Философия информации и сложных систем

    Состояния и фазы функционирования важны для анализа функциональных, действующих на протяжении длительного времени систем. Сам процесс функционирования (последовательность состояний во времени) познается путем выявления связей и отношений между различными состояниями. Примерами могут быть фазы сердечного ритма, сменяющие друг друга процессы возбуждения и торможения в коре головного мозга и др.

    Наконец, этапы, стадии, ступени, уровни развития выступают компонентами генетических систем. Если состояния и фазы функционирования относятся к поведению во времени системы, сохраняющей свою качественную определенность, то смена этапов развития связана с переходом системы в новое качество.

    2. Между компонентами множества,  образующего систему, существуют  системообразующие связи и отношения, благодаря которым реализуется специфическое для системы единство. Система обладает общими функциями, интегральными свойствами и характеристиками, которыми не обладают ни составляющие ее элементы, взятые по отдельности, ни простая «арифметическая сумма» элементов. Иначе говоря, свойства системы в целом неаддитивны по отношению к свойствам ее элементов и подсистем. Существенным показателем внутренней целостности системы является ее автономность, или относительная самостоятельность поведения и существования. По степени автономности можно в известной степени судить об уровне и степени их относительной организованности и самоорганизованности.

    3. Существенными характеристикамилюбых  систем являются присущие им  организация и структура, с которыми тесно связано математическое описание систем.

    4. Любая система существует лишь  в определенных границах изменений  ее свойств, поэтому обычно  задаются максимальные и минимальные значения ее переменных.

    5. Относительность понятий «компонент»  («элемент») и «система» («структура»)  состоит в том, что любая система может, в свою очередь, выступать в качестве компонента или подсистемы более широкой системы. С другой стороны, компоненты, выступающие при анализе системы как нерасчлененные целые, при более детальном рассмотрении (микроанализе) сами по себе проявляют себя как системы. В любом случае (и именно это служит основой для расчленения системы на подсистемы) связи элементов внутри подсистемы сильнее, чем связи между подсистемами, и сильнее, чем связи между элементами, принадлежащими различным подсистемам. Существенно также то, что количество типов элементов (подсистем) ограничено, внутреннее разнообразие и сложность системы определяется, как правило, разнообразием межэлементных связей, а не разнообразием типов элементов.

    6. Для любых (и особенно высокоорганизованных) систем важно выяснить характер связи подсистем, иерархических уровней внутри системы; в системе сочетаются взаимосвязь ее подсистем по одним свойствам и отношениям и относительная независимость по другим свойствам и отношениям. В самоуправляемых системах это выражается, в частности, в сочетании централизации деятельности всех подсистем с помощью центральной управляющей инстанции с децентрализацией деятельности уровней и подсистем, обладающих относительной автономностью.

    7. Сложная система — это результат эволюции более простой системы. Система не может быть изучена, если не изучен ее генезис.

    Итак, познание того или иного объекта  как системы должно включать в  себя следующие основные моменты: а) определение структуры и организации системы; б) определение собственных (внутренних) интегральных свойств и функций системы; в) определение функций системы как реакций на выходах в ответ на воздействие других объектов на входы; г) определение генезиса системы, т.е. способов и механизмов ее образования, а для развивающихся систем — способов их дальнейшего развития.

    Особенно  важной характеристикой системы  является ее структура. Унифицированное  описание систем на структурном языке  предполагает определенные упрощения  и абстракции. Если при определении компонентов системы мы абстрагировались от их строения, рассматривая их как нерасчлененные единицы, то следующий шаг заключается в отвлечении от эмпирических свойств компонентов, от их природы (физической, биологической и пр.) при сохранении различий по качеству. Таким образом, при анализе структуры мы имеем дело с абстрактными качественно различными единицами.

    Между компонентами системы, как было отмечено выше, существуют различные связи  и отношения. Сами способы связи  и виды отношений зависят как от природы компонентов, так и от условий существования системы. Для понятия структуры специфичен особый и в то же время универсальный тип отношений и связей — отношения композиции элементов. Отношения порядка (упорядоченности) в системе существуют в двух видах: устойчивые и неустойчивые применительно к точно определенным условиям существования системы. Понятие структуры отображает устойчивую упорядоченность. Структура системы есть совокупность устойчивых связей и отношений, инвариантных по отношению к вполне определенным изменениям, преобразованиям системы. Выбор этих преобразований зависит от границ и условий существования системы. Структуры объектов (систем) того или иного класса описываются в виде законов их строения, поведения и развития.

    В заключение кратко остановимся на взаимосвязи и взаимозависимости систем и составляющих их элементов. Здесь обнаруживаются следующие диалектические закономерности [Б5].

1. Относительная самостоятельность структуры, независимость ее от элементов. При удалении из системы одного или нескольких элементов структура может остаться неизменной, а система может сохранить свою качественную определенность (в частности, работоспособность). Удаленные элементы в некоторых случаях могут быть без ущерба заменены новыми, инокачественными. В этом проявляется преобладание внутренних структурных связей над внешними.
2. Зависимость структуры от элементов. Структура не существует как независимое от элементов организующее начало, а сама определяется составляющими ее элементами. Совокупность элементов не может сочетаться произвольным образом, следовательно, способ связи элементов (структура будущей системы) частично определяется свойствами элементов, взятых для ее построения. Например, структура молекулы определяется (частично) тем, из каких атомов она состоит.
3. Относительная самостоятельность элементов, независимость их от структуры. Вхождение элемента в структуру более высокого уровня мало сказывается на его внутренней структуре. Ядро атома не изменяется, если атом войдет в состав молекулы, а микросхеме «все равно», в составе какого устройства она функционирует.
4. Зависимость элементов от структуры. Элемент может выполнять присущие ему функции только в составе системы, только в координации с соседними элементами. В некоторых случаях даже сколько-нибудь длительное сохранение элементо своей качественной определенности невозможно за пределами системы. Рука, отрезанная от тела, есть рука только по названию (пример В. И. Ленина).

    Информация  в кибернетических  системах

    Все материальные системы можно рассматривать как преобразователи информации, работающие со своими собственными кодами. Именно такой подход был развит в работах Н. М. Амосова ([А1], [А11], [Б2]). Так, на атомном уровне код состоит из элементарных частиц, на молекулярном — из атомов, главным кодом социального уровня является речь. В связи с этим Н. М. Амосовым ставится проблема взаимоотношения высших и низших кодов. Большая белковая молекула может получать информацию, передаваемую низшими кодами — элементарными частицами и отдельными атомами. Но высший код для нее — молекулярный. Если на нее подействовать, скажем, словом, то она «не поймет», так как ее качество, ее структура не в состоянии воспринимать этот слишком высокий код.

    В сложной системе Н. М. Амосов выделяет этажную структуру обработки информации. На каждом этаже функционирует своего рода транслятор, воспринимающий код низшего этажа и вырабатывающий код более высокий. При продвижении вверх информация убывает количественно (так как на каждом этаже происходит абстрагирование, отсечение множества несущественных деталей, присутствующих в низшем коде), но переходит в более высокое качество. Например, код молекул слишком низок для человека. Воздействие отдельной молекулы не может нами непосредственно восприниматься. Зато согласованное квазипериодическое движение множества молекул воздуха, проходя несколько этажей обработки, воспринимается нами как звук, затем — как слово, а на верхнем этаже переходит в понятие. Абстрагирование в этом случае заключается, например, в том, что при выделении слова из звука для нас несущественным становится тембр голоса говорящего, а при переходе к понятиям мы отвлекаемся от отдельных слов.

    Высший  код может быть разложен на знаки низшего кода, так как каждый знак высшего кода является результатом соединения определенным образом в пространстве или во времени некоторого числа низших знаков. Но заменить высший код низшим нельзя, так как переход от низшего кода к высшему есть качественный скачок.

    Остановимся на характеристике процессов регулирования  и управления в кибернетических системах (как живых, так и технических). Общей чертой всех кибернетических систем является то, что на протяжении всего периода существования они защищают сами себя от внешних возмущений ([А10], [А11], [Б19]). К этой защитной функции может быть так или иначе сведен обширный спектр более частных функций. Покажем, что основу и сущность данной функции составляют информационно-отражательные процессы.

    Под возмущением понимают воздействие  на систему, стремящееся перевести  ее из одного состояния в другое. Возмущения могут быть как внешними, так и внутренними, связанными с нарушением функционирования какого-либо органа внутри системы. Поскольку состояние системы характеризуется информационным содержанием (= разнообразием), то действие возмущения есть изменение разнообразия системы. Очевидно, не всякое изменение состояния системы совместимо с ее существованием. Так, при воздействии системы «кошка» на систему «мышь» последняя уничтожается (теряет свое прежнее качество). Таким образом, существование системы возможно лишь в определенном диапазоне изменения ее состояний.

    Если  под воздействием определенных возмущений система остается в пределах допустимых состояний (сохраняет свою качественную определенность), говорят, что она  устойчива по отношению к данному  типу возмущений. Устойчивость системы может быть достигнута двумя путями: во-первых, если на пути разнообразия возмущений ставится пассивная преграда, во-вторых, если возможна активная защита от него.

    Первый  способ защиты применяется, в основном, сравнительно примитивными животными. Примерами могут служить всевозможные раковины и панцири. Однако основным способом сохранения устойчивости кибернетических систем является активная защита, состоящая в том, что между источником возмущений и системой ставится регулятор. Основная функция регулятора — в ответ на разнообразие возмущений вырабатывать контрразнообразие компенсирующих действий.

    Процессы, происходящие во всех типах регуляторов, подчиняются фундаментальному закону, называемому законом необходимого разнообразия (У. Росс Эшби). Суть его состоит в следующем. Для того чтобы ответная реакция регулятора была адекватна возмущению, необходимо, чтобы регулятор сначала воспринял, отразил возмущение, вычленил существенную информацию о нем. А это означает, что информационная емкость (= разнообразие состояний) регулятора должно быть не меньше, чем разнообразие возмущений.

    В процессе эволюции живых существ  преимущество получили не «панцири», а  «мозги». Совершенствование технических устройств также шло по линии от пассивной к активной защите. Наиболее общим механизмом активной защиты является управление по принципу обратной связи. Возмущения — это, по большей части, непредсказуемые, случайные процессы. Система, как правило, «узнает» о возмущении лишь после того, как подвергнется его действию и окажется переведенной в другое состояние, отличное от запланированного. Различие между заданным и действительным состоянием (между целью и результатом) оказывается сигналом для приведения в действие регулятора. Цель регулирования заключается в том, чтобы уменьшать данное различие (отрицательная обратная связь).

     Рассмотрим обобщенную схему системы  с обратной связью (см. рис.) [Б14]. Стрелками показаны направления передачи информации. Система получает информацию о внешнем мире (M) и обрабатывает ее, после чего воздействует на внешний мир, передает ему часть информации (N). Известно, что только такая структура позволяет хранить и накапливать информацию. В ряде случаев количество информации, заключенной в системе, будет увеличиваться не непосредственно в результате внешнего воздействия на систему, а в результате взаимодействия потоков информации внутри самой системы. А именно, проходящий сквозь систему поток M–A–B–N взаимодействует с внутренним потоком B–C–D–A таким образом, что общее количество информации увеличивается.

    Информация, циркулирющая по замкнутому контуру A–B–C–D–A, называется к связанной информацией, и может считаться частью структуры системы. Это устойчивые знания системы о внешнем мире, те знания, которые постоянно нужны для поддержания функционирования системы. Именно накопление связанной информации противостоит естественному процессу возрастания энтропии и обусловливает прогрессивное развитие системы, т.е. закономерное усложнение ее структуры, повышение уровня организации. Как видно из схемы, связанная информация может накапливаться в результате переработки свободной информации, т.е. той информации, которой система обменивается с внешним миром (M–A–B–N).