Самоуправляемые системы

САМОУПРАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМЫ

ПОНЯТЬ

Является ли субъект необходимым компонентом управления? Существуют различные точки зрения.

ПРИМЕР Гениальный русский писатель Лев Толстой, описывая «стиль управления» Кутузова во время Бородинской битвы исходил из того, что все события разворачивались в определенной мере сами собой и роль главнокомандующего сводилось к тому, чтобы не мешать общему течению событий. Напротив, Наполеон все время активно влиял на события и, в конечном счете, проиграл войну.

ПРИМЕР Бактерия попадает в среду, содержащую ядовитый для нее пеницилин. В ответ она начинает выделять особое вещество – фермент пеницелиазу, который ее разрушает. Когда весь пеницилин разрушен, синтез фермента прекращается.

ПРИМЕР Человек начинает бег. Пульс у него немедленно ускоряется и в результате снабжение мышц кислородом увеличивается и они получают больше энергии для своей работы.

ПРИМЕР Особое значение в биологии имеют особый вид реакции – гомеостаз, поддерживающей постоянство внутренней среды организма, например, температуру.

Скорость различных физиологических процессов зависит от температуры: обычно она удваивается при каждом повышении на 10⁰С. При температуре замерзания воды (или вблизи этой точки) процессы жизнедеятельности замирают, а с повышением температуры идут быстрее. Когда достигается некоторая критическая точка, скорость снова падает, так как начинается распад некоторых веществ, а при дальнейшем повышении температуры организм погибает.

Большинство растений и животных относятся к числу холоднокровных и температура их тела близка к наружной. По мере снижения температуры активность их падает. Птицы и млекопитающие способны поддерживать температуру тела на постоянном уровне (35-38 ⁰С) независимо от температуры окружающей среды. Терморегуляция осуществляется на принципе обратной связи. Если температура тела снижается, то выработка тепла возрастает, например, за счет дрожи. Уменьшаются теплопотери, например, путем уменьшения циркуляции крови в сосудах, лежащих непосредственно под кожей. Если температура тела повышается, то возрастает отдача тепла, например, в виде пота.

ПРИМЕР Как известно, в образовании этноса существенную роль играет принцип комплиментарности – неосознанная симпатия к одним людям и антипатия к другим. Например, викинги не брали тех, кого считали ненадежными, трусливыми, сварливыми или недостаточно свирепыми. Все это было очень важно, ибо речь шла о том, чтобы взять его к себе в ладью, где на каждого человека должна была пасть максимальная нагрузка и ответственность за свою жизнь и жизнь товарищей.

Эти и другие примеры наводят на мысль, что управление в ряде случаев может осуществляться без вмешательства субъекта. В этом случае возникают следующие принципиальные вопросы:

• каков механизм самоуправления;

• каким образом задается цель управления, коль скоро в не участвует субъект.

Механизм самоуправления существенным образом отличается от механизма управления, представленного на схеме §1. При самоуправлении объекты воздействуют друг на друга, стремясь стать объектами управления. При этом возможны следующие ситуации:

• воздействие одного из объектов становится доминирующим и данный объект становится «обычным» субъектом управления;

• объекты уничтожат друг друга и, возможно, всю систему;

• цели, преследуемые объектами скорректируются и наступит определенное динамическое равновесие.

Очевидно, что при самоуправлении не могут быть реализованы перспективные, стратегические цели, поскольку такие цели могут быть реализованы только субъектом. В процессе самоуправления, при достижении равновесия, как правило, происходит понижения уровня целей, до тактических, иногда даже – сиюминутных.

Следует отметить, что управление отличается от взаимодействия тем, что в процессе управления реализуются какие-либо цели. В этом смысле, притяжение планет к Солнцу является взаимодействием, а не управлением, поскольку здесь нет явно выделенной цели. С другой стороны, повышение пульса у бегущего человека трудно объяснить на основе какого-либо прямого взаимодействия, но зато здесь можно выделить определенную цель - сохранение жизни.

В случае отсутствия субъекта управления будет правильнее говорить не о «достижении цели», а о «преследовании цели», поскольку «преследовать цель» можно как осознанно (при наличие субъекта), так и неосознанно (когда речь идет о самоуправлении). В дальнейшем, во избежании путаницы, мы будем говорить о «достижении цели» только по отношению к субъекту управления, а «преследование цели» по отношению к самоуправлению.

Таким образом, процесс самоуправления описывается иной моделью, чем процесс управления, в котором участвует субъект. Основные моменты формализации, приводящие к интересующей нас модели самоуправления следующие:

• объект управления оказывает управляющее воздействие на другие объекты, т.е. берет на себя функции субъекта управления;

• в процессе самоуправления цели объектов (как субъектов управления) могут быть скорректированы;

• управляющие воздействия объекта определяются его информационной моделью всей системы управления;

• информационные модели у различных объектов могут не совпадать друг с другом.

Общая схема самоуправляемой системы выглядит следующим образом:

рис…

ПРИМЕЧАЕНИЕ Механизм самоуправления, согласно Н.Винеру, может быть объяснен на основе понятия информации, циркулирующей в системе. В данной схеме понятие «информации» конкретизировано до понятия «информационной модели»: в основе механизма самоуправления лежит информационная модель, на основе которой живое существо или созданный человеком механизм осуществляет взаимодействие с системой.

ПРИМЕР В человеческом обществе понятие «преследование цели» близко к понятию мотива. Существуют различные теоретические модели человеческих мотивов.

По Адаму Смиту, проводившему исследования в начале ХIX века на английских предприятиях, человек всегда стремиться улучшить свое экономическое положение.

По Лоуренсу и Ларошу, люди стремятся репродуцировать то поведение, которое уже приводило к ожидаемому результату.

По Маслоу, человек стремиться удовлетворить потребности в строгой иерархической последовательности: физиологические ---- безопасности и защищенности ---- социальные ---- уважения ---- самовыражения.

По МакКеланду, потребности имеют три основных составляющих: власть, успех и причастность.

По Вруму, мотивация складывается из ожидаемых результатов, вознаграждения, ценности последнего.

Существует и другая, не менее обоснованная точка зрения, что самоуправляемая система не более чем абстрактная схема, более или менее приближенная к действительности.

ПРИМЕР Считается, что рынок является самоуправляeмой системой. Послушаем, что говорит по этому поводу Н.Винер в своей знаменитой книге «Кибернетика». «…Во многих странах, распространено мнение, признанное в Соединенных штатах официальным догматом, что свободная конкуренция сама является гомеостатическим процессом, т.е. что на вольном рынке эгоизм торговцев, каждый из которых стремиться продать как можно дороже и купить как можно дешевле, в конце концов приведет к устойчивой динамике цен и будет способствовать наибольшему общественному благу.

Это мнение связано с очень «утешительным» воззрением, что частный предприниматель, стремясь обеспечить свою собственную выгоду, является в некотором роде общественным благодетелем и поэтому заслуживает больших наград, которыми общество его осыпает. К сожалению, факты говорят против этой простодушной теории. Рынок – игра, находящая свое подобие в семейной игре, под названием «монополия". Она строго подчинена теории игр, которую разработали фон Нейман и Моргенштерн…Это рыночная игра, в которую играют вполне разумные, но совершенно беззастенчивы дельцы…Побуждаемые своей собственной алчностью, отдельные игроки образую коалиции; но эти коалиции обычно не устанавливаются каким-нибудь одним определенным образом и обычно кончаются столпотворением измен, ренегатста и обманов. Это точная картина высшей деловой жизни и тесно связанной с ней политической, дипломатической и военной жизни. Даже самого блестящего маклера ждет разорение. Но, допустим, что маклерам это надоело и они согласились жить в мире между собой. Тогда награда достанется тому, кто, выбрав удачный момент нарушит соглашение и предаст своих партнеров…» (Н.Винер Кибернетика. Русск. Перевод М., Наука, 1983, стр. 240-241).

В реальных системах, близких к самоуправляемым наблюдаются явления, делающие их крайне неустойчивыми. Уже давно замечено, что многие параметры самоуправляемых систем подвержены более или менее значительным колебаниям.

ПРИМЕР В рыночной экономике хорошо известны так называемые «циклы Кондратьева» - периоды стабилизации и спада. Продолжительность стабильного периода около 80 лет, после чего следует спад.

Поскольку всякая система стремиться к устойчивому состоянию, неустойчивое состояние самоуправляемой системы может разрешиться следующим образом:

• переходом к традиционной системе управления, рассмотренной в §1;

• разрушением системы;

• переход к принципиально новым формам управления.

Третья возможность будет подробно рассмотрена в четвертом параграфе. Что касается первых двух возможностей, то европейская мысль ХХ века изучила их достаточно подробно.

ПРИМЕР В художественной культуре существуют очень яркие образы разрушения самоуправляемых систем.

Одним из них является роман-антиутопия лауреата нобелевской премии У.Голдинга «Повелитель мух» и снятый по нему классический фильм. В нем показано, как сотня нормальных детей, попавших без взрослых на тропический остров, решает воспроизвести политический строй «как у взрослых» - с выборами парламента, президента, то есть через создание самоуправляемой системы. В конечном итоге эта система рухнула и образовалась жесткая диктатура.

Другим, столь же ярким примером является известный фильм Ф. Феллини «Репетиция оркестра». Восстав против дирижера, оркестранты создали общий хаос, который привел к разрушению и гибели. Только вернувшись к музыке и, вcпомнив про дирижера, они спасли себя.

ЗНАТЬ

Управление может осуществляться без управляющего субъекта при выполнении следующих условий:

• один из объектов управления оказывает управляющее воздействие на другие объекты, т.е. берет на себя функции субъекта управления;

• в процессе самоуправления цели объектов (как субъектов управления) корректируются, это приводит, в частности, к тому, что в нем могут быть достигнуты только тактические цели;

Механизм самоуправления, согласно Н.Винеру, может быть объяснен на основе понятия информации, циркулирующей в системе. В данном параграфе понятие «информации» конкретизировано до понятия «информационной модели»: в основе механизма самоуправления лежит информационная модель, на основе которой живое существо или созданный человеком механизм осуществляет взаимодействие с системой.

В реальных системах, близких к самоуправляемым, многие параметры подвержены более или менее значительным колебаниям.

УМЕТЬ

ЗАДАНИЕ 1. Заполните и проанализируйте таблицу:

ВОПРОС ПРОБЛЕМА

Как известно, в живой природе и в человеческом обществе многие процессы имеют циклическую природу. Например, солнечная активность имеет период колебания в 11 лет. Иногда эти циклы связывают между собой, например, периодичность социальных катаклизмов объясняются периодичностью некоторых астрономических явлений. Правомерно ли подобное сопоставление?

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

Проследим краткую историю “совмещения” понятий “информация” и “управление” в понятии “информационные основы управления”.

Вам известно, что в течение многих веков понятие информации не раз претерпевало изменения, то расширяя, то сужая свои границы. Сначала под этим словом понимали “изложение”, “разъяснение”, “осведомленность”, затем - “сведения”, “передачу сообщений”. В ХХ веке бурное развитие получили всевозможные средства связи (телефон, телеграф, радио), назначение которых заключалось в передаче сообщений. Однако эксплуатация их выдвинула ряд проблем: как обеспечить надежность связи при наличии помех, как закодировать сообщение, чтобы при минимальной его длине обеспечить передачу смысла с определенной степенью надежности. Решение этих проблем требовали разработки теории передачи сообщения, которая с самого начала получила название теории информации.

Одним из рассматриваемых вопросов этой теории был вопрос об измерении количества информации. Для того, чтобы применить математические средства для измерения информации, потребовалось вначале отвлечься от смысла, содержания сообщений. Это привело к тому, что для информационной оценки сообщения о некотором состоянии системы (событии) используется только множество отличных друг от друга состояний системы и соответственно сообщений о них.

Например: в каком из четырех состояний (тведое, жидкое, газообразное, плазма) находится вещество? На какой из четырех путей прибудет железнодорожный состав? Какую из четырех игрушек выберет ребенок?

Во всех этих случаях имеет место неопределенность события, состоящая в выборе одной из четырех возможностей. Если в ответах на приведенные вопросы отвлечься от их смысла и вероятности получения их для получателя сообщения, то все ответы будут нести одинаковое количество информации - 2 бита.

Таким образом, количество информации в данных примерах мы определяли по формуле, предложенной Р.Хартли (см. учебник 10-го класса, глава 1, §1.5)

I(N) = log₂ N,

где N - количество равновероятных состояний системы (сообщений о состоянии системы).

Уточнением этой формулы является формула К.Шеннона для измерения количества информации:

где p_i - вероятность i-го сигнала из k возможных.

Используя различия в формулах количества информации К.Шеннона и энтропии Л.Больцмана (разные знаки), французский физик Л.Бриллюэн предложил рассматривать информацию как отрицательную энтропию систему, или негэнтропию. Так как энтропия является мерой неупорядоченности системы, то информация может быть соотнесена с мерой упорядоченности материальных систем.

Похожесть формул количества информации и энтропии привело к тому, что понятие энтропии, которое раньше применялось только для физических систем, стали применять и к системам другой природы, в которых более естественно говорить об информации.

Теория информации “переросла” рамки поставленных перед ней первоначально задач. Ее начали применять к более широкому кругу явлений. Увеличение количества информации стали связывать с повышением сложности системы, с ее прогрессивным развитием. Например, по данным некоторых исследований при переходе от атомного уровня к молекулярному количество информации увеличивается в 10³ раз. Количество информации, относящейся к организму человека в 10¹¹ раз больше информации, содержащейся в одноклеточном организме.

Поскольку не всегда возможно заранее установить перечень всех состояний системы и вычислить их вероятности, то многие ситуации не укладываются в информационную модель К.Шеннона. Развивая теорию информации, Р.Эшби предложил перейти от рассмотрения информации как “снятой неопределенности” к ее толкованию как “снятой неразличимости”. Он считал, что информация есть там, где имеется разнообразие, неоднородность. Чем больше в некотором объекте отличных друг от друга элементов и взаимосвязей между ними, тем больше этот объект содержит информации.

Исходя из результатов исследований Н.Винера и К.Шеннона, Р.Эшби открыл закон, названный законом необходимого разнообразия, который так же, как и закон Шеннона для процессов связи, может быть общим для процессов управления.

Суть его заключается в следующем. Для управления состоянием кибернетической системы нужен регулятор, ограничивающий разнообразие возмущений, которые могут разрушить систему. При этом регулятор допускает такое их разнообразие, которое необходимо и полезно для системы.

В формульном виде этот закон может быть выражен так:

Р_р = Р_в / Р_с ,

где Р_р - количество разнообразий регулятора,

Р_в - количество разнообразий возмущений,

Р_с - допустимое разнообразие системы.

В логарифмической форме этот закон имеет вид:

log Р_р = log Р_в / Р_с или log Р_р = log Р_в - log Р_с .

Если рассматривать логарифмы разнообразия как информационные содержания систем, то получим, что:

I_в = I_р + I_с.

Из этой формулы следует, что для сохранения системы сумма информационных состояний системы и регулятора должна быть равной информационному содержанию внешних возмущений.

Регулирование, возмущения - это термины, связанные с процессом управления. Поэтому закон необходимого разнообразия является одним из основных в кибернетике - науке об управлении.

Итак, понятие информации в теории информации первоначально рассматривалось применительно только к процессам связи, затем использовалось для характеристики сложности и упорядоченности материальных систем, а затем применительно к управлению системами различной природы.

РАСШИРЬ СВОЙ КРУГОЗОР

В предыдущем параграфе было отмечено, что одной из важнейших целей управления является создание и поддержания в стабильном состоянии самой системы. Естественно перенести эту цель на самоуправляемые системы. Может ли она быть реализована в процессе самоуправления.

В более общем виде можно задать вопрос: может ли система, находящаяся в хаотическом состоянии самоупорядочиться? С учетом того, что весь мир есть в какой-то степени есть система этот вопрос имеет поистине вселенское значение.

На первый взгляд кажется невероятным, чтобы так просто, из случайной смеси каких либо элементов, вдруг, сами собой без вмешательства внешней организующей силы возникли сложные высокоупорядоченные структуры. По этому поводу один из персонажей трактата Цицерона «О природе богов» - стоик Бальб восклицает «Не понимаю, почему человеку, который считает, что так может произойти, не поверить также, что если изготовить из золота или какого-либо другого материала в огромном количестве двадцать одну букву, а затем бросить эти буквы на землю, то из них сразу получатся «Анналы» Эннея, так что их сразу можно будет и прочитать».

Для смеси индеферентных тел, которая имелась в виду это действительно справедливо. Однако в предоставленной самой себе совокупности, элементы которой небезразличны друг к другу, постепенно самопроизвольно возникают структуры, все более оптимальные с точки зрения действующих в них объективных правил межэлементного взаимодействия. Иными словами, она склонна к самоупорядочиванию, к самоорганизации.

«Перво-наперво возник хаос...» - это положение является древнейшим космологическим постулатом, который в равной степени присущ как мифологии, так и самым современным научным концепциям. Из газопылевых туманностей образуются планетные системы. Бесформенные протоплазменные сгустки дают начало высокоупорядоченным организмам. Миру присуще движение от изначальной бесформенности к обретению формы, от хаоса к порядку. Здесь, правда возникает тонкий вопрос – в течение какого времени это может произойти? Если, например, время возникновения упорядоченной Вселенной из хаоса больше ее возраста, то в этом можно увидеть скорее отрицание, чем подтверждение идеи самоорганизации. На сегодняшний день можно констатировать, что идея самоорганизации, составляющая ядро новой научной дисциплины – синергетики, - чрезвычайно популярна, поскольку во-многом позволяет сохранить традиционную естественно – научную картину мира.

Проблема возникновения порядка из хаоса, дилемма принудительной организации посредством внешнего организующего начала, с одной стороны, и естественной самоорганизации, с другой, тесно связана с вопросами самодостаточности материального мира.

«Неужели же какому-нибудь здравомыслящему человеку может показаться, что все это расположение звезд, эту чудесную красоту неба могли произвести туда и сюда мечущиеся по воле слепого случая тельца. Или же какая-то другая природа, лишенная ума и разума смогла это произвести? да ведь даже для того, чтобы это понять, какого это, требуется величайший ум, и тем более – для того чтобы создать» - говорил уже упомянутый Бальб.

Ответ на этот вопрос упирается в наше мировоззрение.

В пользу идеи о самоорганизации материи (как, впрочем, и в ее отрицание) можно привести множество примеров.

Наглядно процесс самоорганизации можно продемонстрировать с помощью так называемых «клеточных автоматов», наиболее известным примером которых является игра «Жизнь».

Рассмотрим следующую игру.

Представим себе поле, разбитое на клетки. Для простоты возьмем поле небольшого размера, например 5х5 клеток. Предположим, что каждая клетка может находиться в одном из двух состояний: быть закрашенной или нет.

Пусть в начальный момент времени половина клеток была закрашена, причем эти клетка случайным образом распределены по всему полю (рис..)

Предположим далее, что в следующий момент времени какая-либо клетка изменит свое состояние на противоположное, если в ее непосредственном окружении среди соседних клеток, составляют клетки альтернативного типа и, напротив, она остается такой же какой и была, если в ее окружении преобладают, или даже не составляют меньшинства, клетки одноименного с ней типа. Повторяя этот процесс снова и снова можно приди к некоторой структуре, которая уже не будет подвергаться дальнейшим изменениям. В данном примере, это уже происходит в четвертом «поколении» клеток.

Причина этого заключается в том, что клетки в ходе игры «информируют» друг друга о своем состоянии и реагируют на нее в соответствие с установленными правилами.

В связи с эти возникает чрезвычайно важный вопрос. Предопределен ли исход самоорганизующегося процесса и можно ли в принципе предугадать итоговый результат?

В самоорганизующихся, особенно на ранних этапах эволюции возникают двусмысленные ситуации или как говорят «точки бифуркации» от которых развитие может пойти в различных направлениях в зависимости от случайных факторов (более подробно о точках бифуркации будет рассказано в следующем параграфе).

Например, в приведенной выше модели из закрашенных и не закрашенных клеток можно выделить объективную закономерность – разноименные клетки «притягиваются» друг к другу. Однако, даже несмотря на объективный характер этой закономерности в каждый конкретный момент времени существует альтернатива притяжения клеток А и В или скажем клеток А и С. В результате образуется либо устойчивая пара АВ, либо устойчивая пара АС, что в свою очередь может привести развитию системы по двум непересекающимся линиям.

В этом плане поучительным является анализ многих исторических событий: являются ли они исторически неизбежными или определяются действиями случайных (или целенаправленных) сил, приложенных к системе в точке бифуркации.

Как правило, «исторически неизбежные» события всегда имеют альтернативу и какая из них осуществиться - во многом дело случая или личностного фактора. Человек с волевыми качествами может самым решительным образом влиять на дальнейшее развитие системы, независимо от имеющихся в его распоряжении средств, если его усилия будут приложены в данном месте и в данное время.