Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 145

К оглавлению

Опубликовано01 ноября 2012 года

Системные мыслители рассматривают мир как совокупность обратных связей. - Донелла Медоуз

Потянуло как-то меня в последних колонках на обсуждение социальных проблем... Вы не будете возражать, если я обсужу здесь некоторые самые простые мысли, относящиеся к проблеме управления сложными системами?

Я начну с прямо-таки азбучных мыслей. Я опишу приём, который использую на лекциях по экологии. Делаю я это в большой аудитории, стоя рядом с высокой деревянной трибуной (залезать на неё кажется мне слегка смешным). Я говорю студентам: вот перед вами стою, не шевелясь, я, и рядом со мной стоит трибуна. Одинаково мы с ней поддерживаем своё положение или по-разному? Почему я устаю от такого стояния, а трибуна не устаёт? А что будет, если с высокой точностью регистрировать мелкие изменения положения тела человека и неживой конструкции?

Трибуна вовлекается в затухающие упругие колебания разнообразными механическими воздействиями, например звуками и сотрясениями пола. Частота её вибраций зависит и от частоты действующих на неё колебаний, и от свойств самой трибуны: её веса и упругости. С человеком намного сложнее. Его тело тоже реагирует на внешние колебания, но и само оно генерирует значительно более серьёзные вибрации. Наше тело вовлечено одновременно в несколько различных колебательных процессов, каждый со своей частотой и амплитудой. Причина этих колебаний — внутренняя.

А что произойдёт, если полностью затемнить помещение, где находится стоящий человек (или попросту закрыть ему глаза)? Один из колебательных процессов, в который вовлечено его тело, исчезнет. Почему?

Стоящий человек смотрит на окружающую среду. Если его тело отклоняется от избранного положения больше, чем на некую пороговую величину, его зрение зарегистрирует это по относительному перемещению окружающих предметов. Отвечающий за поддержание позы центр нашего мозга корректирует тонус поддерживающих тело мышц, компенсируя отклонение. Обычно это приводит к гиперкомпенсации: тело отклоняется в другую сторону. Зрение регистрирует отклонение, мозг даёт необходимые команды, мышцы компенсируют (гиперкомпенсируют) нарушение...

Если мы так или иначе перекрываем зрительный канал информации, человек не падает. Он продолжает стоять, ориентируясь на информацию вестибулярной системы (органа равновесия) и на показания рецепторов в мышцах и связках. Эти системы порождают свои колебания, характеризующиеся собственной частотой и амплитудой... Отклонение – восприятие – управляющая реакция – компенсация...

Стоящий человек, в отличие от трибуны, устаёт, потому что его мышцы всё время работают. А что будет, если он сильно устанет или, например, окажется под воздействием веществ, нарушающих работу его мозга? Он начнет раскачиваться, как пьяный. Скорость его реакции замедлится, амплитуда колебаний увеличится, и они станут заметными для невооружённого взгляда.

Мы описали регуляцию позы посредством отрицательных обратных связей. В нашем случае прямая связь – влияние мышечной активности на положение тела. Но положение тела само влияет на мышечную активность – это обратная связь. Те обратные связи, благодаря действию которых начальное отклонение компенсируется (результат срабатывания обратной связи противоположен по знаку начальному отклонению), называются отрицательными (–ОС). Отрицательные обратные связи стабилизируют систему, на их действии основан механизм регуляции. В случае положительных обратных связей (+ОС) начальное отклонение усиливается. Положительные обратные связи переводят систему в иное состояние.

Давайте приведу свой любимый пример отрицательных обратных связей. На костре стоит котелок. Если котел горит слишком сильно, вода из котелка выкипает и частично тушит огонь. Кипение уменьшается, и огонь постепенно начинает разгораться... Это – система, в которой реализуется отрицательная обратная связь. А в каком случае она была бы положительной? Если бы в котелке был керосин (или хотя бы жир)!

Простые неживые системы обычно сохраняют свои параметры постоянными благодаря своей косности, статичности. Живые системы динамичны. Их характеристики оказываются постоянными вследствие работы –ОС.

Для управления системами важно понять, какие именно параметры определяют частоту и амплитуду колебаний. В примере с опьянением мы видели, что увеличение запаздывания в работе –ОС приводит к уменьшению частоты автоколебаний и увеличению их амплитуды. Если такое запаздывание окажется слишком сильным, система может просто «вылететь» из того диапазона состояний, в котором регуляция оказывается эффективной. Например, сильно пьяный человек может отклониться от вертикального положения настолько, что ему потребуется взмахивать руками или выдвигать в сторону падения ноги. Фактически это означает, что для поддержания вертикального положения тела включаются новые обратные связи.

Чтобы показать этот эффект, я обычно прошу выйти ко мне какого-то студента, ставлю его рядом с собой, отвлекаю внимание, а потом коварно толкаю. Чтобы удержаться на ногах, он взмахивает руками. А следующий шаг в рассуждениях мы обсуждаем уже чисто виртуально: я спрашиваю, что будет, если вызванное моим толчком отклонение превысит его регуляторные возможности. Он упадёт.

Тело человека при падении отклоняется настолько, что его начинает валить земное притяжение. Чем сильнее он отклонится, тем сильнее он будет отклоняться тяготением. Такое поведение характерно для систем, вышедших за диапазон регуляции –ОС и попавших в диапазон преобладания +ОС.

Работу обратных связей можно наглядно показывать в виде определённой поверхности, по которой «скатывается» динамическая система (нечто вроде эпигенетического ландшафта Уоддингтона, если знаете, о чём я).

Такие аналогии полезны, но не надо забывать, что поверхность, по которой «катится» система, не является для неё чем-то внешним. Рассмотрите рисунок как иллюстрацию состояния пьяного человека, и вы поймёте, что показанная на нём поверхность – выражение тех связей, которые работают и в самой системе тоже!