§2. Система

§2. Система
Ремонт: замена одних неисправностей другими.

Из фольклора

Под системой в кибернетике понимается объединение любых элементов, рассматриваемых как связное целое. Существует также научное направление, называемое общей теорией систем. В современном, получившем известность виде она была изложена биологом Л. Берталанфи. Подход быстро приобрел популярность. Однако уже в 70е годы в значительной степени исчерпал себя. Истоки всего этого можно проследить в философских концепциях о части и целом, структуре и функции, организации. Заметим, что теорию структур или организаций ("тектологию") начал создавать еще А.А. Богданов в 1912 г. По-видимому, всех причастных к системному подходу упомянуть просто невозможно, поскольку основная идея очень проста и очевидна. "Система" – это "целостность", элементы которой связаны друг с другом. Существуют и связи системы с остальным миром, но они "менее существенны", или, как говорят философы, "система относительно самостоятельна".

Такая универсальность наводит на мысли о том, что и в самом деле могут существовать некие правила и законы, общие для всех или большинства систем. Подобные взгляды, например, были присущи Л.Н. Гумилеву, который считал, что этносы – следующая ступень эволюции биологических структур, и для них существуют вполне определенные законы развития. Многоклеточный организм объединяет клетки и живет дольше них, этнос объединяет людей и существует гораздо большее время, чем отдельный человек. При этом связи между людьми внутри структуры оказываются значительно сильнее благодаря общему стереотипу поведения.

Основной недостаток понимаемого таким образом "системного подхода" – недостаток конкретности. Отсутствуют "операционные" определения, поэтому в каждом конкретном случае невозможно четко указать, где система, а где – нет, каковы практически полезные классификации систем (скажем, если система принадлежит какому-то классу, то у нее гарантированно есть какие-то свойства, или, напротив, точно нет). В результате такие теории не способны давать более глубоких рекомендаций, чем советы оценивать "силу связей" и, исследуя некоторый объект, обращать внимание и на его окружение.

В математике тоже часто говорили о системах. В большинстве случаев это были системы обыкновенных дифференциальных, интегральных или других уравнений, описывающих нечто реальное. Однако с течением времени возникло большое количество задач, для решения которых не существовало строго обоснованных методов и математических моделей. Это были задачи управления организационными структурами, оптимизации сложных технических систем, разработки и планирования боевых действий. Ряд подобных задач удалось решить, и в результате возникла дисциплина, получившая название исследование операций. Главное в ней, как показала практика, – это не столько детали использования математических методов, сколько способность увидеть ту грань проблемы, к которой они могут быть применены. Затем, к 70м годам, понадобилось решать еще более сложные задачи, такие как оптимизация управления регионами, определение стратегии развития больших социально-технологических систем и другие, и исследование операций вновь стало называться системным анализом

Таким образом, сейчас к проблематике систем подошли с двух сторон. Философы "сверху", математики "снизу". Между ними остается разрыв, в который и попадают наиболее интересные и важные задачи современности, включая устойчивость и безопасность общества и государства, возникновение и закат организаций, научных школ, иных общественных структур, этногенез.

Можно сделать вывод, что на самом деле теория систем – еще не созданная наука о не решенных пока задачах. С этими нерешенными задачами связаны главные современные проблемы человечества в целом и России в частности. Это проектирование будущего, согласованного с концепцией устойчивого развития, стратегическое управление рисками, переход от одних алгоритмов развития к другим, от одной социально-технологической системы к другой и многие другие. Одна из основных идей эпохи Просвещения (XVIIXVIII века) состояла в том, что разум (т.е. наука) и техника сделают людей счастливыми. Счастью мешают только неграмотность и тяжелый, унизительный, изнурительный труд большинства людей. Сейчас техника получила огромное развитие, а состояние духовной сферы по-прежнему неудовлетворительно. С одной стороны, люди оказались не такими, как о них думали просветители. Выяснилось, что почти независимо от уровня знаний они способны легко переходить от созидания к уничтожению (то, чего им не хватает, – явно не информация). С другой стороны, централизация экономики, власти и средств массовой информации создали гигантский усилитель ошибочных и некомпетентных действий отдельных личностей. Принимается огромное количество решений, а критерии их разумности практически отсутствуют. У современной науки пока нет теоретического аппарата для решения подобных вопросов, скорее всего из-за того, что нет общей концепции сложной системы. Иногда это восполняется интуицией, здравым смыслом, опытом. Но в период быстрых перемен опираться на опыт становится все труднее.

В связи с системной проблематикой принципиальное значение имеют идеи М. Эйгена. Он ввел в рассмотрение гиперцикл – циклические комплексы взаимодействующих химических и биохимических реакций. Его интересовала проблема возникновения и высокая точность воспроизводимости биологических макромолекул. Вообще говоря, в процессе копирования больших молекул возможны ошибки. Поэтому можно было бы ожидать, что спустя некоторое время (быть может, продолжительное, но вполне обозримое) оригинал затеряется в море ложных копий. Однако этого не происходит. Возникает вопрос, почему.

Эйген предложил следующее объяснение. В процессе воспроизведения макромолекул задействовано много реакций, каждая из которых в обычных условиях имеет малую вероятность. Но если цепь реакций замыкается в кольцо, причем так, чтобы продукты стимулировали производство друг друга, то вероятность воспроизведения такой кольцевой структуры во много раз повышается. Она может уже устойчиво существовать. То, что будет воспроизводиться, не обязательно будет какой-то одной молекулой. Это может быть набор близкородственных молекул, содержащих небольшое число ошибок (такой набор Эйген назвал квазивидом). Гиперцикл становится узкополосным фильтром и гигантским усилителем маловероятных событий.

Важно, что удалось выделить существенный элемент самоорганизации и поддержания устойчивости – кольцевую структуру связей. Естественно выдвинуть гипотезу о том, что этот элемент является основой не только воспроизведения биологических макромолекул, а систем вообще. Итак, основа понятия система – кольцевые структуры связей между элементами.

Воспроизводство макромолекул – это близко к тому, что можно называть системой. Но чтобы дальше развивать аналогию, уточним, что в этом контексте мы будем подразумевать под системами.

Определять важно не столько саму систему, сколько то, из чего она получается. Определим это нечто, например, назвав его системообразующей средой, как набор из следующих элементов:

- вещество (не в физико-химическом смысле), это может быть что угодно, например, энергия или информация (важно, чтобы оно циркулировало в системе);

- процесс, это взаимопревращение веществ. (процесс имеет входы и выходы – его можно рассматривать как "черный ящик");

- связь, это передача вещества с выхода одного процесса на вход другого.

Такая связь сама может быть процессом (транспорт) и требовать затрат каких-либо веществ. Это будут транзакционные издержки.

Заметим, что жизненный цикл отдельных технологий, экономические циклы (вспомним известную формулу товар–деньги–товар), жизнедеятельность биологических и социально-технологических структур, круговорот ряда веществ в биосфере и многое другое укладывается в эту схему.

Почему объединение связей в цикл в принципе способно самоподдерживаться? Вообще говоря, при данной постановке вопроса это не обязательно "выгодно". Чтобы такое объединение стало самоподдерживающимся, необходимы правильные связи и достаточные "коэффициенты передачи" вещества от одного процесса другому.

Таким образом, объединение процессов в циклическую систему может достигаться при выполнении следующих условий:

- подавление оттоков вещества во вне системы (функция клеточной мембраны, полиции, армии) или отсутствие больших течей;

- уменьшение затрат вещества при транспортировке от процесса к процессу (не слишком большие транзакционные издержки);

- согласованность процессов по скорости переработки и передачи.

Что дает объединение процессов в циклическую структуру?

- повышение (иногда во много раз) вероятности реализации некоторых процессов и потоков вещества, т.е. делает их не случайными;

- оптимизацию такого объединения (например, по отношению к энергетическим затратам, минимизации производства энтропии, денежных затрат, сложности или каких-либо других характеристик);

- усложнение системообразующей среды, приводящее к производству в больших количествах веществ, вероятность возникновения которых ранее была ничтожна.

Вероятно, развив концепцию, удалось бы понять, что такое информация и как оценивать ее ценность. Возможно, именно теорию устойчивости кольцевых структур можно было бы положить в основу математики безопасности. Поскольку системообразующая среда мыслится как переплетение большого количества связей, есть шанс, что станет понятнее связь многих сложных систем с самоорганизованной критичностью, о которой речь в этой книге еще пойдет.

Однако даже нынешний уровень понимания системных свойств сложных объектов позволяет поставить ряд задач, которые могут оказаться важными и полезными при управлении риском. Этот класс задач можно условно назвать проблемами редактирования причинно-следственных связей. Кратко охарактеризуем некоторые задачи этого класса.

Основной способ, при помощи которого сложные системы приспосабливаются к серьезным внешним воздействиям – это изменение своей структуры, цепочки причинно-следственных связей. Допустим, нам нужно повысить эффективность возникшей основной кольцевой структуры (в биологической интерпретации – гиперцикла). Разумным решением является создание дублирующих циклов, дополняющих основные, наиболее уязвимые части основной структуры. Основной цикл и два дублирующих показаны на рис. 3а. По этому пути шла природа, совершенствуя циклы Кальвина и Кребса, превращая АТФ в "единую энергетическую валюту" или отбирая ферменты, корректирующие ошибки в молекулах ДНК. Та же задача возникает при предупреждении технологического терроризма – выделение слабых звеньев технологического процесса или систем безопасности и их дополнительная защита.

Другой пример – развитие иерархической структуры. Традиционный путь – повышение степени управляемости, уменьшение времени срабатывания отдельных звеньев. Однако принципиальны потоки предложений, информации, активности не только сверху вниз, но и снизу вверх (см. рис. 3б). Иначе система как целое начинает отставать от изменений той реальности, в которой существует. В полной мере это относится к сложным техническим системам. В частности, в НАСА существовала структура, рассматривавшая квалифицированно, быстро и на высоком уровне предложения, пожелания, возражения всех исполнителей космических проектов независимо от их ранга. Правительственная комиссия, в которую входил лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман, сочла главной причиной гибели "Челленджера" ликвидацию такой "быстрой обратной связи" незадолго до этой аварии, вошедшей в историю.

а), б), в)

Рис. 3. Различные структуры связей

Пример причинно-следственных связей, возникающих в различных системах (а): abcdefg – основной цикл, cdek, abhfg – дублирующие циклы.

Обратные связи в иерархической структуре (б): сверху вниз – ресурсы, управляющие воздействия, предложения, информационные потоки, снизу вверх – информационные потоки, предложения и т.д.

Сложная цепь причинно-следственных связей (в): здесь редактирование связей, обеспечивающее повышение безопасности объекта a, должно уничтожить или уменьшить действие связей 1 и 2.

Обычно "дерево отказов" при проектировании сложных систем строят "задним числом" после того, как машина, механизм или организационная структура спроектирована или уже воплощена в реальность. Во многих случаях такое однонаправленное дерево причинно-следственных связей – слишком грубое отображение реальности. В действительности особого внимания требуют кольцевые структуры таких связей, которые, как в биологической эволюции, могут играть роль усилителей маловероятных событий. Если такая структура выделена и ее граф построен (см. рис. 3в), то можно ставить вопрос о том, какая связь должна быть установлена (или устранена), чтобы сделать работу данного объекта более устойчивой и надежной (на рис. 3в, чтобы повысить безопасность объекта a, нужно разорвать две помеченные крестиками связи). В некоторых случаях этого можно достичь законодательными мерами, в других требуются управленческие и технические решения.

Это показывает, что наши успехи и катастрофы в техногенной и социальной сферах имеют часто один и тот же корень: основные кольцевые структуры способны сделать реальностью маловероятные события. Они могут запоминать случайный выбор, усиливать шум. Однако результатом в одних ситуациях будет "счастливая случайность", а в других – "трагическое совпадение большого количества неблагоприятных обстоятельств". Поэтому и алгоритмы коррекции поведения таких систем, предупреждения катастроф оказываются ближе к действиям врача, проводящего диагностику и профилактику больного, чем к действиям автомеханика, способного остановить машину, разобрать ее и вновь собрать. Сплошь и рядом кольцевую структуру нельзя остановить.

Обратим внимание на задачи, которые могут быть поставлены, исходя из выдвинутого подхода редактирования причинно-следственных связей, и на близкие задачи, решавшиеся в других областях.

1. Оптимизация размещения сил и средств, связанных с предупреждением ЧС, по территории страны. Служба спасения должна быть быстро реагирующей, и следовательно, распределенной, достаточно дешевой, поэтому сравнительно небольшой, а также оперативно обрабатывающей большие потоки информации. Эти требования противоречивы. Нам нужно разместить оптимальным в определенном смысле образом разнородные объекты по территории и установить между ними наиболее эффективным образом связи (информационные, организационные и др.). Это новая, сложная и необычная задача, обусловленная требованиями к силам спасения и соответствующей инфраструктуре.

Ближайшие аналоги задач, связанных с оптимизацией такого типа – нахождение кратчайшего маршрута через N пунктов на плоскости (задача коммивояжера), построение кратчайшей сети дорог на плоскости, задача о распределении телефонных каналов. И наконец, широко обсуждавшаяся и давшая большой экономический эффект задача о стратегии развития нефтегазового комплекса Западной Сибири (размещение буровых, строительство трубопроводов и т.д.).

2. Оптимизация организационных структур. Информация, с которой приходится иметь дело (ее объем, необходимая скорость обработки, возможность экстренного реагирования) должна влиять на структуру организации. Типичная ситуация такова – существует огромный объем ненужной информации, большой объем информации, которую не успевают обработать вовремя, и у лиц, принимающих решения, отсутствует часть необходимой информации, а вся структура информационных потоков оказывается неустойчивой относительно реорганизации. Оптимизация информационных потоков представляет собой новый класс задач, который подробно анализировался для компьютерных сетей и почти не рассматривался для организационных структур. В последнем случае это могло бы дать большой эффект, поскольку в одних ситуациях позволило бы обоснованно не требовать от сотрудников невозможного, а в других – разумно распоряжаться уже имеющейся информацией.

3. Системный анализ страхования промышленных рисков и территорий. Опыт работы над проектом федеральной целевой программы по снижению рисков показал, что имеет место тенденция к "локальной оптимизации" – перекладыванию огромного круга проблем, не имеющих непосредственного отношения к риску, на одно ведомство, на одну программу, на один уровень. Здесь был бы очень важен детальный системный анализ того, кто, как и каким образом будет брать на себя ответственность за уменьшение наших рисков, и какие механизмы должны были бы это обеспечивать.

Для анализа сложной системы причинно-следственных связей есть и конкретный математический аппарат. Обычно здесь необходимо выяснить, будет лучше или хуже данному объекту, как изменятся его показатели, если определенным образом подействовать на другой объект, усилить или ослабить данную причинно-следственную связь. Типичными упрощающими допущениями здесь обычно являются предположения о линейности системы, самих объектов, связей. При этом обычно изменения предполагаются плавными, медленными. Такие модели были очень популярны в 70х годах в математических экономике и экологии. Но есть и другой вариант упрощения, более подходящий для анализа быстро развивающихся чрезвычайных ситуаций. При этом предполагается, что воздействия носят импульсный характер. Анализ моделей такого рода и пример их применения приведен в приложении. Понятно, что чем лучше мы представляем характер причинно-следственных связей, тем более подробные модели можно строить. Однако во многих случаях важен простейший анализ, но проведенный быстро и своевременно.