Основные понятия кибернетики: управление, система, информация, обратная связь, функциональный подход, системный анализ, - имеют общенаучный статус в системе современной науки.
Пол системой понимается единство взаимосвязанных элементов или структур, которое отличается от простой совокупности (суммы частей, множества) наличием внутренних и внешних связей. Система обладает особыми свойствами, которые характеризуют ее как целое, определяют динамику всей системы и ее развития.
Системные свойства нельзя отнести к элементам, составляющим систему. Такие свойства называют эмерджентными92 (возникающими сами собой, как бы ниоткуда). Для них невозможно указать конкретное субстратное основание. Например, человек испытывает страх, но отнести это ощущение к определенному органу тела невозможно. В человеческом организме есть пять органов чувств, но нет органа страха. То же можно сказать об инстинктах, эмоциях, образах и мыслях.
В кибернетике принципиально различаются простые и сложные системы.
Простые системы состоят из относительно небольшого числа элементов, взаимные отношения между которыми поддаются анализу и математическому расчету. Строение простых систем мало изменяется во времени. Поэтому, можно сказать, что они не обладают внутренней динамикой. Поведение простых систем строится по принципу однозначной причинно-следственной связи, имеет линейный характер, поэтому точно прогнозируется. Система может иметь и большое число элементов, но быть простой, если все взаимодействия унифицированы, и ее поведение можно достаточно просто описать математически. К простым системам можно отнести объекты, рассматриваемые в физике или астрономии. Например, можно предсказать
 |
92 Эмерджентность (от лат. emergo – появляюсь, возникаю) – несводимость свойств системы в целом к свойствам ее элементов
положение звезды или планеты, рассчитать рост кристалла. По сравнению с кристаллом, живая клетка уже представляет систему сложную.
Сложные системы состоят из большого числа динамичных структур (подсистем), взаимодействие между которыми постоянно изменяется. Например, движущиеся потоки воздуха в атмосфере. Практически невозможно точно рассчитать их путь. Вывести точный закон в метеорологии (подобно закону движения жидкости или газа в классической механике) невозможно из-за непредсказуемости, случайности элементов, из которых складываются климатические явления. Поведение такой системы отличается фундаментальной неопределенностью. Точный расчет в этом случае заменяется вероятностным прогнозом, который более надежен в долгосрочном варианте: прогнозируется тенденция поведения системы, а не ее конкретные действия.
Под поведением в кибернетике понимается любое изменение объекта по отношению к окружающей среде. Сложные системы отличаются собственным внутренним законом поведения, или целесообразностью. Их подсистемы также могут иметь собственные цели, не всегда совпадающие с целями системы в целом. Поведение сложных систем строится по принципу обратной связи, который выделяет зависимость между воздействием на систему и ее реакцией. Если поведение системы усиливает внешнее воздействие, то имеем дело с положительной обратной связью, если уменьшает, то имеем дело с отрицательной обратной связью. Возможен и третий вариант, когда система не реагирует на внешнее воздействие, сохраняя свои параметры. Такой характер взаимосвязи системы и ее окружения называют гомеостатическим. Примером может служить постоянство температуры тела у человека, которое поддерживается организмом независимо от температуры окружающего воздуха. Правда эта независимость тоже имеет свои пределы.
Со сложными системами человек сталкивался задолго до кибернетики, управляя машинами и людьми, исследуя регуляцию жизненных процессов в природе. Однако понятие цели и целесообразности противопоставлялось представлению о естественной (объективной) причине явлений природы, сложившемуся в физике. Накопленные знания об управлении и организации носили локальный характер, и относились к области философии и искусства политики.93
 |
93 В 1843г. польский мыслитель Б.Трентовский опубликовал книгу «Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом». А.Ампер в книге «Опыт философских наук» составил новую классификацию наук, в которой кибернетика как наука о текущей политике и практическом управлении государством стоит на третьем месте.
В современной системе знания теоретическое становление кибернетики связано с выделением общих закономерностей управления сложной системой (а не специфики отдельных процессов управления в том или ином классе событий). Именно такая познавательная установка привела к оформлению совершенно новой междисциплинарной области естествознания, обращенной к исследованию целостности одной системы и систем объектов, а также природы в единстве ее взаимосвязей.
Сложные системы описываются в кибернетике не только структурно (из чего они состоят), но и функционально (как себя ведут). Главной характеристикой сложной системы выступает ее целостность. Это подчеркивается выделением инвариантов – особых структурно- функциональных свойств, которые при любых внешних воздействиях на систему остаются постоянными, не меняются в потоке событий. Инварианты системы определяют ее качество. Другими словами, представляют собой такую характерную черту системы, которая позволяет установить ее идентичность в различных условиях и в разные периоды ее развития.
Сложную динамическую систему характеризует внутренняя направленность поведения – целесообразность. Это свойство не вызывает сомнения в отношении живого организма. В технике целенаправленные машины получили название сервомеханизмов. Пример: торпеда, имеющая систему поиска цели. Целенаправленное поведение технической системы основывается на механизме обратной связи и прогнозе первого, второго и далее порядков. Поэтому наиболее точное определение кибернетики представляет ее как науку о сложных целенаправленных технических системах, которая распространяется на все возможные системы с внутренней динамикой.
В истории естествознания развитие представлений о системах было связано с выявлением универсального механизма действия. Новое время (XVII-XVIIIвв.) было веком часов, XVII-XIXвв. – веком тепловой (паровой) машины, XXв. стал веком универсальной связи и управления, принципы которого являются предметом кибернетики.
Управление понимается как процесс (особый вид движения, изменения), в котором начало и конец имеют целенаправленный характер, в отличие от физического или химического процесса, протекающего в природе на основании законов сохранения энергии или вещества (такие процессы определяются как самопроизвольные). В процессе управления определяющим является целенаправленный вызов изменений в системе или перевод ее из
одного состояния в другое в соответствии с избранной целью. Сложность такого процесса связана с необходимостью прогноза изменений, которые получит система после управляющего воздействия (например, сигнала, несущего руководящую информацию). В реализации эффективного управления (достигающего поставленной цели) существенное значение приобретает качество передачи информации, максимальное избежание разночтения (устранение ситуации «испорченный телефон»), скорость и своевременность управляющих сигналов.
Свойством управляемости обладают далеко не все системы, хотя в общей совокупности природы, конечно, все системы взаимосвязаны. Простые системы образуют уровень физических систем, сложные – уровень органических систем.
В качестве необходимого условия управляемости системы выступает ее организованность, которая связывается с наличием потенциальных возможностей выбора действия. Простую систему характеризует наличия определенной структуры. Концепции строения вещества и атома в физике раскрывает именно эту сторону простых систем. Организованность сложной системы определяется не только структурной организацией (тела), но и некоторой внутренней программой, обеспечивающей целесообразность действия. Поэтому в кибернетике особое значение придается раскрытию содержания понятия целесообразность, а также связанных с ним понятий: цель, целевая причина, целевая установка.
В истории мысли понятие целевой причины было введено Аристотелем, который таким образом разграничил принцип внутреннего действия, характерный для живой природы, и принцип внешнего действия, характерный для неживой природы. Естествознание развивалось именно как знание о действующих (физических) причинах, которое строится по принципу следования естественной логике природы. Успехи теоретической науки были достигнуты, прежде всего, в области физики, описывающей внешние действующие причины. Самый сложный период в развитии физики связан с введением в описание событий целевой установки. Именно на это указывало соотношение неопределенности Гейзенберга, устанавливающее влияние субъективного взгляда наблюдателя на выбор модели описания микропроцессов субатомного уровня (волновая модель или структурная).
В отношении биологических систем принцип целенаправленного действия был сформулирован в теориях эволюции XIXв. В качестве
природной (биологической) целесообразности поведения организма рассматривалось стремление организмов к выживанию и размножению.
В кибернетике целевая причина выступает в качестве исходной при описании сложной системы, ее поведения и управления. Эффективность процесса управления, его надежность связывается с достижением цели управления. Цель понимается абстрактно как некоторая внутренняя установка, определенная внешней средой, внутренними потребностями системы или потребностями субъекта управления. Введение в систему науки субъекта управления в его абстракции (безотносительно к Богу или человеку) – еще одно приобретение естествознания, связанное с развитием кибернетики.
Благодаря кибернетике целевая модель объяснения происходящих событий получила научный статус, вопреки ее изгнанию в область метафизики в предыдущую эпоху развития естествознания. В конце XXв. целенаправленность рассматривается очень широко – в применении к разнообразным классам систем и организации работы искусственных управляемых систем. Вводится представление об иерархии целей и акцентируется внимание на прагматических целевых установках программы. Один из принципов надежности управления в кибернетике гласит: цель управления должна быть принципиально достижимой.
2. Методология функционального подхода в научном исследовании Кибернетический способ исследования сложных систем на основе
обратной связи получил название функционального подхода, характерной
особенностью которого является установка на изучение реакций системы в ответ на внешнее воздействие сигнального характера.
Система предстает в качестве «черного ящика», имеющего вход (на который поступает некоторый сигнал) и выход (действие, реакция, программа поведения). Внутренняя структура сложной системы не конкретизируется и вообще не рассматривается, анализируются только ее наблюдаемые ответные действия и необходимые для их реализации функции.
До кибернетики подобный поведенческий подход разрабатывался в психологии. Особенно эффективно - в дрессировке животных. Поведенческий подход стал основанием бихевиоризма (behavior - англ. поведение) – популярной концепции в психологии, трактующей психику через отношение
«стимул-реакция». Кибернетика использовала поведенческий принцип для разработки абстрактных принципов эффективного управления системой.
Утверждая универсальность принципа обратной связи в изучении и конструировании сложных систем, строение которых невозможно точно описать, кибернетика распространила функциональный подход на широкий класс явлений неживой и живой природы.
В основании функционального подхода лежат две идеи:
1) общность закономерных процессов связи и управления для разнородных материальных систем;
2) взаимосвязь целесообразности и управления в организации действия системы.
Закономерности, которые открыла кибернетика, позволили выделить новую область функциональных свойств и новые объекты научного исследования - функциональные системы.
Предложенная академиком П.К.Анохиным теория функциональной системы,94 давала описание взаимосвязи систем разного уровня организации в живой природе на основе понятия опережающего отражения и информации, выделяла особое значение в функционировании сложной системы систематизирующего фактора, которым выступает результат действия. Базовым исходным принципом в теории П.К.Анохина выступил принцип единства структуры и функций, применение которого к анализу биологических систем привело к выводу, что фундаментальным фактором становления и эволюции сложных организмов в живой природе является возникновение особых функциональных органов, назначение которых – обеспечить реализацию необходимого, жизненно важного действия. Пример функционального органа - инстинкт. Более того, потребность в определенных функциях в ходе адаптации и выживания вида становится потенциальным фактором структурного изменения тех или иных систем организма. Так, в процессе эволюции человека подобные изменения могла приобрести гортань с тем, чтобы обеспечить возможность речевой функции, которая в человеческом сообществе играет роль наиболее эффективного способа коммуникации и управления поведением.
В функциональном подходе целесообразность и управление рассматриваются в качестве фундаментальных оснований живых (в общем случае, организмических, или органичных) систем. Эти основания образуют два полюса существования такой системы и оказываются так тесно переплетенными, что отдать предпочтение какому-то одному из них невозможно. Органичная система строится по принципу дополнительности. Любой элементарный процесс управления предполагает цель, а целесообразное поведение, так или иначе, управляемо. Поскольку управление всегда
|
94 Анохин П.К. Избранные труды: Философские аспекты теории функциональной системы. М.: Наука, 1978. – 400с.
имеет в основании некоторую информацию, информационные качества, связанные с потенциальными возможностями в адаптации системы, определяют ее жизненный горизонт.
Со стороны конкретных наук функциональный подход опирается на теорию информации, оперирующую понятием абстрактного информационного процесса и теорию управления, оперирующую понятием автономного процесса управления, который строится на основе обратной связи. Автономный процесс управления (самоуправление) и первичная информация в системе - две взаимно дополнительные сущности каждого элементарного действия органичной системы. Главное положение функционального подхода
– нет информации вне управления и наоборот. Таким образом, информацию можно считать и предпосылкой процесса управления и его результатом.
Общие законы, сформулированные в кибернетике, относятся к надежности управления действиями сложных систем.
Закон разнообразия: эффективное управление системой возможно только в том случае, если разнообразие управляющей системы выше разнообразия управляемой.
Закон сложности: чем выше сложность системы, тем менее она управляема. Существует порог сложности системы, за которым тотальный контроль поведения системы становится невозможным из-за нарастания системных эффектов.
3. Теория систем и системный подход в истории науки XXв.
История становления теории систем начинается еще в античности, когда формулируется представление о «едином» в отличие от «многого». В эпоху Возрождения это различие становится основанием мировоззренческой позиции, получившей название пантеизм. Главный принцип пантеизма – неразличимое единство природы и Бога. Благодаря такой установке распространяется представление о самостоятельном творчестве природы, а в описании природных явлений нематериальные силы заменяются силами физическими. В XIXв. идея единства, взаимосвязи мировых событий разного уровня (в частности, развития материи и духа) разрабатывается в немецкой классической философии. В панлогизме Гегеля заявлена идея некоторого общего принципа (абсолютной идеи) становления единства мира, единства природы и духа. Мировоззренческий контекст XIX века и развитие
эволюционных теорий в биологии способствовал распространению системных идей в начале XXв.
Системный принцип утверждается в процессе научной систематики строения растений и животных, становления эволюционного учения. Хотя этот принцип явно не выделен в биологических учениях XIXв., именно он составляет концептуальную основу теории эволюции Ламарка, теории катастроф Кювье, теории естественного отбора Дарвина.
Теория систем как междисциплинарная общенаучная концепция сложилась во второй половине ХХв. Австрийский ученый Людвиг фон Берталанфи (1901-1972) в 30-40гг. попытался дать определение понятия системы в его общем (общенаучном) значении, сформулировал принципы системного подхода и успешно применил этот подход в изучении биологических процессов. После второй мировой войны он выдвинул идею разработки общей теории систем. Его теоретическая программа включала:
1) выявление общих принципов и законов поведения систем независимо от их происхождения, природы составляющих элементов и отношений между ними;
2) выявление и формулирование объективных законов для биологических и социальных явлений;
3) синтез современного знания на основе сходства законов, описывающих разные сферы жизни природы, человека и общества.
Общая теория систем, по замыслу Берталанфи, должна была стать наукой о системах любых типов.95 Главная трудность в создании общей теории систем - различие общетеоретического и конкретного знания. Стремление к универсальности в описании систем приводило к абстрактности, более характерной для философии, чем для естествознания.
Наибольшее развитие во второй половине XX века получили прикладные математические теории моделирования поведения систем и процессов, использующие аппарат теории множеств. Однако усилия Берталанфи не пропали даром. Благодаря заявленной программе распространилась новая познавательная стратегия в естествознании, получившая название системного подхода, появились новые междисциплинарные методы исследования, новый стиль мышления.
|
95 Берталанфи Л. Общая теория систем: критический обзор // Исследования по общей теории систем. М., 1969. С. 23-82; см. также: Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. М., 1972; Садовский В.Н. Системный подход и общая теория систем: статус, основные проблемы перспективы развития // Системные исследования. 1987. М., 1987. С. 29-54
Еще одно достижение несостоявшейся теории систем связано с формированием особого класса общенаучных понятий, которые играют коммуникативную роль в развитии современного научного дисциплинарного и междисциплинарного знания, образуя своеобразный концептуальный мост между науками, использующими различные языки описания природных явлений.
В конце XX века системный подход становится общенаучной методологией и применяется практически во всех науках (естественных и социогуманитарных). В современной системе междисциплинарных знаний, сложившихся в конце века на базе системного подхода, выделяют:
- техническую кибернетику (изучающую созданные человеком, искусственные системы),
- экономическую кибернетику (исследующую приложения общих законов об управлении системами к экономике),
- биокибернетику (исследующую живые организмы, поведение и мышление человека, его высшую нервную деятельность, субстратом которой рассматривается мозг и его тонкие нейрофизиологические структуры),
- интеллектуально-информационную технологию,
- когнитивистику (в основании которой лежит теория искусственного интеллекта, обобщающая исследования мышления и интеллектуального действия на основании выбора в пространстве возможных решений, компьютерной парадигмы интеллектуального действия, информационной парадигмы в описании деятельности мозга и мышления).
4. Методология системного анализа
Применение понятий системного подхода к анализу прикладных проблем в разных сферах привело к выделению системного анализа в отдельную концептуальную и предметную область.
В предмет системного анализа входит не только изучение объекта, явления или процесса, но главным образом исследование проблемных ситуаций. Одной из главных задач системного анализа выступает постановка цели или задачи, определяющей процесс управления (самоуправления) поведением сложной системы. Теоретическую основу системного анализа составили: кибернетика, теория информации, теория игр и принятия решений, анализ систем голосования.96
|
96 Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М. 1989
Проблемы развития системного анализа связаны с заимствованием конкретных приложений и инструментария из смежных областей, уже сложившихся в науке, в частности в кибернетике и прикладной математике. Основные понятия системного анализа совпадают с аппаратом теории систем: система, целостность, элемент, структура, эмерджентность. Чтобы отделить строго научный смысл понятия «система» от обыденных ассоциаций (вроде системы отопления или системы розыгрыша кубка европейских чемпионов) предлагаются термины: органичность (org), целостность (hole), интегральность, - подчеркивающие универсальные качества системы.
Несмотря на то, что в общенаучном контексте система рассматривается как целое, в системном анализе базовым понятием выступает математическое понятие множества, которое допускает возможность применения к изучению и описанию системы различных операций. При этом подчеркивается организованность, которая позволяет говорить и исследовать структурно- функциональную архитектуру системы, которая не присутствует в математических множествах (чисто количественных).
Значение организации и организованности в начале XXв. выделил А.А.Богданов (Малиновский), опубликовавший труд «Тектология», в котором обосновывал новую науку об организации в обществе. Принцип структурной организованности в первой половине века развивается также в гештальтпсихологии, которую Берталанфи считал одним из предшественников теории систем. В гештальтпсихологии разрабатывалась динамическая теория мышления, в основании которой лежало понятие структуры мыслеобраза, или гештальта (Gestalt – нем. образ) и процесса его переструктурирования в ходе постановки и решения проблем. Динамическая теория мышления Макса Вертгеймера опиралась на: 1) принцип целостности природных процессов, из которого следует, что психические процессы определяются не единичным воздействием, а структурой воспринимаемой ситуации в целом; 2) принцип динамичности, согласно которому течение психических процессов определяется изменяющимися соотношениями, возникающими в самом процессе. Решение формируется подспудно, когда осознается структурное нарушение мыслеобраза, и возникает неожиданно (что принято обозначать термином инсайт). В процессе мышления при этом последовательно осуществляются операции: перецентрирования гештальта – мыслеобраза ситуации (переход к видению, диктуемому объективной ситуацией); изменение смысла (перестановка частей в соответствии с их
местом и ролью в данной структуре); анализ ситуации в терминах «хорошей структуры».97
В конце XX века фундаментальным понятием, раскрывающим общий смысл системности с точки зрения структурной и функциональной организации, выступает понятие архитектура, фиксирующее различие между набором элементов и целым (например, между кучей камней и зданием, между органическими молекулами и живой клеткой).
Термин «архитектура», взятый из области искусства, оказался очень конструктивным в области системного анализа, поскольку наилучшим образом позволил развести низкие уровни организованности систем (приближавшиеся к простой сумме элементов) и высокие.
В 90-х гг. XXв. методология прикладного системного анализа распространяется в сфере социальных исследований. Английские ученые Р.Флад и М.Джексон, помимо деления всех систем на простые и сложные, которые различаются по степени зависимости (независимости) от внешней окружающей среды, а также по способности эволюционировать, ввели критерий участия элементов и подсистем (групп и индивидов) в организации деятельности системы и предложили новую классификацию систем. Были выделены: унитарные системы с высокой степенью согласия относительно целей, ценностей и установок; плюралистические системы, в которых интересы и ценности различаются, но согласовываются посредством компромиссов и выработки приемлемых решений; принудительные системы, в которых различие ценностей, целей и установок приводят к конфликтам и навязыванию решений. Новая классификация определяла шесть типов систем, поскольку каждый из перечисленных типов может относиться и к простой и к сложной системе.98
Методология исследования унитарных систем объединила методы, ориентированные на исследование систем с четкой, неизменной структурой. Применение формализованных количественных методов описания поведением системы в этом случае наиболее эффективно.
|
К унитарной методологии прикладного системного анализа относят: исследование операций, системотехнику (для простых систем), методологию жизнеспособных систем, предложенную С.Биром для сложных систем.99 В основе методологии системного анализа жизнеспособной системы – аналогия
97 Вертгеймер М. Продуктивное мышление. М. 1987.
98 Плотинский Ю.М. Модели социальных процессов. М.,2001. См.: Глава 2. Основные направления прикладного системного анализа.
99 В основе методологии жизнеспособной системы – аналогия между функционированием мозга человека и управлением социальной организацией. Бир С. Мозг фирмы. М., 1993.
между функционированием мозга человека и управлением социальной организацией
Методы исследования операций имеют четкое приложение в решении задачи оптимальной организации производственных процессов.100 Нахождение оптимальных (эффективных) решений ведется на базе математики и компьютерной техники, поэтому исследование операций рассматривается как раздел информатики.
Системотехника представляет собой совокупность класса методов проектирования технических изделий, автоматов и систем автоматической обработки информации. В последнее время это направление включает интенсивно развивающуюся область компьютерного моделирования и проектирования. В конце века это направление привело к созданию CASE технологии (Computer Aided Software/ System Engineering – применение ЭВМ для проектирования систем). Эта технология предполагает моделирование систем через построение взаимосвязанных наборов графических диаграмм, а также технологию группового моделирования проблемы, в основе которой лежит метод структурного описания и анализ систем. При этом заранее предполагается, что исследуемая система простая, которая, несмотря на большое число элементов, разбивается на простые части и допускает достаточно простое формализованное описание.101
Представление об унитарных системах, которое возникает в 70-х гг. и опирается на кибернетический (функциональный, алгоритмический) подход, в применении к анализу социальных систем получило название жесткого системного подхода. Несколько десятилетий спустя в общую системную методологию вносятся изменения, которые позволяют создать более адекватные методы описания социальных систем. Этому способствует формирование представления о мягких системах, для которых характерна слабая структурированность и плюрализм внутренних установок. Принципы исследования таких систем были предложены У.Черчменом и представляли собой коммуникативную стратегию принятия коллективного решения в виде деловой игры, общая организация которой определяется установками на участие в процессе решения всех заинтересованных сторон, учет различных точек зрения, их интеграцию и синтез на уровне общего плана решения проблемы, а также обучение.
|
100 Исследование операций. Методологические основы и математические методы: в 2-х тт. / Под ред. Дж. Моудера и С. Элмаграби. М.,1981.
101 Кальянов Т.К. CASE-структурный системный анализ. М., 1996
Большое влияние на развитие прикладного системного анализа оказали труды американского ученого Р.Акоффа, который, проанализировав эволюцию организаций в XXв., ввел историческую координату в характеристику социальных систем. Он пришел к выводу, что до 60-х гг. социальные системы можно было рассматривать как унитарные, жесткие