Информация. Развитие. Поиск идей

в) Системная модель
в – 1) Почему для нас важны системы? Системы, разнообразие, универсальность

Один раз за весь ход истории прихотливая природа создает такое удивительное сочетание атомов, имя которому – Горький

Из школьных сочинений

Чтобы предотвратить бесцельные блуждания в поиске решения, следует принимать во внимание закономерности, действующие в данной области. Для решения шахматных задач приходится опираться на законы шахматной игры. При решении задач инженерных – учитывать соотношения множества характеристик механизмов, свойств среды, материалов.

Широко известен случай, описанный академиком-кораблестроителем А.Н. Крыловым. Однажды он увидел модель парохода, который с трудом развивал скорость 7 узлов вместо расчетных 9 – 9.5. Осмотрев модель, академик заметил, что винт судна кажется слишком большим. Последовала рекомендация обрезать винт. После того, как все было исполнено, и корабль стал наматывать положенные узлы, озадаченный хозяин явился засвидетельствовать свое восхищение: “Я удивляюсь, как вы сразу увидали, что надо делать. “Я тридцать два года читаю “Теорию корабля” в Морской академии в Ленинграде” – ответил академик. Найденное им решение объясняется довольно просто. Мощность, потребляемая винтом при постоянной частоте вращения, растет пропорциональна кубу его диаметра. Если винт чуть больше оптимального, потребляемая мощность возрастает настолько, что двигатель просто не может вращать его с нужной частотой. В результате, паровая машина работает не в оптимальном для нее режиме. При повышенном расходе топлива, развиваемая на валу мощность недостаточна для быстрого движения судна.

Вся описанная цепочка рассуждений опирается на объективные законы. В данном случае, глубокое понимание основ гидродинамики и характеристик паровых машин, помогло с кажущейся легкостью решить сложную инженерную проблему.

Но все это хорошо для областей более или менее знакомых человеку, столкнувшемуся с проблемой. Нестандартные же задачи, по определению, выходят за пределы своих областей. Собственно, поэтому они так трудны. Значит ли это, что для их решения невозможно найти способы эффективного поиска нужных решений? Нет, это говорит только о том, что используемые модели и закономерности должны быть универсальными, подходящими для широкого круга задач.

Одна из моделей претендует на то, что с ее помощью можно описывать практически любые явления реального и даже идеального мира. Это системный подход. Создатель этого подхода, Людвиг фон Берталанфи в 1947 году выступил с простой идеей. Сложный объект можно описать как систему, состоящую из связанных частей. Характер этих связей определяет поведение системы. Разные виды взаимодействий соответствуют разному поведению. Система может стремиться к состоянию равновесия, ее параметры могут колебаться или же она может стремиться изменить свое состояние. При этом уравнения, описывающее поведение самых разных систем демонстрируют удивительное сходство. Описание на языке объектов и связей весьма и весьма универсально. Технические устройства состоят из агрегатов, процессы из операций. Коллективы складываются из людей, задачи можно разбить на подзадачи. Все они взаимосвязаны между собой и являются элементами своих систем⁴².

Очевидно, такой подход может оказаться полезным и для наших задач.

Есть еще одна причина, по которой стоит обратить внимание на системы. Разнообразие изобретательских задач определяется разнообразием ситуаций, с которыми вынужден иметь дело изобретатель. Разнообразие ситуаций, в свою очередь, вызвано многообразием объектов техники и условий окружающей среды.

Как известно, в основе наблюдаемого нами мира лежит небольшое количество видов элементарных частиц с весьма ограниченным набором свойств. Все остальные бесчисленные виды природных объектов возникли в результате их комбинирования. Объединение объектов может приводить к появлению новых сущностей, обладающих новыми свойствами. Еще Аристотель утверждал, что “целое больше суммы его частей”. Это справедливо не только для природных объектов, но и для объектов идеального мира. Помните – “два шахматных слона – это больше чем один слон плюс еще один”? При этом слоны могут рассматриваться и как реальные и как идеальные объекты. Например, если в шахматном наборе не хватает слона или любой другой фигуры – ценность всего комплекта резко падает.

Если готового решения проблемы не существует, это значит, что объект или процесс, имеющий подходящие для решения задач свойства, не является широко известным, а значит – скорее всего не является элементарным. Если бы было по другому, все технические задачи можно было бы решить используя только элементарные частицы. А я бы мог не напрягаться, сочиняя этот текст, а просто выразил свою мысль одним словом или какой-нибудь простенькой пословицей. В подавляющем большинстве случаев, для решения задачи, придется комбинировать объекты с целью создания нового качества. Более того, в подавляющем большинстве случаев, сами комбинируемые объекты являются результатом комбинации. Иными словами, почти всегда, а может быть, вообще всегда, изобретателю приходится иметь дело с Системами. Это обусловлено тем, что системы умеют создавать новые свойства. Это умение, само по себе, тоже является свойством, которое называется Эмерджентностью.

Эмерджентность – это наличие у какой-либо системы особых свойств, которых нет ни её элементов ни у их простой суммы. Иначе говоря, Эмерджентность это несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов. Синоним термина Эмерджентность – «системный эффект».

Можно попытаться строго доказать, что эмерджентность является и синонимом целостности. Попробуем размышлять “от противного”. Допустим, система является целостной, но при этом у всей системы нет эмерджентных свойств. То есть – нет таких свойств, которые есть у всей системы в целом, и которые при этом отсутствуют у ее элементов. Но тогда нет ничего, что отличает “целое” от обычного несвязанного набора. Следовательно, пропадает смысл “целостности”, она как-бы становится равна нулю. Значит, одно не существует без другого.

Целостность-эмерджентность признана одним из основных, или даже основным свойством систем: – “Из 34 рассматриваемых В. Н. Садовским и далее анализируемых А. И. Уемовым определений системы вообще, 27 из них (т. е. подавляющее большинство) фактически совпадают с представлением о системе как особом «единстве», «целостности», «целостном единстве». Таковы определения Л. Берталанфи, К. Черри, Дж. Клира, А. Раппопорта, В. И. Вернадского, О. Ланге, П. К. Анохина, Л. А. Блюменфельда, И. В. Блауберга, В. Н. Садовского и Э. Г. Юдина.⁴³”

Свойство эмерджентности систем определяет фантастическое разнообразие окружающего нас мира. Без него, Вселенная представляла бы собой “бульон” из элементарных частиц или кварков. Ни о каком возникновении жизни, тем более разумной, ни о каком построении общества, развитии техники не могло бы быть и речи.

Для полноты картины, нужно упомянуть о споре между холистами и редукционистами. Спор этот где то на грани философии и методологии науки. Редукционисты отстаивают точку зрения, в соответствии с которой свойства целого могут быть выведены из свойств составляющих систему элементов. Представители этого направления считают, что рано или поздно мы выведем одно из другого, а сегодня мы просто не умеем достаточно хорошо “считать”. Холисты же говорят именно о принципиальной невыводимости эмерджентных свойств. Не вдаваясь глубоко в философию, могу сказать, что в нашем вопросе приходится быть “прагматическими холистами”. Возможно, когда-нибудь ученые и научатся вычислять все свойства целого на основании свойств элементов. Но идеи искать нужно сегодня, и способа такого мы сегодня не знаем. Судя по всему он не известен и нашему мозгу, иначе зачем ему удерживать в памяти бесчисленные знания о бесчисленных системах окружающего мира. Поэтому нам ничего не остается, кроме как исходить из несводимости эмерджентного свойства к свойствам элементов системы.

К основным свойствам систем относится также иерархичность. Системы могут быть представлены в виде многоуровневой структуры. На каждом уровне система состоит из элементов, каждый из которых может быть, в свою очередь, представлен как система. Связи и взаимодействия, а также процессы также являются системами.

Рабочим определением системы примем следующее:

Система – это совокупность элементов, которая может быть включена в качестве одного из элементов в систему более высокого ранга.

И еще одна важная вещь:

Существует очень небольшое количество способов изменения систем. Это изменение пространственных и временных свойств системы, изменение вида (качества) и количества ее элементов, а еще – изменение порядка (структуры, закона построения).

Эти вопросы рассматриваются более подробно в следующих разделах. Они описывают точку зрения, которая возможно несколько отличается от общепринятой. Хотя в данном случае говорить об общепринятой точке зрения сложно, слишком уж их много. Весьма похожее описание системной модели можно встретить у Якова Александровича Пономарева⁴⁴ , одного из наиболее выдающихся советских психологов, занимавшихся проблемами творчества. Если Вас больше интересуют методы решения проблем, Вы можете пропустить остальные разделы этой главы и перейти непосредственно к следующей.

в – 2) Системы – это просто

Современные ученые мыслят глубоко, вместо того чтобы мыслить ясно. Чтобы мыслить ясно, нужно обладать здравым рассудком, а мыслить глубоко можно и будучи совершенно сумасшедшим

Никола Тесла

Определение системы только через системное свойство приводит к кажущемуся противоречию. Раз свойства системы не выводятся однозначно из свойств ее элементов, то систему в принципе нельзя сконструировать или изобрести. О существовании подходящего вида систем можно только знать – и использовать это знание. Это утверждение, кажется, не согласуется со всем человеческим опытом. А чем тогда, собственно, человечество занимается со времен изобретения каменного топора и колеса? На самом деле, изобретатели и конструкторы действительно могут только выбирать известные схемы из набора доступных.

Собственно, если задуматься, это еще одна причина, которой обусловлена фактическая безальтернативность свободного поиска при решении нестандартных задач. Ведь решение всегда подразумевает описание какой-то системы. Даже если для решения нужен один элемент, он все равно должен вступать в какие-то взаимодействия, все равно должен стать частью какого-то целого. Даже если известны все элементы, из их свойств не могут быть выведены свойства целого. Остается только брать описания (модели) подходящих систем и пытаться примерить их в качестве решения к существующей задаче. А это не что иное, как перебор. Поэтому, так или иначе, при поиске идей, бал правит перебор вариантов, а известные способы повышения его эффективности сводятся к отсечению неперспективных вариантов или выбору наиболее многообещающих.

Вернемся к системам. Рассматривая конкретное взаимодействие, конкретное применение или конкретный “контекст”, можно представить сложную систему как относительно простой объект, имеющий ограниченный набор свойств. Например, барометр – штука довольно сложная. Но если Вам нужно с его помощью измерить высоту здания, Вы можете воспользоваться его способностью измерять давление. По разнице давлений воздуха у основания и на крыше, можно вычислить разность высот. При этом внутреннее устройство прибора может быть самым разнообразным. Это может быть простая изогнутая трубка, заполненная ртутью и запаянная с одной стороны, датчик давления, или наисложнейший электронно-механический аппарат. Для Вас имеет значение только его умение выполнять необходимые измерения с достаточной точностью. При решении задачи сначала придумывается, а точнее подбирается, концептуальная схема, а потом выбираются средства ее реализации.

В разных вариациях бытует рассказ о том, как Нильс Бор, будучи студентом, на экзамене по физике предложил еще массу способов измерения высоты с помощью этого прибора. Например – сбросить барометр с крыши и определить высоту по времени падения. Или – измерить длину теней, отбрасываемых барометром и зданием и вычислить требуемую величину, пользуясь простейшей пропорцией. Некоторые из решений были совсем уж “юмористическими” – например, обменять ценный прибор на чертеж здания. Таким образом Бор иронизировал над ориентацией современного ему образования на скучные стандартные решения. Не правда ли, ситуация мало изменилась с тех пор?

Естественно, будущий великий физик не забыл предложить измерить высоту здания “в барометрах”.

Все эти способы реализуются благодаря действию относительно простых законов. Первый – благодаря тому, что давление воздуха изменяется с высотой, согласно закону Паскаля. Второй – за счет того, что тела падают на землю с постоянным ускорением. А третий реализуется благодаря тому простому факту, что свет движется по прямой, а также – теореме Фалеса о пропорциональности отрезков, отсекаемых параллельными прямыми.

При этом для реализации каждого из способов нужно использовать только некоторые свойства объекта. Например то, что барометр отбрасывает тень и имеет постоянную длину. Кстати, по преданию, сам Фалес Милетский измерил подобным способом высоту египетских пирамид. Барометра у него под рукой не оказалось, пришлось воспользоваться обычным посохом.

Еще раз подчеркну, схемы (системы), могут быть очень простыми, их описания могут включать по два-три элемента. Закономерности также могут быть изложены в предельно упрощенной форме, например, “чем выше объект, тем длиннее его тень”.

То же самое можно выразить и по другому. Сложный и многообразный объект очень часто рассматривается человеком как часть какой-то системы. При этом, те его свойства, которые важны для организации данной системы, как-бы “выпячиваются”, зато другие отходят на второй план и пропадают из поля зрения. Забегая вперед, отмечу, что это является еще одной из причин тех трудностей, которые возникают при решении проблем.

Знания о простейших системах мы получаем из двух источников. Прежде всего это практический опыт. Люди, за тысячи лет до рождения Архимеда, использовали палки в качестве рычагов. Ну, например, для строительства тех самых пирамид. Из опыта мы узнаем о том, что разгладить ткань можно утюгом, просверлить стену – дрелью. А еще – что непрозрачные предметы отбрасывают тень, а объекты тяжелее воздуха, будучи свободными, падают на землю…

Ну и, конечно – наука. Это и закон Паскаля и формулы Ньютона, описывающие движение тел, и теорема Фалеса, и еще множество вещей, благодаря которым появились утюги и дрели, самолеты, транзисторы, космические телескопы и шампунь от перхоти. А еще благодаря науке появился Интернет, в котором теперь можно найти описание всех этих нужных и огромной массы ненужных вещей…

Зачастую, даже в тех случаях, когда точное описание поведения или свойств объектов требует сложных расчетов, на качественном уровне оно остается простым. Например, точное решение уравнений движения жидкости до сих пор остается неподъемной задачей. Но это не мешает пониманию того, что струей воды можно смыть грязь, или даже резать металл.

И все-таки, окружающие нас системы довольно сложны. Чтобы это объяснить, чтобы не оставлять пробелов в наших рассуждениях, придется вспомнить о вещах достаточно широко известных, но не теряющих от этого своей важности.

в – 3) Иерархия

Много повидавшая на своем веку старуха Изергиль делится на три самостоятельные части.

из школьных сочинений

– И сколько же у тебя людей-то в подчинении?

– Почти 3 тысячи.

– Батюшки, как ты с ними справляешься, трудно небось?

– Трудно с тремя, а потом уже число не имеет значения.

из кинофильма “Москва слезам не верит”

В результате объединения элементов с образованием системы, возникает единый объект. А раз он единый, то при включении в систему более высокого ранга, он может рассматриваться как некая единица, внутреннее строение которой на данном уровне можно не принимать во внимание. Таким образом, из понятия единства органичным образом следует свойство иерархии систем.

Можно посмотреть на это и с другой стороны. В составе сложных систем могут быть выделены простые блоки. Каждый из этих блоков тоже может быть системой, состоящей из элементов. При этом деление может быть произвольным, но чаще всего отражает какие-то закономерности.

Например, старые города делились на районы в соответствии с сословными, профессиональными или религиозными различиями жителей. Жители московского района Кожевники когда-то занимались исключительно выделкой кож. Название района Хамовники происходит от слова «хам», которое с XIV века обозначало льняное полотно. Соответственно, проживали там ткачи, а вовсе не невежливые люди. Район вокруг Сорбонны в Париже называется Латинским кварталом потому, что преподавание в средневековых университетах велось на латыни. Названия Еврейского, Армянского и Мусульманского кварталов Старого Иерусалима говорят сами за себя.

Отношения между собой жителей всех этих районов были более тесными, чем с жителями соседних. Население района зачастую выступало сообща, как одно целое. Примером могут служить студенческие волнения в Париже в 1968 году, центром которых был Латинский квартал. Как единое целое может рассматриваться район и с точки зрения входящих и выходящих потоков. Например, Еврейский квартал Иерусалима в субботу потребляет меньше энергии, чем в обычные дни.

Аналогично, любая система может быть разделена на “районы”, которые на данном уровне выступают как простые элементы. Такое районирование называют декомпозицией системы. Сами элементы – “улицы” или “кварталы” тоже могут быть представлены как системы и подлежать районированию. Но только тогда, когда наступит их очередь.

При таком подходе, конструктор или изобретатель на любом из уровней имеет дело с относительно простой системой, модель которой легко “помещается в голове”. Количество переменных (разнообразие состояний) такой простой системы относительно невелико. При этом, зачастую, ее элементы (подсистемы) являются известными, стандартными и легко прогнозируемыми. Их можно рассматривать как простые элементы, не вникая во внутренние механизмы реализации. Все это сильно упрощает принятие решений и проектирование.

Природа тоже часто пользуется тем, что можно сначала создать устойчивую форму, например, атом или живую клетку, а затем использовать ее в качестве “кирпичика” для строительства более сложной конструкции. Это, например, частично объясняет уникальную сложность живых организмов. Так, возникновение клетки, по мнению многих ученых, тоже происходило по этапам. Сначала появились сложные молекулы, которые каким-то образом научились воспроизводить сами себя. Они начали бороться за ресурсы, и таким образом включился механизм естественного отбора. Это привело к усложнению структуры молекул. Отбор привел к возникновению конгломератов молекул, их специализации. Возникли органеллы, из которых, в свою очередь, сформировались первые одноклеточные организмы. Одноклеточные научились собираться в сообщества, появилось разделение функций. Результатом такой ступенчатой эволюции стала невероятная сложность растительных и животных организмов.

Существование устойчивых форм не отменяет при этом эволюцию на “нижних” уровнях системы. Изменения продолжаются на всех уровнях, в том числе на клеточном, но эти изменения подчинены главной задаче – улучшению функционирования всего организма. То же самое можно сказать о технических системах. Развитие часто идет за счет совершенствования узлов, улучшения материалов, систем управления. Такие изменения могут быть незаметны, но накапливаясь, они приводят к значительным улучшениям. Этот путь не менее важен, чем революции, сопровождающие создание принципиально новых устройств и технологий. При этом, постепенное эволюционное развитие предполагает решение множества относительно мелких изобретательских проблем, то есть своего рода революций на уровне “клеток”.

в – 4) Связи и Действия

Ромео любит Джyльеттy, а Отелло душит Дездемонy.

из школьных сочинений

Понятие связи – одно из ключевых в теориях систем. Кроме него часто пользуются термином “отношение”, при этом определяя его как “соотнесение (связь)”. Попробуем разобраться, что это такое. Если связь появляется или исчезает, что-то должно измениться. Иначе нет никакой разницы между связанными и несвязанными объектами. Значит, существует хотя бы одно свойство, отличающее отдельные объекты от группы связанных. Но сама связь, без объектов не имеет смысла. Так, нет смысла утверждать “находятся рядом”, не указывая, кто расположен рядом и с кем. Есть связь – есть новое (системное) свойство, нет связи – нет свойства, а сама она – это нечто эфемерное, которое то ли есть, то ли нет. Не напоминает ли это отношение единства, или систему?

Получается, сказать “между объектами существует связь” – это все равно, что обозначить некую систему. Например, два человека, между которыми существует супружеская связь составят систему, которую можно обозначить как “чета”. Супружеская чета может выступать как единый объект в разных отношениях, например совместно владеть собственностью. Вот и словарь Ожегова определяет связь как “Отношение взаимной зависимости, обусловленности, общности между чем-нибудь”. Здесь “общность” – одно из ключевых слов, и это слово является синонимом единства. А еще говорят, что связь соединяет (со-единяет).

Связь может быть условной, “эфемерной”. Например, объекты могут соседствовать в каком-то списке. Но это не отменяет факта возникновения системы – группа соседних элементов также может рассматриваться как единый объект.

Действие (взаимодействие) – это такая связь, существование которой приводит к изменению состояния по крайней мере одного из взаимодействующих объектов.

Связи и действия принято изображать линиями или стрелками, которые соединяют объекты. Но это всего лишь вопрос удобства. Математическую операцию, например бинарную логическую операцию импликации, можно обозначить как А→ В, а можно – implication(A,B). Способ изображения в виде стрелки только немного маскирует истинную сущность связи, как элементарной системы

При этом многие действия, на самом деле, имеют сложную структуру. Представьте, что Вы хотите быстро высушить влажную футболку, и для этого обдуваете ее струей воздуха от вентилятора. В этом, на первый взгляд, простом действии участвует промежуточный элемент – воздух. Кроме того, сам процесс сушки – результат множества единичных актов взаимодействий огромного числа молекул. Получается, действие тоже может быть сложной системой. И наоборот, сложный процесс практически всегда удается разделить на простые составляющие в виде отдельных простых действий.

Даже с учетом возможной комплексной природы, видов действий не так уж и много. По крайней мере – меньше, чем видов известных нам объектов. И результаты подавляющего большинства видов действий на определенные классы объектов нам прекрасно известны. Нам также известно, как объекты, находящиеся в определенном состоянии, будут действовать на своих соседей. Знания о таких элементарных системах, в сочетании со свойством иерархичности, позволяет нам конструировать сложные устройства и процессы.