Наука про складні системи

ПЛАН.

Поняття складної системи Поняття зворотний зв’язок Поняття доцільності Кібернетика ЕОМ і персональні комп’ютери Моделі мира.

Поняття складної системы.

Теорія відносності, вивчає універсальні фізичні закономірності, що відносяться до усього Всесвіту, і квантова механіка, вивчає закони мікросвіту, нелегкі розуміння, і тих щонайменше вони теж мають працювати з системами, що з погляду сучасної природознавства вважаються простими. Простими тому, що мені входить мало змінних, і тому взаємини з-поміж них піддається математичної опрацюванні та виведенню універсальних законов.

Проте, крім простих, існують складні системи, які з значної частини змінних отже великої кількості перетинів поміж ними. Що він більше, важче піддається предмет дослідження досягненню кінцевого результату — виведенню закономірностей функціонування даного об'єкта. Труднощі вивчення даних систем пов’язані із та обставина, що замість складніше система, тим більше в неї про эмерджентных властивостей, т. е. властивостей, яких в її частин 17-ї та що є наслідком ефекту цілісності системы.

Такі складні системи вивчає, наприклад, метеорологія — наука про кліматичних процесах. Саме оскільки метеорологія вивчає складні системи, процеси освіти погоди набагато менше відомі, ніж гравітаційні процеси, що, здавалося б, здається парадоксом. Справді, чому ми точно можемо визначити, як і точці буде перебувати Земля чи будь-яке інше небесне тіло через мільйони, але поспіль не можемо точно передбачити погоду наступного дня? Тому, що кліматичні процеси представляють значно більше складні системи, які з величезного кількості змінних і взаємодій між ними.

Поділ систем на прості складні є фундаментальним в природознавстві. Серед усіх складних систем найбільше зацікавлення представляють системи з так званої «зворотної зв’язком». Це ще одну важливу поняття сучасного естествознания.

Поняття зворотної связи.

Якщо ми вдаримо по більярдного кулі, він полетить у напрямку, в якому ми його, і зі швидкістю, з якою ми хотіли. Політ кинутого каменю теж відповідає нашому бажанню, якщо не перешкоджає цьому. Сам камінь цілком індиферентний стосовно нам. Він чинить опору, за умови що не пам’ятати закону инерции.

Зовсім іншим буде поведінка кішки, яка активно реагує нашу вплив. Отож, якщо поведінка об'єкта (поведінкою називатимемо будь-яка зміна об'єкта стосовно навколишньому середовищі) залежить від на нього, говоримо, що у такої системи є зворотний — між впливом і його реакцией.

Поведінка системи може посилювати зовнішнє вплив: це й називається позитивним зворотним зв’язком. Якщо ж воно зменшує зовнішнє вплив, це негативна зворотний. Особливий випадок — гомеостатические зворотний зв’язок, що діють, аби зовнішнє вплив нанівець. Приклад: температура тіла людини, яка залишається постійної завдяки гомеостатическим зворотним зв’язкам. Таких механізмів в живому тілі величезне кількість. Властивість системи, залишається змін у потоці подій, називається інваріантом системы.

У кожному наш рух із метою беруть участь механізми зворотний зв’язок. Не помічаємо їхні діяння, оскільки вони включаються автоматично. Та інколи користуємося ними свідомо. Скажімо, один людина пропонує побачення, а інший повторює: так, ми зустрічаємося там й у стільки-то. Це зворотний, що робить домовленість більш надійної. Механізм зворотного зв’язку та покликаний зробити систему більш стійкою, надійної і эффективной.

У широкому значенні поняття зворотний зв’язок «означає, що коли частина вихідний енергії апарату чи машини повертається на вхід… Позитивна зворотна зв’язок додається до вхідним сигналам, вона коригує їх. Термін „зворотний“ застосовується й у вужчому сенсі для позначення те, що поведінка об'єкта управляється величиною помилки у становищі об'єкта по Відношенню до деякою специфічної мети» (М. Вінер. Кибернетика.-М., 1968. С.288). Механізм зворотний зв’язок робить систему принципово інший, підвищуючи рівень її внутрішньої організованості і даючи змогу говорити про самоорганізації у цій системе.

Отже, все системи можна розділити на системи із другого зв’язком і такою. Наявність механізму зворотний зв’язок дозволяє укласти у тому, що система переслідує якісь мети, т. е. що її поведінка целесообразно.

Поняття целесообразности.

Активне поведінка системи то, можливо випадковим чи доцільним, якщо «дію чи поведінка допускає тлумачення як спрямоване на досягнення деякою мети, т. е. деякого кінцевого стану, при якому об'єкт входить у певну зв’язок у просторі чи у часі з певним іншим об'єктом чи подією. Нецеленаправленным поведінкою є така, яке не можна витлумачити таким чином» (Саме там.- З. 286).

Для позначення машин з внутрішньо цілеспрямованим поведінкою був спеціально викуваний термін «сервомеханизмы». Наприклад, торпеда, споряджена механізмом пошуку мети. Будь-яке цілеспрямоване поведінка вимагає негативною зворотний зв’язок. Вона може бути предсказывающим чи непредсказывающим. Пророцтво то, можливо першого, другого та всіх наступних порядків залежно від цього, наскільки параметрів поширюється пророцтво. Чим їх побільшає, тим досконаліший від система.

Поняття доцільності зазнало тривалу еволюцію історія людської культури. За часів панування міфологічного мислення діяльність будь-яких, зокрема неживих, тіл можна було визнана доцільною з урахуванням антропоморфізму, т. е. приписування явищам природи причин за аналогією з діяльністю людини. Філософ Аристотель в числі причин функціонування світу, поруч із матеріальної, формальної, діючої, назвав і цільову. Релігійне розуміння доцільності полягає в думці, що Бог створив світ із певної метою, отже світ у цілому целесообразен.

Наукове розуміння доцільності будувалося на виявленні в досліджуваних предметах об'єктивних механізмів целепола-гания. Бо у в Новий час наука вивчала прості системи, остільки вона скептично ставилася до поняття мети. Становище змінилося XX столітті, коли природознавство перейшла вивченню складних систем із другого зв’язком, оскільки саме цих системах існує внутрішній механізм визначення мети. Наука, яка почала дослідження такого систем, отримала назва кибернетики.

Кибернетика.

Кібернетика (від грецьк. kybernetike — мистецтво управління) — це наука про управління складними системами із другого зв’язком. Вона з кінця математики, техніки та нейрофізиології, і його цікавив цілий клас систем, як живих, і неживих, у яких існував механізм зворотний зв’язок. Засновником кібернетики з права вважається американський математик М. Вінер (1894−1964), який 1948 року книжку, що називалася «Кибернетика».

Оригінальність цієї науки у тому, що вона вивчає не речовинний склад систем і їх структуру (будова), а результат роботи даного класу систем. У кібернетиці було вперше сформульовано поняття «чорної скриньки» як устрою, яке виконує певну операцію над сьогоденням і минулим вхідного потенціалу, але котрій ми обов’язково маємо інформацію про структуру, які забезпечують виконання цієї операции.

Системи вивчаються у кібернетиці з їхньої реакцій на зовнішні впливи, інакше кажучи, за тими функцій, що вони виконують. Поруч із субстратным (речовинним) і структурним підходом, кібернетика запровадила в науковий обіг функціональний підхід як іще одна варіант системного підходу у сенсі слова.

Якщо XVII століття і почав XVIII століття — століття годин, а кінець XVII і все ХІХ століття — століття парових машин, то час є століття зв’язку й управління. У вивчення цих процесів кібернетика внесла значний внесок. Вона вивчає способи зв’язку й моделі управління, й у дослідженні їй знадобилося ще одне поняття, що було давно відомим, але вперше одержало фундаментальний статус і в природознавстві — поняття інформації (від латів. informatio — ознайомлення, роз’яснення) як заходи організованості системи на противагу поняттю ентропії як заходи неорганизованности.

Щоб ясніше стало значення інформації, розглянемо діяльність ідеального істоти, названих «демон Максвелла». Ідею такого істоти, порушує друге початок термодинаміки, Максвелл викладав у «Теорії теплоти» що вийшла 1871 року. «Коли частка зі швидкістю вище середньої наближається до дверці з відділення, А чи частка зі швидкістю нижче середньої наближається до дверці з відділення У, воротар відкриває дверцята і частка проходить через отвір; а коли частка зі швидкістю нижче середньої підходить з відділення, А чи частка зі швидкістю перевищує середню підходить з відділення У, дверцята закривається. Отже, частки більшої швидкості зосереджуються у Московському відділенні У, а відділенні Там їх концентрація зменшується. Це призводить очевидне зменшення ентропії, і коли з'єднати обидва відділення тепловим двигуном, ми, начебто, одержимо вічний двигун другого роду» (Саме там.- З. 112).

Чи може діяти «демон Максвелла»? Так, якщо одержує вигоду від майбутніх частинок інформацію про їхнє швидкості і точці удару об стіну. Це дає можливість зв’язати інформацію з ентропія. Можливо живими системах діють аналоги таких «демонів» (цього можуть претендувати, до прикладу, ферменти). Поняття інформації має велике значення, що воно в заголовок нового наукового напрями, виниклого з урахуванням кібернетики — інформатики (назва відбулося з сполуки слів інформація і математика).

Кібернетика виявляє залежності між інформацією та інші характеристиками систем. Робота «демона Максвелла» дозволяє визначити назад пропорційну залежність між інформацією і ентропія. З підвищенням ентропії зменшується інформація (бо всі усредняется) і навпаки, зниження ентропії збільшує інформацію. Зв’язок інформації з ентропія свідчить і зв’язку інформації з энергией.

Енергія (від грецьк. energeia — діяльність) характеризує загальну міру різних видів руху, і взаємодії формах: механічної, теплової, електромагнітної, хімічної, гравітаційної, ядерної. Інформація характеризує міру розмаїття систем. Ці дві фундаментальних параметра системи (які з її речовинним складом) щодо відокремлені друг від друга. Точність сигналу, передавального інформацію, залежить від кількості енергії, яку використовують передачі. Проте енергія й інформація пов’язані між собою. Вінер наводить такий приклад: «Кров, оттекающая від мозку, частку градуси тепліше, ніж кров, притекающая щодо нього» (Саме там.- З. 201).

Інформація зростає зі підвищенням розмаїття системи, але цьому його зв’язку з розмаїттям не закінчується. Однією з основних законів кібернетики є закон «необхідного розмаїття». Відповідно до ним ефективне керівництво будь-якої системою можна тільки у разі, коли різнобій керуючої системи більше розмаїття керованої системи. З огляду на зв’язок між розмаїттям та управлінням, можна сказати, чим більше маємо інформації про систему, якої збираємося управляти, тим ефективніші цей процесс.

Загальне значення кібернетики позначається у таких направлениях:

1. Філософське значення, оскільки кібернетика дає нове уявлення про мир, заснований на ролі зв’язку, управління, інформації, організованості, зворотний зв’язок, доцільності, вероятности.

2. Соціальне значення, оскільки киоернетика дає нове уявлення про суспільство як організованому цілому. Про користь кібернетики вивчення суспільства було чимало сказано вже у мить виникнення цієї науки.

3. Загальнонаукове значення у трьох сенсах: по-перше, оскільки кібернетика дає загальнонаукові поняття, які знаходяться важливими за іншими областях науки — поняття управління, сложно-динамической системи та т. п.; по-друге, тому що дає науці нові методи дослідження: імовірнісні, стохастические, моделювання на ЕОМ тощо. буд.; по-третє, адже основі функціонального підходу «сигнал — відгук» кібернетика формує гіпотези про внутрішній складі - й будову систем, які потім може бути перевірені у процесі змістовного дослідження. Наприклад, у кібернетиці вироблено правило (вперше для технічних систем), відповідно до яким у тому, щоб знайти помилку у роботі системи, необхідна перевірка роботи трьох однакових систем. По роботі двох знаходять помилку у третій. Можливо так діє і мозг.

4. Методологічне значення кібернетики залежить від того обставиною, що вивчення функціонування простіших технічних систем використовується для висування гіпотез про механізм роботи якісно складніших систем (живих організмів, мислення людини) із єдиною метою пізнання які у них процесів — відтворення життя, навчання дітей і т. п. Таке кібернетичне моделювання особливо важливо у час у багатьох областях науки, оскільки відсутні математичні теорії процесів, що протікають у непростих системах і потім доводиться обмежуватися їх простими моделями.

5. Найбільш відомо технічне значення кібернетики — створення на основі кібернетичних принципів електронно-обчислювальних машин, роботів, персональних комп’ютерів, породившее тенденцію кібернетизації і інформатизації як наукового пізнання, а й усіх сфер жизни.

ЕОМ і персональні компьютеры.

Так само, як різноманітні машини та механізми полегшують фізична праця людей, ЕОМ і персональні комп’ютери полегшують його розумову працю, замінюючи людський мозок у його найпростіших і рутинних функціях. ЕОМ діють за принципом «немає», і їх виявилося цілком достатньо, щоб зробити обчислювальні машини, хоч і поступаються людському мозку в гнучкості, але переважали його за швидкості виконання обчислювальних операцій. Аналогія між ЕОМ і мозком людини доповнюється тим, «що ЕОМ хіба що виконує роль центральної нервової системи для пристроїв автоматичного управления.

Запроваджене трохи згодом у кібернетиці поняття самообучающихся машин аналогічно відтворення живих систем. І те, й те є творення себе (у собі й інші), можливе щодо машин, як і живих систем. Навчання онтогенетически є те ж, як і самовідтворення филогенетически.

Хоч як би протікав процес відтворення, «це — динамічний процес, до складу якого якісь сили, чи їх еквівалентами. Одна з імовірних способів уявлення цих сил у тому, щоб помістити активний носій специфіки молекули в частотному будову її молекулярного випромінювання, значної частини якого, очевидно, у сфері інфрачервоних електромагнітних частот і навіть нижче. Може бути, що специфічні речовини вірусу при деяких обставин випромінюють інфрачервоні коливання, які у змозі сприяти формуванню інших молекул вірусу з невизначеною магми амінокислот і нуклеїнових кислот. Цілком можливо, що таке явище дозволено розглядати, як деяке притягальне взаємодія частот» (Саме там.- З. 281−282).

Така гіпотеза відтворення Вінера, що дозволяє запропонувати єдиний механізм самовідтворення для живих і неживих систем.

Сучасні ЕОМ значно переважають ті, що з’явилися біля підніжжя кібернетики. Ще десять тому фахівці сумнівалися, що шаховий комп’ютер коли-небудь зможе обіграти пристойного шахіста, але нині він на рівних бореться з чемпіоном світу. Те, що автомобіль мало не виграла у Каспарова з допомогою величезної швидкості перебору варіантів (100 млн. в сік. проти двох в людини) гостро порушує питання як про можливостях ЕОМ, а й тому, що таке людський разум.

Передбачалося двоє десятиліть тому, що ЕОМ будуть із роками дедалі більше потужними і масивними, але вже всупереч прогнозам найбільших учених, було створено персональні комп’ютери, котрі почали повсюдним атрибутом нашому житті. У очікується загальна комп’ютеризація й створення людиноподібних роботов.

Треба, втім, пам’ятати, що людина як логічно мисляче істота, а й творче, і це здатність — результат всієї попередньої еволюції. Якщо ж побудовано непросто людиноподібні роботи, а й переважали його за розуму, це привід як для радості, але й занепокоєння, пов’язаного і з роботизацией самого людини, і з проблемою можливого «бунту машин», виходу їх з-під контролю покупців, безліч навіть поневолення ними людини. Звісно, в XX столітті це більш, ніж далека від реальності фантастика.

Моделі мира.

Завдяки кібернетиці і творення ЕОМ однією з основних способів пізнання, які з наглядом і експериментом, став метод моделювання. Застосовувані моделі стають дедалі масштабнішими: від моделей функціонування підприємства міста і економічної галузі до комплексних моделей управління биогеоценозами, еколого-економічних моделей раціонального природокористування не більше цілих регіонів, до глобальних моделей.

У 1972;му році з урахуванням методу «системної динаміки» Дж. Форрестера були побудовано перші звані «моделі світу», націлені розвиток сценаріїв розбудови всього людства у його взаєминах із біосферою. Їх недоліки полягали у надмірно високого рівня узагальнення змінних, характеризуючих процеси, які у світі; відсутності даних про особливостях і культурні традиції різних культур тощо. буд. Проте, це дуже багатообіцяючим напрямом. Поступово зазначені недоліки долалися під час створення наступних глобальних моделей, які приймали дедалі більше конструктивний характер, орієнтуючись в руки питань поліпшення існуючого еколого-економічного становища на планете.

М. Месаровичем і Еге. Пестелем було побудовано глобальні моделі на основі теорії ієрархічних систем, а У. Леонтьев — з урахуванням розробленого їм у економіці методу «витрати — випуск». Подальший прогрес в глобальному моделюванні очікується шляхах побудови моделей, дедалі більше адекватних реальності, сочетающих у собі глобальний, регіональні і локальні моменты.

Суперечки щодо ефективності застосування кібернетичних моделей в глобальних дослідженнях не замовкають і нині. Творець методу системної динаміки Дж. Форрестер висунув так званий «контринтуитивный принцип», відповідно до яким складні системи функціонують в такий спосіб, що це принципово суперечить людської інтуїції, отже машини можуть дати більш точного прогнозу їхньої поведінки, ніж сама людина. Інші дослідники вважають, що «контринтуитивное поведінка» властиво тим системам, що у критичної ситуации.

Труднощі формалізації багатьох важливих даних, необхідні побудови глобальних моделей, і навіть низку інших моментів свідчать у тому, що значення машинного моделювання годі було абсолютизувати. Моделювання може дати найбільшу користь у разі, якщо буде поєднуватися коїться з іншими видами исследований.

Простираючи на вивчення дедалі об'ємніших систем метод моделювання стає необхідним засобом як пізнання, і перетворення дійсності. Нині можна говорити як про одну з основних про преосвітньої функції моделювання, виконуючи яку воно вносить прямий внесок у оптимізацію складних систем. Перетворювальна функція моделювання сприяє уточненню цілей і коштів реконструкції реальності. Притаманна моделювання трансляционная функція сприяє синтезу знань — завданню, має першочергового значення на сучасному етапі вивчення мира.

Прогрес у сфері моделювання слід чекати по дорозі протиставлення одних типів моделей іншим, але в основі їхніх синтезу. Універсальний характер моделювання на ЕОМ дає можливість синтезу самих різноманітних знань, а властивий моделювання на ЕОМ функціональний підхід служить цілям управління складними системами.

Список литературы

.

Вінер М. Кібернетика. М., 1968. Кендрью Дж. Нитка життя. М., 1968. Эшби У. Р. Конструкція мозку. М., 1964. Эшби У. Р. Введення ЄІАС у кібернетику. М., 1959.