Информационные процессы в естественных и искусственных системах. Самоуправление

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 10 0 С. 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 0 С) 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:

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 системастремиться 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 Вхудожественной 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. З аполните и проанализируйте таблицу:

ЗАДАНИЕ 2. Компьютер является очень сложной информационной системой, которые включает в себя различные подсистемы. Выясните, какие информационные подсистемы компьютера можно отнести к самоуправляемым.

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)

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 10 3 раз. Количество информации, относящейся к организму человека в 10 11 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.

Для того, чтобы физические упражнения достигали постав­ленной цели, их надо выполнять правильно, совершенно. Со­вершенство выполнения зависит от управления движениями. Физические упражнения в биомеханике изучаются как систе­ма движений, управляемая человеком. Для лучшего овладения физическими упражнениями надо знать, как организовано уп­равление системой движений и какие изменения происходят при формировании и совершенствовании системы движений.

Самоуправляемая система включает в себя две подси­стемы - управляющую и исполнительную, которые соедине­ны каналами прямой и обратной связи между собой и внешним окружением.

Управляющая подсистема (мозг) посылает команды органам движения по каналу прямой связи (двигательные нервы). Органы движения, осуществляя действие, воздействуют на внешнее окружение (тоже прямая связь). От внешнего окружения сигналы о его состоянии и изменениях в нем по каналу об­ратной связи поступают в организм и доходят до мозга (по чувствительным нервам). Получается замкнутый (кольцевой) контур управления. Следует понимать, что в подсистему уп­равления сигналы обратной связи поступают и через подсис­тему исполнения, и непосредственно через отдельные органы чувств. Получается ряд замкнутых циклов, который обеспечивает управление по ходу движения.

Когда изучают двигательное действие как управляемую систему движений, устанавливают, каков ее состав и структу­ра. Для этого служат количественные характеристики дви­жений. По характеристикам выявляют отличающиеся друг от друга части (состав системы, т.е. ее подсистемы) . По их изменениям определяют, как эти части взаимосвязаны и вли­яют друг на друга (структура системы) . Эти характеристики дают также описание состояния системы в каждый момент.

Конечное состояние системы, заданное заранее, представ­ляет собой цель управления, к которой должен привести весь процесс управления. Достижение цели осуществляется управляющими воздействиями (командами). Они переводят систему из одного состояния в другое по определенному спо­собу, иначе говоря, определяют поведение системы.

Информация в системе движений - это сообщения о состоянии и изменениях внешнего окружения и организма, а также команды подсистемам исполнения и обеспечения.

Информация - душа управления. Она передается посредством сигналов (к центру - сообщения, от центра - команды).

Передача информации в самоуправляемой системе

Информация поступает на вход системы (прием инфор­мации) . Вход обладает способностью к восприятию сообще­ний путем реакции на них. Прием именно нужной информа­ции происходит в результате сложных процессов поиска, сбо­ра и отбора сигналов. Важно научиться быстро и точно полу­чать только нужную информацию. Далее следует переработ­ка информации (кодирование, перекодирование), сопровожда­ющаяся сложнейшим синтезом, обобщением потоков сведений, преобразованием их в команды. Движение информации за­вершается ее передачей на объект управления (его вход) и выдачей на выходе всей системы в форме действия спортсмена, направленного и на внешнее окружение, и на изменение состояния самого спортсмена.

Одновременно информация направляется на хранение в запоминающее устройство ("память системы"). Кратковременная память используется вскоре после поступления, долговременная хранится долго. Без хранения информации невозможно ничему научиться, невозможно совершенствование системы. Извлечение из памяти неизбежно при любом акте управления: оно помогает исходя из накопленного опыта найти лучшее решение задачи.

Предварительная информация отражает состояние системы и ее окружения до рассматриваемого действия, обеспечивает подготовку к нему.

Текущая информация способствует целенаправленному управлению в течение действия. Таким образом, в самоуправляемой системе осуществляется передача информации двумя путями:

а) непосредственный путь - прием, переработка, выдача;

б) с задержкой - с хранением информации в памяти и последующим ее извлечением. Участие памяти является од­ной из основ совершенствования упражнения.

Управление как способ достижения цели возможно лишь тогда, когда эта цель имеется. В двигательных действиях целью управления служит двигательная задача.

Двигательная задача - это обобщенные требования к двигательному действию, которые определяются характером предстоящего действия и общей последовательностью его этапов.

В каждом двигательном действии человека осуществляется определенная двигательная задача. Она может заключаться в достижении определенной конечной цели (забросить шайбу в ворота) либо в выполнении заданного процесса движения (выполнить комбинацию на гимнастическом коне). Решение двигательной задачи представляет собой цель управления движениями. Двигательная задача есть как бы образец того, чего еще нет ("модель потребного будущего", по Н.А. Бернштейну) .

Задача может быть поставлена извне и заранее (требования соревнований, задание тренера). Она может возникнуть произвольно у самого спортсмена. Могут быть такие сочетания внешних и внутренних причин, которые вызывают изменение двигательной задачи или появление новой.

Всегда в ее формировании так или иначе участвует информация:

а) о внешнем окружении, в котором надо выполнять задачу;

б) о состоянии готовности спортсмена;

в) о прошлом опыте (информация, извлеченная из памяти). Будущее формируется на основе настоящего и прошлого.

Если задача отвечает на вопрос: "Чего следует достичь?", - то нужно еще получить ответ на вопрос: "Как этого достичь?". На этот вопрос ответ дает программа управления.

Программа управления - это выработанные состав и последовательность движений, целесообразных в конкретных условиях при решении поставленной двигательной задачи.

В процессе физического воспитания развиваются двигательные качества, формируются двигательные навыки, созда­ются возможности решения двигательных задач. С точки зре­ния управления движениями занятия физическими упражне­ниями обеспечивают накопление множества программ, накопление двигательных возможностей.

Формирование программ управления - очень многосторонний процесс, в связи с тем, что и само управление имеет много сторон. Так, необходимы программы подготовки - предварительных изменений состояния системы перед действием и в ходе самого действия, перед каждой его фазой; программы выбора - определения варианта, наиболее соответствующего изменяющимся условиям; программы слежения - сопоставления фактического выполнения и оптимальной программы в данных условиях; программы цели - программы мобилиза­ции возможностей перестройки движений при помехах для со­хранения оптимального варианта действий; программы усиления - аварийные программы достижения цели даже не лучшим вариантом, использование резервов в тяжелой ситуации и др. Каждая из названных программ также требует многих более детализированных "подпрограмм", ведь управление движениями человека относится к сложнейшим процессам в мире.

Феномен управления связан со взаимодействием материальных систем. Обычно процесс управления определяют как специфическое взаимодействие особым образом организованных различных материальных образований: управляющего и управляемого. Вне взаимодействия материальных систем управление возникнуть не может. Это обстоятельство не исключает большой роли идеальных явлений при высших формах управления.

Процесс управления обусловливается сопряжением управляющего и управляемого материальных образований. Эти образования избирательны к своим «партнерам». Конкретное управляющее материальное образование становится таковым только в сопряжении со своим управляемым образованием, и, наоборот, управляемое материальное образование проявляет свойство управляемости во взаимодействии только со своим управляющим образованием. Вне взаимодействия со своим «партнером» управляющее и управляемое материальные образования низводятся до уровня просто физических систем.

Процесс управления заключается в том, что управляющее контролирует управляемое и своими воздей-

ствиями побуждает управляемое. Изменять его параметры для достижения определенных результатов". В свою очередь управляемое способствует функционированию управляющего, воздействуя на него и изменяя некоторые его параметры.

Для процессов управления характерно получение от управляемого материального образования результатов, которых непосредственно не может достигнуть управляющее материальное образование. Обычно результаты процесса управления значительно превосходят по масштабу средства, затраченные управляющим материальным образованием в вещественном и энергетическом выражении на сам акт управления. Как правило, акт управления представляет собой усиление действий управляющего материального образования за счет энергетических и других ресурсов управляемого материального образования. Затраты материальных ресурсов на процесс управления оправданы в тех случаях, когда они меньше таких затрат, идущих на достижение управляемым предопределенного управляющим результата.

Поскольку способность управления и свойство управляемости у соответствующих материальных образований становятся действительностью в процессе их взаимодействия, имеются все основания рассматривать управляющее и управляемое в их нераздельном единстве, в качестве подсистем некоторой системы, которая по существу является самоуправляемой системой. В рамках такой системы взаимодействие управляющей и управляемой подсистем выступает как процесс самоуправления. При этом не имеет значения, разделены в пространстве и во времени управляющая и управляемая подсистемы или нет. Важно

" См. А. И. Берг. О некоторых проблемах кибернетики. - «Вопросы философии», 1960, № 5.

то, что эти подсистемы взаимодействуют в рамках целостного образования по определенным законам и вне этих рамок теряют способность управления и свойство управляемости.

По происхождению самоуправляемые системы делятся на естественные и искусственные. К естественным самоуправляемым системам относятся все живые системы (начиная предположительно от вирусов и кончая растениями и животными) и социальные системы. В число искусственных самоуправляемых систем входят созданные человеком относительно автономно действующие кибернетические устройства, технические системы типа цехов и заводов-автоматов, космические станции и т. д.

Каждый конкретный процесс самоуправления отличается неповторимыми индивидуальными чертами. Вместе с тем все процессы самоуправления протекают на основе общих принципов. Что это за принципы?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим материальные предпосылки появления процессов самоуправления и те особенности самоуправляемых систем, которые их отличают от всех остальных материальных систем.

Основные материальные предпосылки появления процессов самоуправления содержатся во взаимодействии физических объектов. В материальном мире не существует изолированных объектов. Поэтому мы можем только идеально представить взаимодействие всего двух объектов, т. е. непосредственное взаимодействие. На самом деле во всех взаимодействиях всегда участвует более двух объектов. Поэтому реальные взаимодействия всегда бывают опосредованными. Это значит, что взаимное действие любых двух объектов, участвующих в конкретном взаимодействии, всегда опосредовано другими объектами, тоже участвующими в этом взаимодействии.

Опосредованность взаимодействия определяет многие его свойства", которые служат материальными предпосылками и условиями появления взаимодействий особого рода - процессов самоуправления.

В природе часто встречаются опосредованные взаимодействия, очень похожие на единичный акт управления, поскольку «слабые» взаимодействия одних объектов могут определять и определяют судьбу «сильных» взаимодействий других объектов.

Рассмотрим несколько примеров. Предположим, существует неустойчивая система, состоящая из множества взаимодействующих элементов, - большое скопление снега на крутом склоне горы. Если под влиянием слабых внешних воздействий некоторое критическое число этих элементов (снежинок) изменяет свое состояние, то равновесие системы в целом нарушается и вся система переходит в новое состояние, при котором все ее элементы становятся более устойчивыми. Так, слабый звук или незначительный механический толчок (от порыва ветра) вызывают снежную лавину, сметающую на своем пути целые деревни и городки. Все цепные реакции (взрывы) могут служить примерами таких взаимодействий.

В описанных случаях слабые взаимодействия одних объектов вызывают сильные взаимодействия других объектов. Такого рода слабые взаимодействия мы назовем пусковыми.

Бывают такие слабые взаимодействия объектов, которые выполняют функцию регулятора направления и интенсивности сильных взаимодействий других объектов. Одна застрявшая ветка может привести к образованию мели и изменению русла реки. При помощи небольшого усилия можно, выдвигая или опуская за-

" См. Б. С. Украинцев. Отображение в неживой природе. М, 1969, стр. 9 - 58.

слонку, увеличить или уменьшить расходы воды в большом канале. Ничтожные по напряжению и силе переменные электрические токи в колебательном контуре радиоприемника, соединенном с сеткой электронной лампы, вызывают изменения значительно большего по напряжению и силе анодного тока.

В этих случаях слабые взаимодействия одних объектов изменяют условия, в которых происходят сильные взаимодействия других объектов и, следовательно, изменяют интенсивность или направление сильных взаимодействий в соответствии со своим законом изменения. Мы назовем такого рода слабые взаимодействия модулирующими.

Все перечисленные взаимодействия похожи на элементарный акт управления. Это дало повод некоторым популяризаторам идей кибернетики искать образцы управления в неживой природе. В качестве подтверждения мысли о существовании управления в мире физических явлений приводилось воздействие случайно лежащего на пути лавины камня, который изменяет направление ее движения, и т. д.

Хотя рассмотренные пусковые и модулирующие взаимодействия играют важную роль в процессах самоуправления (в следующих главах мы покажем, что информационная причинность и целевое самопричинение основаны на этого типа взаимодействиях), сами по себе они все же не являются актами управления. В неживой природе эти взаимодействия возникают стихийно, нерегулярно и выражают случайные и внешние отношения объектов. Спорадически встречающееся в неживой природе усиление действия при пусковых и модулирующих взаимодействиях еще не является одним из основных принципов взаимодействия - принципом усиления, каким он становится в процессах самоуправления.

Взаимодействие объектов в неживой природе со-

вершается в соответствии с принципами наименьшего действия и наибольшей вероятности. Согласно первому принципу, для данного класса сравниваемых движений материальной системы действительным будет то движение, которое вызывается наименьшим значением физической величины, называемой действием. Этот принцип можно переформулировать как принцип наименьшей работы, которая затрачивается на действительное движение системы.

Так, например, ручей прокладывает себе русло только по такой траектории, которая связана с наименьшей затратой работы при стоке воды. Электрический разряд в воздухе (молния) происходит по траектории, следующей в направлении наименьшего электрического сопротивления, там, где воздух больше всего ионизирован, и т. д.

Согласно второму принципу (наибольшей вероятности), все физические закрытые системы переходят от статистически менее вероятного состояния к более вероятному состоянию, т. е. от большей упорядоченности и организации к меньшей упорядоченности. При этом уменьшается та доля энергии системы, которая может быть превращена в работу. Происходит необратимый процесс «обесценения» энергии, выражаемый ростом физической энтропии в соответствии со вторым началом термодинамики.

Оба эти принципа неприменимы для описания взаимодействия элементов самоуправляемой системы, самоуправляемых систем с внешней средой и друг с другом, если рассматривать процесс в целом. Если же брать отдельные элементы процесса самоуправления, то они могут быть описаны при помощи физических понятий, в том числе и упомянутых принципов.

Так, например, сидящая на нижней ветви ели белка, увидев у подножия соседнего дерева гриб, вместо того чтобы спуститься на землю и побежать за ним

кратчайшим путем, предпочитает взобраться повыше, а затем, перепрыгнув на ветви соседнего дерева, спуститься за добычей. Каждый элемент поведения белки может быть описан в строгом соответствии с физическими законами: столько-то калорий было затрачено на подъем, столько-то единиц силы было приложено, чтобы придать необходимое ускорение при прыжке, и т. д. Однако ответить на вопрос, почему белка совершила такой неэкономичный путь, почему она сперва перешла от более вероятного к менее вероятному состоянию, одна только физика не в состоянии.

При физическом взаимодействии объектов между ними происходит обмен вещества и энергии. При взаимодействии с внешней средой самоуправляемая система тоже участвует в обменных процессах. Однако характер таких обменных процессов уже иной. Все самоуправляемые системы принадлежат к классу открытых систем ". Они активно извлекают из внешней среды энергию в большем количестве, чем это необходимо для компенсации роста энтропии, обусловленного необратимыми процессами внутри самоуправляемой системы. Тем самым они обеспечивают регулярное взаимодействие своих элементов и подсистем.

Использование энергии внешней среды позволяет самоуправляемым системам быть в некотором смысле антиэнтропийными. За время существования таких систем их энтропия поддерживается на одном уровне или даже временами уменьшается, если система достаточно высоко организована и способна к прогрессивному развитию.

Так как самоуправляемые системы неизбежно изнашиваются, тенденция роста энтропии в конце концов одерживает верх над тенденцией уменьшения энт-

1 Л. Берталанфи. Общая теория систем: критический обзор - «Исследования по общей теории систем». М., 1969, стр. 37.

ропии. Антиэнтропийный характер самоуправляемых систем не вступает в противоречие со вторым началом термодинамики, так как при функционировании этих систем в роли подсистем более общих систем (среда - самоуправляемая система) второе начало распространяется и на них. Энтропия более общей системы, включающей в себя в качестве своих подсистем внешнюю среду и самоуправляемые системы, всегда возрастает.

При взаимодействии с внешней средой самоуправляемая система в целом и некоторая часть ее элементов переходят от менее вероятных состояний к более вероятным в каком-то отношении состояниям. Для того чтобы процесс самоуправления не прерывался, самоуправляемая система должна возвращаться к маловероятным состояниям. Для этого она использует энергию внешней среды, затрачивая ее для перевода некоторой части своих элементов и подсистем в маловероятные состояния.

Если рассматривать самоуправляемую систему в целом, то возобновление и поддерживание маловероятных состояний ее элементов является ведущей тенденцией процесса самоуправления. С исчезновением этой тенденции самоуправляемая система разрушается и превращается в скопище простых физических систем. Эту особенность самоуправляемых систем А. Сент-Дьердьй показал на примере различий между живыми и физическими системами и соответственно между биологическим и физическим подходами к вопросу: «Биология - это наука о невероятном, и я думаю, что в принципе для организма существенны только статистически невероятные реакции. Если бы метаболизм осуществлялся в результате ряда вероятных и термодинамически спонтанных реакций, то мы сгорели бы и вся машина остановилась бы, подобно часам, лишенным регулятора. Реакции контролируют-

ся тем, что они статистически невероятны и могу г происходить только благодаря специфическим механизмам, способным обеспечить их регулирование. Таким образом, в живом организме становятся возможными реакции, которые кажутся физику невозможными или, во всяком случае, невероятными» ".

Способность самоуправляемых систем переходить в маловероятные состояния обеспечивает им получение большого числа степеней свободы и благодаря этому высокую активность и маневренность, на много порядков превышающих активность физических систем. Активность последних не выходит за рамки динамизма ответной реакции на внешние воздействия. Такая реакция в основном определяется интенсивностью воздействия внешнего фактора, хотя по форме она во многом зависит от внутренних особенностей реагирующего объекта. Реакция физической системы сводится к противодействию внешнему для нее действию.

Если реакция физических систем непосредственно зависит от характера внешних воздействий, то активное поведение самоуправляемой системы относительно независимо от внешней среды и в большей мере определяется имманентными законами системы.

Переход самоуправляемой системы в другие состояния опосредованно зависит от изменений внешней среды. Самоуправляемые системы изменяют свое состояние таким образом, чтобы сохранялись их целостность и определенность как функционирующих систем.

Одним из ведущих принципов самоуправления является принцип активного самодвижения на основе регулярного воспроизводства маловероятных состояний системы, и ее элементов за счет извлекаемой из внешней среды энергии.

" А. Сент-Дьердьи, Введение в субмолекулярную биологию М., 1964, стр. 17.

В самоуправляемых системах сочетаются гибкость связей элементов, непрерывная изменчивость их состояний с устойчивостью протекания основных внутренних процессов системы или ее частей. Способом существования самоуправляемых систем является их функционирование, т. е. сохранение своей целостности и определенности, своей выделенности из окружающей среды через непрерывное изменение состояния системы в целом и отдельных ее частей и элементов.

Самоуправляемые системы выделяют себя из окружающей среды и не дают ей поглотить себя посредством поддерживания динамического равновесия с изменяющимися внешними условиями в соответствии с принципом активного равновесия или простого приспособления.

Простое приспособление не приводит к изменению структуры системы. Оно состоит в перестройке внутренних процессов самоуправляемой системы таким образом, чтобы была обеспечена ее целостность при изменении внешних условий в определенных пределах.

Перестройка внутренних процессов не может переходить за какие-то границы, за которыми целостность системы нарушается. Гибкость связей не может быть чрезмерной, т. е. такой, при которой исчезает сама функциональная связь и начинается распад системы.

При большом разнообразии форм простое приспособление имеет свои пределы. Если результаты воздействия внешней среды превышают возмржностч функционального изменения самоуправляемой системы, то она погибает.

Как и всякое другое приспособление, простое приспособление внутренне противоречиво. Наиболее полное приспособление всегда остро избирательно к определенным условиям и при незначительном их изменении переходит в свою противоположность,

Динамическое равновесие выражается в сохранении значений основных параметров системы. Функционирование самоуправляемых систем инвариантно в каких-то пределах изменения внешних условий в том смысле, что в основном сохраняются некоторые свойства и характеристики системы через изменчивости состояния ее частей".

В отличие от вынужденного внешними факторами изменения состояния физических систем функционирование самоуправляемых систем всегда внутренне направлено на достижение определенного результата. И эта направленность изменения состояния самоуправляемой системы для нее внутренне необходима и закономерна. Направленность поведения является фактором устойчивости функционирования самоуправляемой системы или ее функциональным инвариантом.

Каждая самоуправляемая система обладает своим комплексом функциональных инвариантов, регулирующих и направляющих ее поведение таким образом, чтобы в специфических для этой системы пределах изменения внешней среды была бы обеспечена ее выживаемость.

Выживаемостью самоуправляемой системы можно назвать такое множество ее состояний, в которых система не теряет своей целостности и не прекращает своего функционирования. Если система самопроизвольно или под давлением изменившихся внешних условий не переходит в состояние за границами этого множества, то она выживает. Если же внешние условия так сильно изменяются, что система вынуждена перейти в состояние, не охватываемое упомянутым множеством, то она теряет свою целостность, т. е. погибает как самоуправляемая система.

" См. У. Росс Эшби Введение в кибернетику М, 1959, стр. 109

Понятия «выживание», «устойчивость» и «функциональный инвариант» могут быть приведены в точное соответствие ". Об относительной устойчивости и функциональных инвариантах самоуправляемой системы имеет смысл говорить только в пределах ее выживаемости.

В качестве примеров функциональных инвариантов укажем на автоматическое поддерживание давления воздуха в салоне пассажирского самолета, сохранение заданного курса автопилотом, поддерживание в каких-то пределах температуры тела у теплокровных животных, сохранение равновесия при ходьбе животными и человеком и т. д.

Функциональная инвариантность, или планомерная направленность, поведения самоуправляемых систем связана с их целеполагающей деятельностью. Подробно об этом будет сказано в 6-й главе, а пока отметим общий для всех процессов самоуправления принцип целеполагания.

Функционирующей, т. е. самоуправляемой, система может быть при наличии какого-то минимума разнообразия ее элементов и разнообразия их связей и состояний2. Система, состоящая из одинаковых элементов или небольшого набора разных элементов, не может стать самоуправляемой. Поэтому одним из отличительных (хотя и не главных) признаков самоуправляемых систем является структурное и функциональное разнообразие их подсистем и элементов, а также большое количество реальных возможностей изменения любого параметра системы в целом или каждого ее элемента в отдельности.

Для того чтобы выжить, самоуправляемая система должна уметь различать внешние и свои собственные

" См. У. Росс Эшби. Введение в кибернетику, стр. 280.

2 См там же.

процессы, ориентироваться во внешних условиях и учитывать все их изменения, а также постоянно контролировать и согласовывать процесс самоуправления с изменяющейся обстановкой. Для самоуправляемой системы внешняя среда - это нечто во многом независимое от нее, с чем она должна считаться и к чему должна приспосабливаться, чтобы не погибнуть. По этой причине самоуправляемые системы должны активно отображать изменения внешней среды и ход своих внутренних процессов.

Ленинская теория отражения показывает, что свойство отображения присуще всей материи". Процесс отображения и все его формы, начиная от простейших в неживой природе и кончая сознанием, возникают при взаимодействии материальных объектов. Появление отображения связано с изменением одного из объектов (отображающего) в результате опосредованного воздействия на него другого объекта (отображаемого - оригинала).

Отображение представляет собой процесс, результатом которого является более или менее адекватное воспроизведение некоторых особенностей оригинала в изменении процессов в отображающем объекте. Результат процесса отображения - собственно отображение - есть продукт взаимодействия всех участвующих в нем объектов (в том числе и посредствующих). Однако отображение неправомерно отождествлять с общим результатом взаимодействия. Процесс отображения - специфическая сторона взаимодействия оригинала с отображающим объектом. Эта сторона связана только с воспроизведением на другой почве и иными средствами особенностей оригинала. Все ос-

" См. В. И. Ленин. Поли. собр. соч, т. 18, стр. 91.

тальное, что тоже входит в общий результат опосредованного взаимодействия отображаемого и отображающего объектов, не относится к содержанию отображения.

Отображение есть диалектическое единство противоположностей: единство внешнего (определяемого оригиналом содержания отображения) и внутреннего (формы изменения процесса отображающего объекта) . Поэтому оригинал всегда первичен и относительно независим от отображения, а отображение вторично, производно от оригинала и зависит от него при всех условиях.

Так или иначе отображение всегда связано с ответной реакцией отображающего на воздействие оригинала. Однако характер этой связи претерпевает коренное изменение при переходе от отображения простыми физическими системами к отображению самоуправляемыми системами других "объектов и самих себя.

При взаимодействии простых физических систем с объектами материального мира отображение оригинала сливается с реакцией отображающего объекта на воздействие оригинала. В этом случае отображение является одной из рядовых характеристик реакции, и его активность не простирается дальше примитивной активности самой реакции физической системы.

Так, например, излучение Солнца нагревает камень. Реакцией камня является повышение температуры и увеличение его объема. Факт существования Солнца как источника излучения отображается изме-

нением собственного процесса камня - разностью температур и объемов до и после облучения. Но эта разность температур и объемов есть сама реакция.

Иная картина при взаимодействии самоуправляемой системы с объектом внешней среды - оригиналом при отображении. Будучи воспроизведением свойств оригинала, отображение становится дифференцированным и в основном не сливается с реакцией, вернее, поведением системы, а выступает в роли одного из регуляторов этого поведения. Даже такая простая самоуправляемая система, как обычный холодильник, дифференцированно отображает температуру окружающего воздуха.

Поверхность холодильника либо нагревается, либо охлаждается, изменяются его геометрические размеры. Все это, конечно, входит в состав реакции холодильника как физического тела. Но это только некоторые из многих отображений внешней среды, которые не оказывают никакого влияния на его поведение. А поведение холодильника выражается в том, что при повышении температуры окружающего воздуха он чаще включает компрессор, чтобы сохранить заданную низкую температуру внутри рабочей камеры. При понижении температуры окружающего воздуха он реже включает компрессор. В роли регулятора частоты включения компрессора выступает специальное отображательное устройство внутри холодильника, которое фиксирует совпадение действительной температуры рабочей камеры с заданной. При несовпадении изменяется параметр отображательного устройства, и это изменение в форме увеличения или уменьшения геометрического размера рецептора (в данном случае сильфона) модулирует более сильное взаимодействие источника электрической энергии с электрическим мотором компрессора. В этом случае отображение не сливается с поведением системы в целом. Оно осу-

ществляется вне процесса включения и выключения компрессора, имеет другую физическую форму. Зато оно выступает в роли активного фактора, определяющего характер поведения самоуправляемой системы.

Активное отображение самоуправляемыми системами внешней среды выступает в роли явления, слабо взаимодействующего с другими процессами, составляющими энергетическую и силовую стороны самоуправления. Это отображение изменяет интенсивность, ритм и другие параметры всего того, что входит в состав самодвижения системы. Этим вызывается эффект регулирования в соответствии со свойствами внешней среды.

Итак, для того чтобы стать активным, отображение должно превратиться в относительно самостоятельный процесс, носителем которого может быть и чаще всего бывает специальный механизм (рецептор), не сливающийся полностью с механизмом, обеспечивающим «силовую» составляющую поведения системы.

Самоуправляемые системы «обзаводятся» своеобразными, как говорил Н. Винер, «органами впечатлений». Что касается живых самоуправляемых систем, то они на низших ступенях эволюции не имели специализированных органов отображения, хотя элементарная раздражимость уже являлась активным регулятором поведения простейших одноклеточных.

В дальнейшем, в ходе эволюции и усложнения живых организмов, возникли специализированные органы отображения, задачей которых было наиболее адекватное воспроизведение особенностей внешней среды в форме изменения физиологических процессов.

Следует подчеркнуть, что принцип активного отображения окружающей самоуправляемую систему среды и самоотображения является одним из главных принципов процессов самоуправления.

Для того чтобы быть активным, отображению необходимо стать коммуникабельным и принять форму, удобную для накопления и последующего сопоставления с отображениями того или иного процесса в других фазах и сравнения с подобными отображениями других процессов и т. д.

В том виде, в каком отображение возникает в рецепторах самоуправляемых систем, оно не отвечает перечисленным требованиям. Отображение некоммуникабельно из-за своей материальной формы (формы движения, посредством которой происходит изменение процесса в рецепторе под влиянием оригинала). Такую форму невозможно транслировать в пространстве, не трансформировав в другую форму движения по условиям опосредованного взаимодействия (за исключением пересылки по почте фотографий и рисунков).

Никто из людей не может передать в непосредственном виде свои ощущения тепла, холода, запаха, вкуса, цвета, осязания поверхности предмета и тем более свои обобщения, выводы, не прибегая к обозначению содержания каждого из этих отображений средствами языка, жеста, записи мысли, математической формулы, с тем чтобы эти знаки в иных формах движения, нежели форма движения самого отображения, достигли адресата и были восприняты им.

Один из свифтовских героев, а именно профессор языкознания из «Великой академии в Логадо», внес проект полного устранения всех слов для «сбережения здоровья и времени». Так как слова суть только названия вещей, он предложил носить при себе... вещи, необходимые для выражения мыслей и желаний. Можно себе представить судьбу последователей этой антиинформационной идеи.

Коммуникация отображения от рецепторов к другим элементам самоуправляемых систем или от одной самоуправляемой системы к другим подобным систе-

мам осуществляется в форме обозначенного содержания отображения или, что то же самое, в форме информации, воспринимаемой теми элементами и системами, которым предназначается передаваемое содержание отображения.

Н. Винер так и определяет понятие информации в ее качественном аспекте. С его точки зрения, информация является обозначением содержания, полученного самоуправляемой системой из внешнего мира в процессе приспособления к нему". А содержание, полученное из внешнего мира, и есть содержание отображения. Для большей корректности можно было бы сказать, что информация есть обозначение содержания отображения не только внешнего мира, но и собственных состояний самоуправляемой системы, которая имеет специализированные рецепторы, «встроенные» во все ее органы.

К вопросам информации и информационной связи мы еще вернемся в 3-й главе, а пока отметим, что в данном определении дается семантическая, а не метрическая характеристика информации.

Итак, чтобы стать активным фактором регулирования процесса функционирования, содержание отображения должно сбросить первоначальную свою материальную форму и облечься в другую материальную форму - трансформироваться в информацию. Только после этого оно может быть перенесено к исполнительным органам в виде сигналов, посредством любого подходящего процесса в канале. Поэтому информацию можно было бы определить как закодированное отображение (в том числе и опережающее).

Коммуникация содержания отображения посредством передачи информации может осуществляться при условии функционального и кодового сопряжения ре-

" См. Н. Винер, Кибернетика и общество М, 1958, стр 31.

цепторов с акцепторами. Это значит, что акцептор (адресат) должен уметь декодировать информацию, восстанавливать содержание отображения в рецепторе в форме изменения своих собственных процессов.

Все системы в неживой природе представляют собой совокупности элементов, связанных между собой взаимодействием в рамках специфической для каждой из таких систем физической целостности. Физического взаимодействия достаточно для сохранения определенности таких систем.

Элементы и подсистемы самоуправляемых систем тоже взаимодействуют физически. Такое физическое взаимодействие - обязательное условие существования самоуправляемой системы. Вместе с тем элементы самоуправляемых систем связаны не только и не столько физическими взаимодействиями. Самоуправляемые системы являются не простыми совокупностями физически взаимодействующих элементов, а сообществами этих элементов. В данном случае сообществом называется функциональная связь различных элементов в рамках целостности самоуправляемой системы. Сообщество отличается от совокупности тем, что элементы системы главным образом скрепляются общностью их согласованного, планомерно направленного участия в процессе самоуправления системы как целостного образования, общностью функциональной, предполагающей единство специализированных функций различных элементов системы. Такое сообщество является выражением функциональной целостности самоуправляемой системы.

Если совокупность элементов физических систем скрепляется только физическим взаимодействием, то сообщество элементов самоуправляемой системы, или сообщество самоуправляемых систем, скрепляется и физическим взаимодействием, и специфической для процессов самоуправления информационной связью.

Сообщество, говорил Н. Винер, простирается до того предела, до которого простирается действительная передача информации. Он даже считал возможным дать некоторую меру сообщества, измерить степень его самостоятельности, сравнивая число решений, поступающих в группу (сообщество), с числом решений, принимаемых в самой группе1.

Физические системы сохраняют свою целостность до тех пор, пока осуществляется физическое взаимодействие их элементов. В этом отношении самоуправляемые системы мало отличаются от физических систем. Если нарушается физическое взаимодействие основных элементов самоуправляемой системы, то она теряет не только физическую, но и функциональную целостность, перестает быть самоуправляемой.

Коренное отличие самоуправляемых систем от физических состоит в том, что разрыв информационных связей основных элементов приводит к утере физических связей, распаду системы и как функционирующей, и как физической целостности.

Так, например, разрушение центральной нервной системы и, следовательно, потеря информационной связи органов вызывают смерть животного, после которой начинается химическое разложение и физический распад его тела. Попытки соединить в одном улье пчел разных видов приводят к распаду пчелиного улья, так как информационные «танцы» кавказских пчел не могут быть декодированы пчелами немецкими. Нация не может существовать в виде функционального целого без единого для каждого члена этой нации языка и т. д.

1 См. Н. Винер. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. М., 1958, стр. 195.

привели в качестве основной причины разложения и распада древней «строительной бригады» смешение языков, т. е. утерю информационных связей между строителями, их разобщение, которое не позволило продолжить совместный труд по возведению этого дерзновенного сооружения. Даже самые простые гомеостаты не могут функционировать без скрепления их элементов информационными связями.

Все это дает основание в качестве одного из важных принципов самоуправления назвать принцип информационной связи элементов самоуправляемой системы, а также самоуправляемых систем в рамках сообщества.

Принципы активности поведения, активного отображения, информационной связи элементов и целеполагания тесно связаны с принципом субординации элементов и иерархичности структуры самоуправляемых систем.

Предпосылки иерархических связей прослеживаются в процессах физического взаимодействия объектов, хотя элементы физических систем в основном вступают в отношение координации. Зачатки иерархических отношений объектов содержатся в несимметричности большинства опосредованных взаимодействий в неживой природе, которая выражается отношением первичного и вторичного объектов, определяющего и определяемого взаимодействия объектов, производящего и производимого и т. д. Направленность опосредованного физического взаимодействия возникает стихийно и не играет решающей роли в физических связях элементов физических систем. Такая направленность получает развитие на более высоком структурном уровне эволюции материи в виде регулярно возобновляемого функционального отношения субординации элементов самоуправляемых систем.

Источником формирования отношения субордина-

ции служат ранее упомянутые виды опосредованных взаимодействий - запускающее и модулирующее, которые могут быть названы физической основой единичного акта управления. При таких взаимодействиях уже имеет место различие в положении и роли слабых взаимодействий одних объектов и сильных взаимодействий других объектов. Слабые взаимодействия определяют характер сильных, а сильные сами по себе не определяют слабых из-за необратимости процесса.

Информационная связь тоже обладает этой особенностью. Она всегда является направленным процессом. Эта направленность в пространстве и времени выражает некоторую зависимость адресата от источника информации, субординацию отношения источника и адресата.

Элементарный акт управления невозможен без подчинения силовых процессов несиловым - управляющим, первоисточником которых служит активное отображение, представленное информацией во всех управляющих и исполнительных элементах самоуправляемой системы. Такое подчинение выражается в изменении структуры энергетического процесса под воздействием той структуры, которую несет информация.

Содержание возникшего в рецепторе отображения окружающей среды и собственного состояния самоуправляемой системы в непосредственном виде не может стать фактором, определяющим ее поведение. Это содержание должно быть определенным образом переработано в соответствии с имманентными законами функционирования самоуправляемой системы, чтобы оно могло стать агентом управляющей подсистемы.

Переработка содержания отображения состоит в накоплении, сравнении, обогащении информации, согласовании полученной информации с информационным эквивалентом функциональных инвариантов

и т. д. Короче говоря, преобразованное в информацию содержание отображения должно быть ассимилировано управляющей подсистемой, для того чтобы превратиться в фактор управления.

Высокоорганизованные самоуправляемые системы получают информацию не только от специализированных отображательных органов. Часть информации поступает от исполнительных элементов, поскольку последние обладают способностью отображения внешнего мира изменением своих процессов. Эта информация может превратиться в фактор управления, только пройдя предварительно через управляющую подсистему. И в данном случае информация используется в соответствии с принципом субординации.

Иерархия управляющей и управляемой подсистем дополняется субординацией их элементов. В управляющей подсистеме высокоорганизованной системы имеет место соподчинение элементов, которому соответствует соподчинение различных уровней управления. Большинство элементарных рядовых актов управления связано с функционированием элементов низших уровней управления. Элементы же высших уровней высвобождаются для более ответственных актов управления в масштабах всей системы.

Иерархия элементов управляющей подсистемы обеспечивает координацию функционирования элементов, которые опосредованно и слабо связаны друг с другом физически и информационно. Кроме того, иерархия позволяет осуществлять управление и информационную связь наиболее экономичным способом и в соответствии со всеми функциональными инвариантами самоуправляемой системы.

Субординация подсистем и элементов абсолютно необходима для осуществления процесса самоуправления. Однако сам принцип субординации не может превращаться в абсолют. Это привело бы к чрезмер-

ной жесткости управления и к ослаблению функциональных возможностей самоуправляемой системы. При абсолютизации принципа субординации верхние уровни управления не считались бы с задачами низших уровней, с возможностями исполнительных элементов и с действительными результатами управления. При чрезмерно жестком управлении самоуправляемая система становится «волюнтаристической» и нежизнеспособной.

Вместе с тем иерархия не может быть и слишком расплывчатой. В этом случае «автаркия» элементов низших уровней управления и исполнительных элементов приведет к дезорганизации процесса самоуправления в целом, к нарушению важнейшего принципа самоуправления - его направленности на достижение определенного результата.

Субординация всегда относительна. Ее относительность состоит в том, что элементы низших уровней управления и исполнительные элементы в необходимых случаях могут оказывать и оказывают существенное влияние на элементы высших уровней управления и процесс самоуправления в целом 1.

Активное участие исполнительных элементов в общем процессе самоуправления реализуется на основе принципа обратной связи, который играет решающую роль в осуществлении направленного поведения самоуправляемой системы в соответствии с ее функциональными инвариантами.

Материальные предпосылки обратной связи содержатся в процессах физического взаимодействия объектов в неживой природе. При физическом взаимодействии каждый объект изменяет свое состояние под воздействием других объектов и, будучи измененным,

" См. А. И. Китов. Кибернетика. - «Физический энциклопедический словарь», т, 2. М., 1962, стр. 360, 361.

сам воздействует на другие объекты, изменяя их не только в меру своих потенций, но и в меру полученных от этих других объектов изменений своего состояния. Обратное действие каждого объекта непрерывно изменяется в соответствии с воспринятым извне воздействием. Это еще не обратная связь в полном смысле этого слова, но уже вполне реальная предпосылка ее появления на более высоком структурном уровне развивающейся материи.

Действительный процесс обратной связи неотделим от процесса самоуправления и связан с принципами активной планомерной направленности, активного отображения, информационной связи и субординации.

Обратная связь служит необходимым условием и средством контроля функционирования управляющей подсистемы со стороны элементов управляемой подсистемы, контроля соответствия действительного поведения системы ее функциональным инвариантам, средством самоконтроля управляющей подсистемы и средством устранения несоответствия акта управления внешним условиям и возможностям самоуправляемой системы.

В простейших технических системах регулирования обратная связь реализуется в форме непосредственного физического воздействия исполнительных элементов на управляющие элементы (мельничный потрясок, центробежный регулятор, гироскопический регулятор). В живых и социальных системах обратная связь осуществляется в форме информационных воздействий исполнительных элементов на управляющие.

Обратная связь посредством информационных связей отличается гибкостью, быстродействием и экономичностью в расходовании энергии. Такая обратная связь существенно не ограничивается пространством

и временем, поскольку информацию можно передавать на большие расстояния и хранить до подходящего момента.

Вместе с тем обратная связь увеличивает общую «инерцию» процесса самоуправления. Она всегда действует post factum, после того как исполнительный элемент изменил свое состояние под воздействием управляющей подсистемы.

Для действенной обратной связи имеет существенное значение тенденция расхождения или сближения фактического результата акта управления с тем результатом, который планировался управляющей подсистемой в соответствии с функциональными инвариантами самоуправляемой системы. Поэтому в процессах самоуправления обратная связь по преимуществу бывает отрицательной, т. е. способствующей ослаблению управляющего воздействия, если оно не соответствует функциональному инварианту системы в данных условиях ее функционирования.

Принцип обратной связи реализуется специфическим методом «проб и ошибок», требующим дополнительных издержек времени и затрат энергии на поиск оптимального варианта управления. Системы с наименьшей инерцией обратной связи обладают большими возможностями выживания.

Прямые и обратные связи в процессе функционирования самоуправляемой системы по структуре отличаются от опосредованного физического взаимодействия. Если последнее может совершаться как прямое и обратное действие через одни и те же посредствующие объекты, то прямые и обратные связи в форме информационных связей осуществляются разными путями и различными источниками и адресатами.

Все перечисленные принципы самоуправления присущи простейшему гомеостазису, т. е. процессу самоуправления, направленному на сохранение динамиче-

ского равновесия системы с окружающей ее средой путем поддерживания значения одного параметра в каких-то пределах. Не обладающий свойством самовоспроизведения и способностью индивидуального развития простейший гомеостат функционирует в соответствии со всеми упомянутыми принципами.

Поскольку простейший гомеостат входит непременным компонентом во всякий процесс самоуправления, все рассмотренные выше принципы могут быть отнесены к числу всеобщих принципов функционирования самоуправляемых систем.

Кроме всеобщих существуют еще и частные принципы самоуправления, в соответствии с которыми функционируют более высокоорганизованные самоуправляемые системы. Рассмотрим условия возникновения частных принципов самоуправления.

Обязательным условием функционирования более организованных по сравнению с простейшим гомеостатом систем является «память», т. е. регистрация и фиксирование материальными средствами прошлых ситуаций, в которые попадала система, и соответствующих более удачных (оптимальных по отношению к функциональным инвариантам) и менее удачных (неоптимальных) актов управления.

Материальные предпосылки появления «памяти» содержатся в свойстве объектов неживой природы сохранять в течение некоторого времени (или в течение всего последующего времени существования объекта) отображения других объектов, взаимодействовавших с ними.

Преобразование отображения в информацию в форме изменения процесса в канале информационной связи и возможность фиксирования информации в виде изменения структуры связи некоторых элементов управляющей подсистемы создают условия для образования памяти.

В свою очередь «память» служит материальным условием обобщения и обогащения содержания накопленной информации и в связи с этим прогрессивного развития самоуправляемых систем. Это развитие может быть видовым, если самоуправляемые системы обладают способностью самовоспроизведения (живые системы), и индивидуальным.

В первом случае самоуправляемые системы от поколения к поколению изменяют свои свойства и даже структуру. Во втором случае системы без изменения структуры увеличивают свою выживаемость за счет более активного и адекватного приспособления к внешней среде.

Способность высокоорганизованных самоуправляемых систем запоминать «прецеденты», связанные с актами управления, и обогащать содержание информации обусловливает накопление опыта системы, на который она опирается при осуществлении последующих актов управления в новой ситуации. Накопление опыта является процессом обучения самоуправляемой системы.

Обучение бывает двух основных видов: онтогенетическое и филогенетическое1.

Онтогенетическое обучение, осуществляющееся в течение времени существования отдельной системы, как правило, исходит из задачи сохранения функциональных инвариантов, и поэтому оно целенаправленно и планомерно. К онтогенетическому обучению способны высокоорганизованные гомеостаты. Даже такие искусственные самоуправляемые системы, как электрические «черепахи», способны к индивидуальному обучению и к выработке стереотипов поведения в сходных условиях, напоминающих условные рефлексы высокоорганизованных животных.

" См. Н. Винер. Новые главы кибернетики. М., 1963, стр. 19,

59

Помимо всеобщих принципов функционирование таких систем подчиняется еще своему частному принципу онтогенетического обучения.

Видовое, или филогенетическое, обучение осуществляется в течение времени существования вида самовоспроизводящихся самоуправляемых систем. Оно основано на стихийно осуществляющемся естественном отборе живых систем с наиболее благоприятными для выживаемости мутационными изменениями их структуры и функциональных инвариантов, фиксирующимися в коде генетической информации последующих поколений. В результате такого отбора и наследования благоприятных признаков вырабатываются и закрепляются безусловные рефлексы животных. Одновременно филогенетическое обучение высокоорганизованных животных благоприятствует эффективному их индивидуальному обучению путем накопления и использования личного опыта, прежде всего выработке условных рефлексов.

Наиболее высокоорганизованной живой системой является человек. Его филогенетическое обучение как биологического вида в основном завершено. Зато с незапамятных времен началось филогенетическое обучение нового типа - социальное обучение человека как социального вида. На первых стадиях истории человеческого общества это обучение носило стихийный характер, наподобие биологического филогенетическо го обучения. При переходе к коммунистической формации социальное филогенетическое обучение приобретает планомерный, целенаправленный характер.

Социальное филогенетическое обучение слагается из накопления обществом производственных навыков, эмпирического и теоретического знания, из приобретенного общественного опыта и развития форм общественного сознания и т. д.

Пока еще не созданы искусственные самовоспроиз-

водящиеся самоуправляемые системы. Поэтому можно говорить о частных принципах живых самоуправляемых систем, начиная от вируса и кончая человеком.

Живые системы функционируют в соответствии со всеобщими принципами самоуправления: принципом онтогенетического обучения и присущими только им принципом самовоспроизведения и принципом филогенетического обучения или пассивного и стихийного структурного приспособления в процессе эволюции вида.

Значительно более активным является приспособление, при котором самоуправляемая система не только перестраивает свои процессы применительно к изменениям внешних условий, но и изменяет сами эти условия, приводя их в соответствие своим функциональным инвариантам.

Примитивные формы активного приспособления наблюдаются у многих животных: устройство гнезд, нор, плотин для образования водоемов, запасание на зиму пищи, поиск и применение природных предметов в качестве орудий добывания пищи (африканский стервятник отыскивает подходящие камни и разбивает ими скорлупу яйца страуса, обезьяна использует сучья для сбивания плодов, отламывает и очищает веточку от листьев, чтобы добыть насекомых из щелей, и т. д.). Однако эти действия по преобразованию окружающей среды незначительны и остроизбирательны к определенным условиям.

Полностью активным приспособление становится в форме общественной практики человека. Сперва на основе эмпирического, а затем и теоретического познания объективных законов люди осуществляют производственную деятельность по преобразованию природы, т. е. коренного переустройства внешней среды жизни общества в соответствии с его потребностями.

Узкий спектр биологических возможностей выживания человека в определенной среде все меньше и меньше служит препятствием в освоении природных ресурсов.

Посредством создания искусственной среды, подогнанной к функциональным инвариантам человеческого организма, общество обеспечивает неисчерпаемые возможности своего развития.

Видимо, можно частным принципом социального, самоуправления считать принцип активного преобразования внешней среды, на основе познанных объективных законов природы и общества, применительно к потребностям общества.

На этом мы закончим краткую характеристику основных принципов самоуправления.

Опираясь на эту характеристику, можно было бы дать следующее определение процесса функционирования самоуправляемой системы: самоуправление - это планомерный и целенаправленный активный процесс выбора самоуправляемой системой своего поведения таким образом, чтобы обеспечивались ее выживаемость и дальнейшее функционирование в определенном для данной системы диапазоне изменений внешней среды.

Если самоуправляемая система способна к саморазвитию, то понятие самоуправления охватывает процессы самообучения и самосовершенствования системы в связи с изменением условий ее существования, а также подчинение в некоторых пределах самоуправляемой системой этих условий применительно к ее потребностям. .

Поскольку характер причинности в процессе самоуправления во многом раскрывается при помощи принципа информационной связи, рассмотрим эту связь и информационную причинность в следующее главе. I

Вопросы и задания:
1) Приведите примеры материальных и информационных связей в естественных системах.
Примеры материальных связей в естественных системах: физические силы (сила всемирного тяготения), энергетические процессы (фотосинтез), генетические связи (молекула ДНК), климатические связи (климат).
Примеры информационных связей в естественных системах: звуки и сигналы, которые издают животные для общения друг с другом.
2) Приведите примеры материальных и информационных связей в общественных системах.
Примеры материальных связей в общественных системах: техника (компьютер), строительные сооружения (мост через Волгу), энергосистемы (линии электропередач), искусственные материалы (пластмасса).
Примеры информационных связей в общественных системах: информационный обмен в коллективе, правила поведения.
3) Что такое самоуправляемая система? Приведите примеры.
Самоуправляемая система - управляющая система, способная к собственному программированию.
Примеры самоуправляемых систем: беспилотный летательный аппарат, марсоход.

Понятие системы

Понятие системы
Система - это сложный объект, состоящий из взаимосвязанных частей (элементов) и существующий как единое целое. Всякая система имеет определенное назначение (функцию, цель).
Первое главное свойство системы - целесообразность. Это назначение системы, главная функция, которую она выполняет.

Структура системы.
Структура - это порядок связей между элементами системы.
Всякая система обладает определенным элементным составом и структурой. Свойства системы зависят и от того, и от другого. Даже при одинаковом составе системы с разной структурой обладают разными свойствами, могут иметь разное назначение.
Второе главное свойство системы - целостность. Нарушение элементного состава или структуры ведет к частичной или полной утрате целесообразности системы.

Системный эффект
Сущность системного эффекта: всякой системе свойственны новые качества, не присущие ее составным частям.

Системы и подсистемы
Систему, входящую в состав какой-либо другой, более крупной системы, называют подсистемой.
Системный подход - основа научной методологии: необходимость учета всех существенных системных связей объекта изучения или воздействия.

Вопросы и задания:
1. Выделите подсистемы в следующих объектах, рассматриваемых в качестве систем: костюм, автомобиль, компьютер, городская телефонная сеть, школа, армия, государство.
Костюм=>брюки=>штанины=>пуговицы=>нитки. Костюм=>пиджак=>рукава=>пуговицы=>нитки.
Автомобиль=>двигатель=>трансмиссия=>системы управления=>ходовая часть=>электрооборудование=>несущая конструкция.
Компьютер=>системный блок=>оперативная память=>электронные схемы=>жесткий диск.
Городская телефонная сеть=>автоматическая телефонная станция=>соединительные узлы=>абонентская аппаратура.
Школа=>администрация=>персонал=>преподаватели=>учащиеся.
Армия=>главнокомандующий=>деление на войска=>рядовой=>автомат.
Государство=>президент=>министры=>народ.
2. Удаление каких элементов из вышеназванных систем приведет к потере системного эффекта, т.е. к невозможности выполнения их основного назначения? Попробуйте выделить существенные и несущественные элементы этих систем с позиции системного эффекта.
Костюм: существенный элемент - нитки; несущественный элемент - пуговицы.
Автомобиль: все элементы являются существенными.
Компьютер: все элементы являются существенными.
Городская телефонная сеть: все элементы являются существенными.
Школа: все элементы являются существенными.
Армия: существенные элементы - главнокомандующий, рядовой, автомат; несущественный элемент - деление на войска.
Государство: все элементы являются существенными.