной математики, не позво­ ляющие проводить далеко идущие аналогии, делать не­ ожиданные индуктивные выводы. Мы имеем также в виду необходимость чисто творческого, неформализуемого

61

начала в построении математической модели, достаточно хорошо и полно отображающей сложное физическое явле­ ние. Другими словами, построение математической модели начинается почти всегда как творческий акт, и только после этого появляется возможность чисто формального построения модели.

Обращает на себя внимание и такой факт: математика по содержанию не обязательно должна быть ею по форме. Это блестяще показал еще великий математик Л. Эйлер, который изложил в «Письмах немецкой принцессе» прин­ ципы математики, обойдясь без единой формулы. Мате­ матиками не осталось незамеченным и то «странное» обстоятельство, что М. В. Ломоносов не пользовался формальным, символическим аппаратом, хотя он был достаточно хорошо разработан в то время. В трудах М. В. Ломоносова нет ни одной математической формулы, что не помешало ему открыть закон сохранения вещества, сформулировать глубокие идеи о кинетической природе тепла, сконструировать ряд точных оптических приборов, выполнить большое число фундаментальных научных исследований.

Коль скоро речь идет о методологических вопросах, следует сказать о существовании неправильной трактовки термина «точные науки». Считают, что эти науки рисуют картину, абсолютно точно соответствующую реальности, а фактически математические концепции и не стремятся к тому, чтобы отражать реальную действительность абсолютно точно. Все достаточно сложные математические построения являются идеализированными моделями. На исходные условия заведомо наложены те или иные ограничения, не учитывается действие тех или иных фак­ торов. Именно в этой идеализации сила точных наук, гибкость и своегорода «целеустремленность» математи­ ческих моделей.

Рассмотренные выше вопросы математизации имеют прямое отношение к современному построению общей тео­ рии систем, начиная с определения исходных положений этой теории.

Можно без труда привести не один десяток различных определений системы. Например, математик и киберне­ тик С. К. Клини определяет систему так: «Под системой S объектов мы будем понимать (непустое) множество, класс или область R объектов, между которыми установлены некоторые соотношения». Биолог и крупный специалист

I

62

по общей теории систем Л. фон Берталанфи считает: «Система есть комплекс элементов, находящихся во вза­ имодействии». Математик и социолог Р. Акоф дает сле­ дующую формулировку: «Систему можно определить как любую сущность, концептуальную или физическую, кото­ рая состоит из взаимосвязанных зависимых частей».

Перечень сходных и резко отличных определений можно продолжить. Но если внимательно рассмотреть все извест­ ные определения и их авторские обоснования, то можно уловить некоторые моменты, общие по крайней мере для многих авторов. Попробуем выделить и свести их воедино.

У. Р. Эшби указывает, что каждый объект содержит не менее чем бесконечное множество переменных и, сле­ довательно, не менее чем бесконечное множество возмож­ ных систем. То же самое в той или иной форме повторяют другие авторы, добавляя, что любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого по­ рядка, а элемент исследуемой системы в свою очередь выступает как система более низкого порядка.

Этот момент чрезвычайно важен методологически, хотя далеко не все понимают, что речь не сводится к тому, из каких элементов синтезировать конкретную систему — из атомов, молекул или стандартных элементов и узлов современной радиоэлектроники.

Следующее положение, достаточно широко обсуждае­ мое в общей теории систем, связано с целевым назначе­ нием системы. Наиболее выпукло его формулирует Ст. Бир: «Не зная целевого назначения системы, нельзя уяснить принципы и механизмы ее устройства». И далее, привлекая внимание кажущейся абсурдностью, приводиттакой пример выявления целевой функции: «Автомобиль — это система, предназначенная для износа поршневых колец».

Близкую мысль высказывает С. Викерс: «Мы привыкли считать вещи существующими независимо от их функций: автомобиль остается автомобилем и в гараже, и на до­ роге. Это, по-видимому, неверно. Атом может быть опи­ сан только в категориях действия, и это в равной степени справедливо для организма или организации».

Представляется, что целевая функция системы тем важнее, чем сложней рассматриваемая система.

Далее, системный анализ ориентируется на потенци­ альную возможность неаддитивности сложения частей системы, т. е. на ее нелинейность. В полушутливой форме эту особенность сформулировал Л. фон Берталанфи:

63

«Зная все о том, что такое один, и зная, что один и один составляет два, мы еще не знаем всего о том, что такое два, ибо тут добавляется еще какое-то «И», и надо знать, что этот элемент «И» вносит с собой». Как продолжение этой мысли советский учёный академик В, А. Энгельгардт, обрисовывая некоторые гносеологические тенденции современного подхода к изучению объектов живого мира, в своем докладе на Втором всесоюзном совещании по фи­ лософским вопросам современного естествознания го­ ворил: «. . .Есть все основания полагать, что поиски именно этого «И» должны составить предмет дальнейших усилий будущего периода развития биологических иссле­ дований» х.

Сказанное не отрицает принцип редукционизма — принцип исследования сложной системы путем расчле­ нения ее на более простые составные части и изучения их природы и свойств, основанный на предположении, что, сводя сложное к совокупности или сумме его частей и изу­ чая последние, мы получаем знания и о свойствах исход­ ного целого. Вместе с тем принцип неаддитивности пред­ полагает потенциальную возможность ошибки при све­ дении сложного к простому.

Следует отметить, что неаддитивность сложения частей системы означает как появление новых свойств, так' и исчезновение тех свойств, которые наблюдались ранее в составных частях до их соединения в систему.

Несмотря на кажущуюся новизну системных представ­ лений, очень многое из этого нового есть хорошо забытое старое. Достаточно напомнить о так называемой гештальтпсихологии. В известном смысле это — система взглядов, в основе которой лежит принцип неаддитивности сложения составных частей, образующих структуру («гештальт» буквально означает «целостная структура»), хотя "этим принципом и не исчерпываются теоретические предпо­ сылки данного направления в психологии.

Много внимания указанному принципу уделяет У. Р. Эшби, который называет его принципом эмерджентности, понимая под эмерджентными те свойства целого,, которые не могут быть предсказаны на основе знания частей и способов их соединения.

А. А. Богданов, выдвигая на первый план принцип организованности системы, определяет этот принцип1

1 См. «Наука и жизнь», 1971, № 5, с. 8— 15.

64

через свойство целого быть больше суммы своих частей. Чем значительнее целое разнится от суммы своих частей, тем более оно организовано.

Следующий момент, важный для полного понимания особенностей системного анализа, связан с учетом таких свойств, как разнообразие и сложность систем. Довольно часто эти понятия фактически отождествляют, хотя осно­ вания для этого имеются только в отдельных случаях. Разнообразие системы — это лишь один из показателей ее сложности. Он характеризует число различных элемен­ тов структуры, но не характеризует число функциональ­ ных связей между ними, а именно функциональные связи служат важнейшим, показателем сложности системы. И лишь в совершенно однородных системах, рост которых сопровождается увеличением числа элементов и пропор­ циональным увеличением числа связей, разнообразие может адекватно выражать сложность системы.

Всякая достаточно сложная методология стремится ввести и использовать определенные нормативы. Идеаль­ ным является случай, когда можно сформулировать си­ стему аксиом, начальных требований, а также ввести спе­ циальные обозначения — символы, особенно если введение символики влечет за собой принципиальную возможность перехода к той или иной алгебре.

Будем считать, что система предполагает некоторый порядок в ее организации, или, другими словами, упоря­ доченность. Так как системы крайне разнообразны, упо­ рядоченность не ограничена пространственным расположе­ нием элементов. Это может быть любая связь, любое отно­ шение (временное, пространственное, смысловое, семан­ тическое, гармоническое, прагматическое и т. д.).

Упорядоченность выражена в структуре системы. Структура в свою очередь тоже является системой — си­ стемой отношений. Естественной формализацией струк­ туры является так называемый граф — математическое понятие пары множеств, одно из которых есть совокуп­ ность точек — вершин графа, а второе— совокупность дуг, связывающих эти вершины.

Пусть, далее, имеется отображение множества X в себя посредством соотношений

СС1 . X 1 —> X 2 »

С6 2• X 2 ~^ Л-g)

а3 : Х3 — > Хі,

а4: xt —>х4,

что графически показано на рис. 29.

Таким образом, структурой G некоторого множества

некоторая система^ отношений.

Возвращаясь к понятию «система», дадим ему следую­ щее определение.

Система С — это множество X компонент х ѵ х 2, х3,

. . ., хп, отвечающее следующим требованиям:

1)множество X не пусто;

2)отображение Р множества X в себя дает структуру G = (X, Р), являющуюся ненулевым связанным графом;

3) каждому элементу xt £ X (і = 1, 2, 3, . . ., я) может быть поставлена в соответствие некоторая функция цели ср£ (хг), а системе в целом — функция цели Ф (С), причем

п

и ф| { Х і ) = ф (С);

66