Гайдес М.А. - Общая теория систем. (Системы и системный анализ)
.docДогма – это вера в чьё-то слово. Догмы всегда служили чьим-то личным интересам и никогда не приносили пользы в познании.
Познание – это и есть «религия» современности, и в основе этой «религии» лежат не догмы, а аксиомы. Познание основано на вере в факт, которая и является аксиомой. Понятие «аксиома» во многом похоже на понятие «догма», потому что аксиома также признаётся непререкаемой и беспрекословной, но в отличие от догм аксиомы основаны на опыте, на фактах. Поэтому аксиомы остаются непререкаемыми и беспрекословными только лишь до тех пор, пока опыт не докажет обратное. Фактически аксиома – это вера в факт.
Основным учением этой «религии» современности является то, что познание – это конечная цель эволюции, во всяком случае на данном её этапе. Буддизм, христианство или мусульманство здесь не причём. Если католик выбривает тонзилу, мусульманин падает ниц или иудей отращивает пейсы, от этого они не становятся ближе к Богу, даже если при этом они будут бесконечно молиться. Если желанием Бога является эволюция, а целью эволюции является познание Мира, то быть ближе к Богу можно лишь познавая Мир, а не молясь Богу! Не следует подменять познание ритуалами.
Получать удовольствие от жизни, познавать её и быть благодарным Богу за то, что он даёт нам – это и есть молитва Богу. Но чтобы получать удовольствие от жизни нужно выбирать правильный путь для достижения поставленных перед нами целей. Если же выбрал неправильный путь, цели не достигнешь и не получишь удовольствия от той же жизни (карма). Чтобы выбрать правильный путь, нужно знать, а знание – это умозаключения, основанные на фактах и логике. И нужно верить только фактам и логике, а не чьим-то словам, не подтвержденным фактами.
Если нас создал Бог, он нас создал не для того, чтобы мы постоянно пели ему славословия, или что-нибудь просили от него, а для того, чтобы мы, познавая Мир, сами могли постоять за себя. Для этого он дал нам тело и органы чувств, дал жизнь и цель в ней – чтобы мы жили в «полный рост» и были сильными. Остальное мы должны развить в себе сами на основе познания. Сильный всегда прав, и если ты хочешь быть правым – будь сильным. А сила – это знание!
Если же Бога нет, то тем более только познание может быть гарантией нашего благополучия.
Пока нет однозначных фактов, указывающих на наличие Бога, как и нет фактов, однозначно отрицающих его. Чтобы быть объективными, мы не будем исключать ни версию существования Бога, ни версию его отсутствия, а продолжим познание.
Мы коснулись здесь теософских вопросов только лишь по той причине, что у любых систем есть цель, задаваемая им извне, а мы не знаем, есть ли цель вообще у системы под названием Мир, и если есть, то она навязана извне (от Бога), или она происходит из логики внутренних событий этой системы (от природы). Когда-то, как впрочем и сейчас, в научном мире считалось неприличным и недопустимым рассуждать о Боге и о великих бытиях. Но следует признать, что эти вопросы и темы существуют и не нужно шарахаться от них, а нужно искать на них однозначные ответы.
§2. Системный анализ.
Системный анализ – это процесс получения ответа на вопрос: «Почему выполняется (не выполняется) генеральная цель системы?».
Понятие «системный анализ» включает в себя два других понятия – «система» и «анализ». Понятие «система» неразрывно связано с понятием «цель системы». Понятие «анализ» означает разбор по частям и разложение по полочкам (классификация). Следовательно, «системный анализ» – это разбор цели системы на её подцели (классификация или иерархия целей) и разбор самой системы на её подсистемы (классификация или иерархия подсистем) с намерением выяснить, какие системы (подсистемы) и почему могут (не могут) выполнить поставленные перед ними цели (подцели).
Любые системы, в том числе и системы живого организма, работают по принципу: «необходимо и достаточно», который является принципом оптимального управления. Понятие «необходимо» определяет качество цели, а понятие «достаточно» – её количество. Например, для принятия в кровь 100 мл О2 нужно, чтобы (цифры произвольные) в лёгкие была доставлена кровь (необходимо) в количестве в 1.000 мл/мин (достаточно). Если качественные и количественные параметры цели данной системой могут быть выполнены, она достаточна. Если какие-то из этих параметров цели система не может выполнить, она недостаточна.
Почему данная система не может выполнить данную цель? На этот вопрос отвечает системный анализ, потому что он может показать, что такой-то объект «состоит из... для..», т.е., показать, для какой цели сделан данный объект, из каких элементов он состоит и какую роль играет каждый элемент для достижения данной цели.
Органо-морфологический анализ, в отличие от системного, может показать только лишь то, что такой-то объект «состоит из...», т.е., показать из каких элементов состоит данный объект и не может дать ответ на вопрос: почему данный объект не может выполнить цель?
Системный анализ производится не произвольно, а по определённым правилам. Основные правила системного анализа – учёт сложности и иерархии целей и систем.
Сложность системы характеризуют и определяют:
-
цель (определяет назначение системы)
-
блок управления (следит за правильностью выполнения действий для достижения цели)
-
иерархия (определяет взаимоотношения между всеми элементами системы без исключения).
-
исполнительные элементы (СФЕ, выполняют действия)
Учитывая это можно достаточно легко и просто понять функционирование систем любой сложности, от атома до человека, понять что нужно, чтобы система могла нормально функционировать (выполнять заданные ей цели) и понять, почему она не может этого сделать если она дефектна. Это, например, даёт возможность построить траекторию патогенеза любого заболевания. Без знания траектории патогенеза лечить болезни невозможно.
Системный анализ касается не только каких-то больших систем живого организма, например, систем внешнего дыхания или кровообращения. Ткани органов, различные клетки и их составные части и продукты их жизнедеятельности также являются элементами различных систем организма. В силу иерархичности они также являются полноценными системами, хотя и более низкого порядка, и все эти системы попадают в сферу системного анализа.
Более того, любой объект, не только биологический или даже материальный, также является системой, если только он удовлетворяет определениям системы. Группы математических уравнений, логических элементов, социальных структур, отношений между людьми, духовных ценностей, также могут быть системами и там также работают те же принципы функционирования систем и по тем же законам логики. У них всех есть основной отличительный признак системности – наличие цели. И по законам сохранения и причинно-следственных ограничений у них есть свои СФЕ и блоки управления, которые следят за выполнением цели. Если у объекта есть цель, он является системой. А для выполнения этой цели у него должны быть соответствующие элементы исполнения и блок управления с соответствующими анализаторами, ППС и ОСС (исходит из закона сохранения и причинно-следственных ограничений). Не всегда это явно видно, но это всегда есть.
Системный анализ анализирует системы и их элементы во взаимосвязи. Результатом такого анализа является оценка соответствия результатов действия систем их целям и выявление причин несоответствия за счёт определения причинно-следственных связей между элементами систем. Основным преимуществом системного анализа является именно то, что только он может выявить причины недостаточности систем.
Понятие цели является центральным понятием системного анализа. Только стабильность соответствия результата действия системы поставленной цели характеризует всю группу взаимодействующих элементов как систему, придавая ей отличительный признак. Если нет постоянства необходимого результата действия, нет системы.
Цель определяет как элементарный состав систем, так взаимодействие её элементов, которые управляются блоком управления. Взаимодействие только исполнительных элементов (СФЕ) не даёт возможность получения стабильного результата действия, соответствующего цели, заданной для системы. Добавление в систему блока управления, настроенного на заданную цель, даёт возможность получения стабильного (постоянно повторяющегося) результата действия системы, соответствующего заданной цели.
Целью может быть удержание шара, молекул, насекомых, групп зверей или предметов в ловушке, сохранение какой-либо определённой формы, или наоборот, предохранение от сохранения какой-либо формы, перемещение масс чего-либо, например, крови, защита государства (содержание армии), экономия воды (система капельного орошения полей), сохранение курса валют и пр.
Цель любого организма – выжить в условиях внешней среды в любых условиях. Результатом его действий должно быть выживание. Однако ресурсы организма не бесконечные, поэтому он не может выживать в любых условиях, а только в определённых, ограниченных его ресурсами. В силу ограниченности ресурсов каждый живой организм выбирает определённые условия (свою экологическую нишу, «место под солнцем») и приспосабливает свои ресурсы именно к данным условиям. Поэтому есть одноклеточные и многоклеточные организмы, фотосинтезирующие, травоядные и плотоядные, живущие в воде и на суше, с хвостами и без оных, с рогами, шипами, ластами и когтями, и многое другое – всё то, что составляет земную биосферу и заполняет в ней каждую «нишу». Полярные животные не могут нормально устроиться в тёплом климате, но прекрасно выживают в ужасающем холоде. Глубоководные рыбы не могут плавать у поверхности моря, потому что внутреннее давление может их разорвать, но отлично себя чувствуют на больших глубинах, чего не могут делать пелагические рыбы поверхностных слоёв моря. Лесные жители не могут нормально существовать в степи, а степные в лесу. Короче, нет животного, одинаково приспособленного к любому виду пищи и любым условиям обитания. Каждый вид животных выбирает только те условия, которые подходят к его ресурсам, или наоборот, каждый организм вырабатывает те ресурсы (самоорганизуется), которые позволяют ему выживать в данных условиях.
Чтобы выжить организм должен делать различные действия – искать пищу, убегать от хищников, предохраняться от перегрева и от переохлаждения, и т.д. Если данному организму не удалось выжить (его съели, он высох без воды, замёрз, был раздавлен и т.д.), это значит что у него не было достаточно качественных и количественных ресурсов СФЕ или ума против воздействий внешней среды и эта система не достигла цели, не выжила.
Для достижения цели (выживания), организм должен делать ряд действий, но любое действие требует потребления энергии. Поэтому, одна из подцелей – энергоснабжение организма. А для этого необходимо доставлять к тканям кислород и убирать из них углекислый газ (подцель – обмен метаболических газов), а для этого необходимо обеспечить контакт окружающего воздуха с кровью, а для этого нужно вентилировать лёгкие и перфузировать через них кровь, а для этого нужно..., и т.д., и т.п. Налицо иерархия целей.
Если у больного хронической неспецифической бронхо-пневмонией разрушено около 2/3 лёгких и, несмотря на то, что он дышит чистым кислородом, в данный момент насыщение артериальной крови кислородом даже в покое снижено и равно около 90% и этот больной с трудом существует, это значит, что у него есть система внешнего газообмена (лёгкие) для условий покоя и при условии дыхания чистым кислородом, но нет этой системы для выполнения нагрузки, поэтому нагрузку он уже не в состоянии выполнить.
Выводы:
-
системный анализ – это анализ цели системы для оценки её функции и выявления соответствия функций иерархии подсистем их подцелям
-
цель системы имеет иерархию подцелей
-
для каждой подцели у системы есть соответствующие подсистемы, составляющие иерархию подсистем
оценка функции системы – это оценка достаточности функции системы для выполнения её целей
-
функция системы может быть достаточной или недостаточной
-
достаточность или недостаточность функции системы определяется достаточностью или недостаточностью функций её подсистем
Сложность систем.
Необходимо уточнить понятие сложности системы. Выше мы видели, что нарастание сложности систем происходило в основном за счёт нарастания сложности блока управления. Сложность элементов исполнения при этом могла быть самой примитивной, несмотря на то, что блок управления при этом мог быть очень сложным. Система могла содержать только один тип СФЕ и даже всего одну СФЕ, т.е., быть монофункциональной. Но при этом она могла очень точно выполнять свои функции, с учётом внешней ситуации и даже с учётом возможности появления новых ситуаций, если у неё был достаточно сложный блок управления.
Когда анализируют сложность системы с позиций кибернетики, теории связи, информодинамики и т.д., обсуждают сложность именно блока управления, а не сложность системы. Отметим, что независимо от степени сложности системы в ней существует два потока активности – поток информации и поток целевых действий системы. Поток информации проходит через блок управления, а поток целевых действий – через элементы исполнения. Термодинамика рассматривает поток целевых действий, а кибернетика и информодинамика рассматривают только особенности потоков информации, проходящих через блоки управления. В данной книге мы не будем дополнительно рассматривать все вопросы кибернетики и информодинамики, потому что часть этих вопросов мы уже рассмотрели, а остальная часть не имеет отношения к нашей теме. Интересующихся отправим к первоисточникам [24, 27].
Тем не менее, понятие сложности может также касаться и потоков целевых действий систем. Существуют моно- и многофункциональные системы. Вообще говоря, нет многоцелевых, а есть только моноцелевые системы, хотя понятие «многоцелевая система» и используется. Например, говорят, что такой-то истребитель-бомбардировщик является многоцелевым, потому что он может и бомбить, и другие самолёты сбивать. Но всё равно у него есть только одна генеральная цель – уничтожать объекты противника. Только у данного истребителя-бомбардировщика возможностей больше, чем у просто истребителя или просто бомбардировщика. Следовательно, понятие сложности касается только числа и качества действий системы, которые определяются числом уровней её иерархии, но не числа её элементов (см. ниже). Динозавры были намного крупнее млекопитающихся (имели больше элементов), но были гораздо проще устроены.
Простейшей системой является СФЕ. Она очень грубо выполняет свои функции, поскольку срабатывает по закону «всё или ничего» и её действия наиболее примитивные.
Любая СФЕ является простейшей неполноценной системой и её неполноценность проявляется в том, что такая система может обеспечить только определённое качество результата действия, но не может обеспечить его оптимальное количество. Различные СФЕ могут различаться по результатам своих действий (разнотипные СФЕ), могут и не различаться (однотипные СФЕ). Но все они работают по закону «всё, или ничего». Т.е., результат её действия не имеет градаций, он либо нулевой (не активная фаза), либо максимальный (активная фаза). СФЕ либо максимально реагирует на внешнее воздействие (результат действия максимальный – всё) и нет градаций результата действия, либо ожидает внешнее воздействие и результат её действия нулевой (ничего). Каждый результат действия СФЕ является квантом (неделимой порцией) действия.
Саркомер, лиганда гемоглобина, нефрон почек, ФЕВ системы внешнего газообмена – примеры простейших систем.
Монофункциональные системы обладают только одним видом результата действия, который определяется типом их СФЕ. Они могут содержать любое количество СФЕ, от одного до максимального, но в любом случае это должны быть однотипные СФЕ. Отличие от простейшей системы только в градации количества результата действия (отличие количественное). Монофункциональная система может выполнять свои функции уже более точно, чем СФЕ, поскольку её действия имеют ступеньки градации функций. Точность выполнения функции зависит от величины действия её одиночных СФЕ, от глубины ООС и от типа её блока управления, а мощность – от числа СФЕ в системе. Чем «мельче» СФЕ, тем больше возможная точность. Чем больше число СФЕ, тем больше мощность.
Таким образом, если состав исполнительных элементов системы (состав СФЕ) однотипный, то она монофункциональна и является простой системой. Но при этом её блок управления может быть, например, сложным. В этом случае система является простой со сложным блоком управления.
Например, каждый саркомер миоцита – это мышечная СФЕ. Он срабатывает по принципу «всё или ничего», но его результат действия мизерный. В мышце есть много сотен тысяч саркомеров. Соответственно мышца намного сильнее одиночного саркомера и у неё очень много ступенек градаций. Настолько много, что практически невозможно заметить эти ступеньки градаций силы сокращения. Но мышца как сократительный элемент является монофункциональной системой, поскольку её основная функция – только сокращение.
Многофункциональная система – это система, которая содержит больше одного типа монофункциональных систем. Она обладает многими видами результата действия и может выполнять несколько различных функций (много функций). Но любую сложную систему можно разложить на несколько простых систем, которые мы уже рассмотрели выше. Отличие многофункциональной системы от монофункциональной в том, что монофункциональная система состоит из самой себя и включает в себя однотипные СФЕ, а сложная – из нескольких монофункциональных систем с другими типами СФЕ. Причём этими несколькими простыми системами управляет один общий для них блок управления любой степени сложности.
Например, многофункциональная система обмена метаболических газов (СОМГ) содержит одну монофункциональную подсистему внешнего газообмена (содержит только один тип СФЕ – функциональные единицы вентиляции, ФЕВ) и одну многофункциональную систему кровообращения (содержит несколько типов СФЕ – саркомеры, функциональные единицы перфузии, гемоглобин, бикарбонаты).
При этом, хотя мы и говорим, что СВГ – это монофункциональная система, но по сути она также является многофункциональной, потому что включает в себя множество различных сервисных подсистем, которые обслуживают её основную функцию. Для нормальной вентиляции ФЕВ (лёгких) необходимо очистить и согреть вдыхаемый воздух (привести его в необходимую кондицию), распределить его по соответствующим ФЕВ и т.д. Но без ФЕВ для самой СОМГ все эти сервисные подсистемы не нужны. Именно ФЕВ определяют основную функцию СВГ, в этом смысле СВГ является монофункциональной системой.
Система кровообращения содержит несколько монофункциональных подсистем, каждая из которых содержит свои однотипные СФЕ. Т.е., сложная многофункциональная система всегда состоит из нескольких простых моно-функциональных подсистем, содержащих свои однотипные СФЕ.
Следовательно, есть простейшие, монофункциональные и много-функциональные системы. Отличие между ними в количестве и качестве СФЕ.
Чтобы не путать сложность систем со сложностью их блока управления, проще принять, что есть монофункциональные и многофункциональные системы и есть простые и сложные блоки управления. В этом случае понятие сложности системы касается только блока управления. У монофункциональной системы блок управления управляет набором собственных СФЕ, независимо от степени его сложности. У многофункциональной системы блок управления любой сложности, управляет несколькими монофункциональными подсистемами, каждая из которых имеет свои СФЕ со своими блоками управления.
Тогда только сложность блока управления определяет сложность системы, причём не только тип системы, но и саму принадлежность данного объекта к разряду систем. Есть соответствующий блок управления, есть система. Нет (любого) блока управления – нет системы. У систем могут быть блоки управления не ниже, чем простой. Простейший блок управления не может быть у полноценной системы, но есть у СФЕ.
Следовательно, система – это объект определённой степени сложности, который может подстраивать свои функции под нагрузку (под внешнее воздействие). Если в её состав входит более чем одна СФЕ, результат её действия имеет число градаций, равное числу её СФЕ, или, что то же самое, числу квантов действия. Число функций системы определяется числом разнотипных монофункциональных систем, которые входят в состав данной системы.
Отдельные СФЕ можно группировать, получая при этом другие системы, которые могут отличаться от отдельных СФЕ либо по количеству, либо по качеству результата действия.
Если вновь полученные системы отличаются от их собственных СФЕ по количеству результата действия, это равносильно появлению новых монофункциональных систем с градуированным результатом действия (см. выше). Это есть развитие систем по горизонтали. Когда-то развитие жизни шло по пути укрупнения тела животных, что давало какую-то гарантию в биологической конкуренции (количественная конкуренция, различные монстры в эпоху динозавров). Но выигрыш оказался сомнительным, достоинств оказалось меньше, чем недостатков, поэтому монстры вымерли.
Если они отличаются по качеству, это равносильно появлению новых многофункциональных систем или СФЕ, только на более высоком уровне, и этот процесс мы также рассматривали. Такое построение новых систем есть развитие систем по вертикали. Примером этому служит усложнение живых организмов по мере эволюции, от простейших одноклеточных к многоклеточным и к человеку. То, что может человек, не может делать рептилия. Но то, что может рептилия, не может делать инфузория (насекомое, медуза, амёба и т.д.). Усложнение живых организмов происходило только с одной кардинальной целью – выжить в любых условиях (видовая конкуренция). Поскольку условия проживания разнообразны, живой организм как система должен быть многофункциональным.
А В
Рис. 33. Последовательный (А) и параллельный (В) ряды соединения СФЕ.
Последовательное соединение СФЕ (шары) повышает амплитуду результата действия. Параллельное соединение СФЕ повышает мощность результата действия.
Характеристика новых систем определяется составом элементов исполнения и особенностями блока управления. Если требуется повысить амплитуду или мощность срабатывания системы, то состав элементов исполнения должен быть одинаковым. Для повышения амплитуды действия системы все СФЕ выстраиваются в последовательный ряд, для повышения мощности – в параллельный ряд (рис. 33), в зависимости от требуемого количества результата действия (амплитуды или мощности в данный конкретный момент).
Разнотипные СФЕ имеют разные цели и поэтому у них разные функции. В различии СФЕ заключается их специализация, когда каждая из них имеет присущую ей специальную функцию. Если в состав какой-либо системы входят разнотипные СФЕ, то такая система будет дифференцированной, имеющей элементы с разной специализацией. В системах с однотипными СФЕ все элементы имеют одинаковую специализацию. Поэтому в такой системе нет дифференциации. Таким образом, понятие специализации характеризует отдельный элемент, а понятие дифференциации – группу элементов.
Число СФЕ в реальных системах всегда конечно, поэтому и возможности реальных систем конечны и ограничены. Ресурсы любой системы зависят от числа СФЕ, которые входят в её состав в качестве элементов исполнения. Сколько патронов есть в пистолете, столько выстрелов он может сделать, не больше. Чем меньше СФЕ есть у системы, тем меньший диапазон изменений внешнего воздействия может привести к исчерпанию её ресурсов, тем хуже она противостоит воздействию внешней среды.
Собирая различные СФЕ во всё более и более сложные системы можно построить системы с любыми заданными свойствами (качества результата действия) и мощности (количества квантов результата действия). При этом элементы систем сами являются системами, хотя и более низкого порядка (подсистемами) для этих систем. А сама данная система также может быть элементом для системы более высокого порядка. В этом заключается суть иерархии систем.
Например, миокард должен развивать достаточно большие усилия, чтобы поддерживать необходимое артериальное давление, и иметь достаточно большую амплитуду сокращения, чтобы обеспечить необходимую величину ударного выброса желудочков. Для сокращения он использует свои СФЕ – саркомеры.
Саркомер – это СФЕ сократительной системы миокарда (рис. 34). Каждый отдельный саркомер очень слаб по силе сокращения и амплитуда его сокращения очень мала. Если соединить много отдельных саркомеров в последовательный ряд, то суммарная амплитуда сокращения всей цепочки саркомеров будет кратна числу саркомеров в ряду, но мощность сокращения остаётся низкой и равной мощности сокращения одного саркомера (рис. 34В).
А В
С D
Рис. 34. Одиночный саркомер (А), и виды различных соединений саркомеров (В, C и D) . Стрелками показана амплитуда сокращения.
Один саркомер может сократиться, например, на 0.001 мм, и развить усилие, например, в 0.001 гр (минимум длины и силы сокращения, А).
Последовательное соединение саркомеров увеличивает амплитуду сокращения, но сила сокращения не меняется (больше амплитуда, но минимум силы сокращения, В).
Параллельное соединение саркомеров не меняет амплитуды сокращения, но увеличивает её силу (больше сила, но минимум амплитуды сокращения, С). Последовательно-параллельное соединение саркомеров увеличивает и амплитуду и силу сокращения миокарда (для сокращения на 1 мм усилием в 1 гр необходимо 1 000 000 саркомеров, D). Все цифры взяты произвольно, с целью демонстрации влияния различных типов соединения саркомеров на их суммарную характеристику.
Последовательно-параллельное соединение саркомеров увеличивает и амплитуду и мощность сокращения. Для нормального выполнения своих функций, т.е., для нормальной амплитуды и силы сокращения в миокарде должно быть соответствующее число саркомеров, соединённых в последовательно-параллельные цепочки (рис. 34D).
Выводы:
-
нет систем простых и сложных, но системы могут быть моно- и много-функциональными
-
сложность системы определяется сложностью её блока управления
-
блоки управления моно- и много-функциональных систем могут любой степени сложности
-
у каждой из монофункциональных систем, входящих в состав много-функциональных систем, есть собственный блок управления, который управляет набором её СФЕ
-
многофункциональная система имеет общий блок управления, который управляет её монофункциональными подсистемами