Инженерная онтология. Инженерия как странствие

Само понятие «общая теория систем» предложено Л. фон Берталанфи, который впервые показал наличие изоморфизма законов, управляющих развитием систем различной природы.

границах теории систем характеристики любого сложно организованного целого рассматриваются сквозь призму четырёх фундаментальных определяющих факторов:

Ÿ• устройство системы;

Ÿ• её состав (подсистемы, элементы);

Ÿ• текущее глобальное состояние системной обусловленности;

Ÿ• среда, в границах которой развёртываются все её организующие процессы.

Известно довольно много «общесистемных законов», установленных физиками, кибернетиками, биологами, психологами, экономистами и администраторами. Весьма интересна попытка придать статус общесистемных законов некоторым закономерностям, отражающим современный этап развития капитализма. Таковы, например, «принцип актуализации функций», устанавливающий необходимость «дисциплинарного общества», «принцип прогрессирующей механизации», который в современной формулировке фиксирует необходимость регулирования центром отношений между элементами системы. «Закон опыта» У.Эшби фиксирует современное состояние управленческих механизмов и систем и также не носит общесистемного характера.

Приведем здесь в кратких формулировках некоторые положения, которые, на наш взгляд, действительно носят общий характер:

• «гипотеза семиотической непрерывности», согласно которой система есть образ её среды;

• «принцип обратной связи», указывающий, что устойчивость в сложных динамических формах достигается за счёт замыкания петель обратной связи;

• «принцип организационной непрерывности», утверждающий, что любая возможная система принципиально разомкнута относительно своего внутреннего состава;

• «принцип совместимости» фиксирует, что «условием взаимодействия между объектами является наличие у них относительного свойства совместимости», то есть относительной качественной и организационной однородности;

• «принцип взаимно-дополнительных соотношений» указывает что необходимой «основой всякой устойчивой системной дифференциации является развитие взаимно-дополнительных связей между её элементами»;

• «закон иерархических компенсаций» фиксирует, что «действительный рост разнообразия на высшем уровне обеспечивается его эффективным ограничением на предыдущих уровнях»;

• «закон минимума» — общая устойчивость системы определяется наименьшей её частичной

• «закон расхождения» (Г.Спенсер), также известный как принцип цепной реакции фиксирует, что активность двух тождественных систем имеет тенденцию к прогрессирующему накоплению различий.

Понятия системы и структуры системы являются в ОТС центральными, их обсуждению посвящена не одна книга.

Следуя Р. Акофу и В. И. Свидерскому различать понятия системы и совокупности[89].

Назовем совокупностью элементов любое их объединение.

Совокупность элементов назовем системой, если она имеет положительную энергию связи или если в динамике составляющих её объектов существуют корреляции. Положительность энергии связи означает, что разложение системы на отдельные элементы требует внешнего воздействия. (Разложение следует понимать как последовательное удаление элементов на бесконечность). Термин «корреляция может быть рассмотрен чисто математически.

Назовем окружающей средой данной системы «совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы».

Перейдем теперь к определению понятия «структура». Большинство специалистов придерживается классического взгляда на структуру, как на совокупность связей, отношений между объектами системы. Альтернативная формулировка, выдвигающая на первый план понятие взаимодействия, принадлежит В.Свидерскому и О.Зенькиной.

По — видимому, бессмысленно вдаваться в дискуссию об эквивалентности или неэквивалентности категорий «отношение»: «взаимная связь» и «взаимодействие». Обыденные значения этих терминов, во всяком случае, не вполне совпадают. Нам представляется более естественным отталкиваться от понятия взаимодействия.

Однако, само по себе понятие взаимодействия носит слишком общий и в известной степени поверхностный характер. Хотелось бы построить такое определение, в котором исходным был бы термин, обозначающий причину, источник взаимодействия. Этот термин — противоречие — принадлежит диалектической философии.

Любое противоречие внутри системы или между системой и окружающей средой определим как структурный фактор. Будем называть in-структурой совокупность всех структурных факторов, порожденных отношениями внутри системы; совокупность остальных факторов назовем out-структурой. In— и out-структуры вместе образуют структуру системы.

Нетрудно видеть, что данное определение согласуется с классическими — противоречие подразумевает взаимодействие, взаимосвязи, неоднородности в системе, «динамические противоречие — это всегда сложные динамические структуры».

Понятно, что число структурных факторов может быть сколь угодно велико. В процессе исследования необходимо абстрагироваться от большинства из них, сосредоточив свое внимание на немногих. Процедуру редукции структуры, то есть, исключения из рассмотрения части структурных факторов, будем называть выделением уровня исследования.

Концепция уровней исследования позволяет конкретизировать понятия изо— и гомоморфизма систем. Назовем две системы изоморфными на определенных уровнях исследования, если совпадают их структуры, и гомоморфными — если одна структура образует подмножество другой.

В построенном понятийном аппарате простой вид приобретают законы диалектики.

Закон единства и борьбы противоположностей обычно записывается следующим образом: «наличие противоречий в системе вызывает движение, направленное на разрешение этих противоречий» (прямая формулировка) и «движение системы означает существование в ней противоречий» (обратная формулировка).

В терминах классической теории систем данный закон приобретает вид: «движение системы, её развитие есть (..) самодеятельный диалектический процесс, то есть, процесс, в котором противоречие в данной системе вызывает её постоянное движение и развитие».

В предложенной системе определений наличие противоречий означает структурность. Тогда первый закон диалектики записывается следующим образом: «структурность системы на данном уровне исследования представляет собой необходимое и достаточное условие её динамичности на том же уровне». Назовем это утверждение законом динамики систем.

Заметим, что оно включает в себя и прямую, и обратную формулировки закона единства и борьбы противоположностей, позволяет рассматривать эволюцию замкнутой системы, не прибегая к посторонним силам.

Второй закон диалектики, который принято называть законом перехода количества в качество, не имеет удобной формулировки аксиоматического типа. Чаще всего он записывается в следующем виде: «накопление незаметных, постепенных изменений в определенный для каждого процесса момент с необходимостью приводит к существенным, коренным, качественным изменениям, к скачкообразному переходу от старого качества к новому».

В рамках системного подхода качественные особенности cиcтeмы определяются её структурой, количественные факторы можно выразить через состояние. Соответственно, качественный скачок означает переход от одной структуры к другой, в то время как медленные, качественные изменения происходят внутри одной структуры.

В.Свидерский указывает: «Качество, как единство элементов и структуры допускает определенные изменение входящих в него элементов без изменения всей структуры. Подобные изменения в рамках данного качества носят название количественных изменений (…) содержанием качественного скачка выступает изменение структурной связи элементов».

Наиболее простая и точная структурная формулировка второго закона диалектики выглядит следующим образом: «структурные факторы системы устойчивы почти всегда. Если Т — время жизни системы, а Т— суммарное время структурных изменений, то 0< Ʈ/ T<<1». (Закон динамики структур).

В развернутой форме данное утверждение означает, что в течение определенного длительного времени система развивается, сохраняя свою структуру, а затем происходит качественный скачок, выражающийся в замене одной структуры другой, причем длительность скачка много меньше периода квазистационарности.

Интересно, что, как оказалось, этот закон носит не всеобщий характер. Подобно пятому постулату Эвклида, который, в действительности, классифицировал виды пространств, выделяя плоские и искривленные, закон перехода количества в качество классифицирует системы.

Если в системе не меняется ни один структурный фактор, пока эта система существует, она относится к механическим или примитивным, ее динамика может быть просчитана до конца. К примитивным системам относится математический маятник. Или Земля, если мы рассматриваем ее в задаче обращения планеты вокруг Солнца.

Если в системе закон перехода количества в качество выполняется в своей полной формулировке: то есть, некоторые структурные факторы меняются, но смена их происходит очень редко, в результате Ŧ/T<<1, мы имеем дело с аналитической системой. Именно такие системы, по преимуществу, и изучаются ОТС. К аналитическим системам относится физический маятник, военная операция, технические системы, например, линейные корабли или реактивная авиация, классический рынок.

Существуют, однако, системы, в которых структурных факторов настолько много, что, хотя каждый из них «почти всегда устойчив», в каждый момент времени меняется хотя бы один из них. То есть, неравенство Ŧ/T<<1 действует не для всей совокупности структурных факторов, а для каждого из них, и должно быть заменено на два соотношения:

(1) для любого j Ŧj/T<<1, но

(2) (Σ Ŧj)/T≈1.

Такие системы назовем хаотическими. Их изучение началось в конце ХХ века и очень далеко не только от завершения, но и от получения каких-либо практических результатов. К хаотическим системам относится атмосфера планет, человеческое общество, вероятно биоту, как совокупность всех форм жизни на земле, возможно, современный деривативный рынок (смотри главу 6).

Теоретически возможна система, в которой в каждый момент меняются все структурные факторы, причем, число их очень велико.

для любого j: Ŧj/T≈1, и

(Σ Ŧj)/T>>1.

Такие системы предсказываются современной физикой и могут быть названы сингулярными. К ним относится пространственно-временная пена Д.Уиллера, и это — единственный известный пример сингулярной системы, и, вероятно, вообще единственный:-).

Особые трудности в классическом диалектическом материализме связаны с законом отрицания отрицания. Интуитивно этот закон воспринимается очень хорошо, так что приходится считать, что он описывает какие-то весьма существенные свойства материального мира. Но все попытки предложить его аксиоматическую формулировку были, насколько мне известно, безуспешными. До сих пор утверждается, что он «выражая преемственность, связь нового со старым, повторяемость на более высокой стадии развития некоторых черт предыдущей стадии, указывает на принципиальные особенности процесса движения — создание новых сущностей, которые оказываются «третьими» по отношению к парам противоположностей, вызвавших движение, и на противоречивый, преходящий характер этих сущностей». Аналогично у В. Свидерского: «данный закон содержит в себе четыре основные черты: развитие как отрицание, поступательный характер развития, ступенчатость развития и известное повторение на последней стадии развития некоторых существенных черт первой ступени, но на новой основе».

Нельзя не признать, что структурная формулировка третьего закона диалектики, хотя она и выглядит более ясной и четкой, несколько разочаровывает по сравнению с общепринятой.

«Структурность системы сохраняется в процессе динамики».

Или, другими словами, разрешение диалектического противоречия — событийное или проектное — вызывает возникновение, по крайней мере, одного диалектического противоречия, причем — на том же уровне исследования.

Отметим, что три закона диалектики линейно связанны. Действительно, если структурная система динамична, а динамичная структурна, то и динамичность, и структурность системы должны быть сохраняющимися характеристиками. Таким образом, базис законов диалектики состоит лишь из двух независимых утверждений.

Очевидным следствием законов диалектики является закон однозначности динамики: динамика системы на данном уровне исследования однозначно определяется её структурой и начальным состоянием.

Понятно, что точная динамика определяется полной структурой — совокупностью всех структурных факторов. Поэтому следует стремиться учесть все стороны, все связи изучаемой системы. Таким образом, следствием закона однозначности динамики и определения термина «структура» оказывается закон всеобщей связи явлений.

Из второго закона диалектики вытекает также закон взаимного превращения друг в друга противоположностей, доведенных до крайности и основополагающий принцип общей теории систем, утверждающий, что изоморфные системы ведут себя одинаково.

Структурные формулировки законов диалектики могут быть переведены в форму динамических соотношений, описывающих взаимодействие систем:

Заметим прежде всего, что динамика системы, находящейся вблизи равновесного состояния, должна подчиняться обобщенному принципу Ле-Шателье-Брауна: система препятствует любому изменению своего состояния, вызванному как внешним воздействием, так и внутренними процессами, или, иными словами, — любое изменение состояния системы, вызванное как внешними, так и внутренними причинами, порождает в системе процессы, направленные на то, чтобы уменьшить это изменение.

Так, например, выброс в атмосферу фреонов, разрушающих озон, приводит вовсе не к разрушению «озонового слоя», как это представляется «зеленым», а к сдвигу равновесия в обратимой химической реакции превращения кислорода в озон: 3О2 <-> 2О3.

Точно так же, выброс «парниковых газов» приводит не к повышению концентрации СО2, как думают сторонники концепции «глобального потепления», а к смещению карбонатгидрокарбонатного равновесия в мировом океане:

2NaHCO3 <-> Na2CO3 + H2O + CO2. (Мы не обсуждаем здесь сомнительную тему влияния концентрации углекислого газа на температуру).

Примерами проявления принципа Ле-Шателье-Брауна могут служить правило Ленца и третий закон Ньютона; из данного принципа вытекает также важное для термодинамики соотношение взаимности Онцагера. Принцип Ле-Шателье объясняет распространенность в природе (в физике, в химии, в биологи, в популяционной динамике, в общественных отношениях) процессов, описывающихся уравнением гармонических колебаний или — на следующем уровне исследования — системой уравнений для связанных маятников.

Использование принципа Ле-Шателье для анализа качественных изменений в системе заставляет сделать вывод о принципиальной важности динамики флуктуаций: «За пределами линейной области устойчивость уже не является следствием общих законов физики. Необходимо специально изучать, каким образом стационарные состояния реагируют на различные типы флуктуации, создаваемые системой или окружающей средой. В некоторых случаях анализ приводит к выводу, что состояние неустойчиво. В таких системах определенные флуктуации вместо того, чтобы затухать, усиливаются и завладевают всей системой, вынуждая её эволюционировать к новому режиму, который может быть качественно отличным от стационарных состояний…» (И.Пригожин).

Принцип Ле-Шателье, постулирующий возникновение отрицательных обратных связей при взаимодействии «система — окружающая среда», объясняет устойчивость динамических структур. Однако, диалектический характер развития подразумевает, что гомеостаз не является абсолютным, то есть, что наряду с устойчивостью существует также изменчивость, наряду с отрицательными — положительные обратные связи. Как указывает Н. Н. Моисеев: «… понимание того, что развитие, эволюция организационных структур любой физической природы определяется противоречивыми тенденциями, прежде всего двумя основными типами обратной связи (…) является, безусловно, одной из важнейших характеристик мирового процесса самоорганизации».

Исследование механизма изменчивости дает возможность сформулировать утверждение, носящее столь же фундаментальный характер, как и принцип Ле-Шателье.

Мы будем говорить, что система S1 имеет большую структурность, нежели система S2, если они рассматриваются на одном уровне исследования и выполняется хотя бы одно из следующего набора требований:

• структура системы S2 гомоморфная, но не изоморфна структуре системы S1;

• удельная энергия связи системы S1 много больше удельной энергии связи системы S2;

• все структурные факторы S1 суть внешние по отношению к соответствующим структурным факторам S2.

Разумеется, в процессе развития уровень структурности системы может меняться. Так, вблизи точки фазового перехода резко падает удельная энергия связи.

Закон индукции структур указывает, что более структурная система индуцирует свою структуру в системы, с которыми она взаимодействует.

Важным его проявлением служит свойство эргодичности динамики подсистем, гомоморфных некоторой объемлющей системе. Закон индукции структур указывает, что любая гомоморфная подсистема приобретает структуру объемлющей. Пусть структура подсистемы изменилась при сохранение объемлющей, тогда через какое-то время подсистема ввернется в исходное состояние.

Примеры индукционных явлений широко известны в науке. Так, именно индукцией обусловлены корреляции между солнечными ритмами и процессами в биосфере, а также существование в природе недавно обнаруженного глобального 90 минутного цикла.

физике четко выраженным примером индукции служат фазовые переходы. Они возможны лишь при наличии зародышей новой фазы, которые, будучи при данных условиях энергетически более выгодными, начинают развиваться за счет старой, индуцируя в неё свою структуру. Аналогичным образом происходит рост кристаллов, перемагничивание ферромагнетиков, переориентация сегнетоэлектриков. Индуктивными являются также процессы распространения волн.

В термохимии примером действия интересующего нас закона служат автокаталитические реакции вида А + 2Х а 3Х. В таких реакциях, как указывает И. Пригожин, «…нам необходимо иметь X, чтобы произвести ещё X».

И. Пригожину удалось разрешить кажущееся противоречие между законом индукции, действие которого, обычно, приводит к усложнению структуры системы, и вторым началом термодинамики, постулирующие деградацию структуры и переход системы к равновесному стационарному состоянию. «Разрушение структур, — подчеркивает он, — наблюдается, вообще говоря, в непосредственной близости к термодинамическому равновесию. Напротив, рождение структур может наблюдаться (при определенных нелинейных кинетических закономерностях) за пределами устойчивости т. д. ветви», причем: «устойчивости стационарных состояний могут угрожать только стадии, содержащие автокаталитические петли, т. е. такие стадии, в которых продукт реакции участвует в синтезе самого себя».

Иными словами, усложнение организации происходит исключительно путем индукции структур.

Пригожину принадлежат многочисленные примеры индукции структур в биологии. Так, синтез АТФ представляет собой типичную автокаталитическую реакцию: «...молекула адепозинтрифосфата, необходимая для метаболизма живых систем, является конечным продуктом последовательности реакций в гликолитическом цикле, в самом начале которой находится молекула АТФ. Чтобы получить АТФ, нам необходима АТФ!» Аналогично, «чтобы получить клетку, необходима клетка».

Структурная формулировка законов диалектики, принцип Ле-Шателье и закон индукции структур образуют фундамент структуродинамики, которая, в свою очередь, положена в основу пиктографического анализа (смотри главу 2).

Структуродинамика рассматривает любые изоморфизмы исключительно как порождение процесса индукции, не обязательно — непосредственной.