Страты. Уровни описания, или абстрагирования

Действительно сложную систему почти невозможно описать полно и детально, что по существу вытекает уже из определения такой системы. Основная дилемма состоит в нахождении компро­мисса между простотой описания, что является одной из пред­посылок понимания, и необходимостью учета многочисленных поведенческих (т. е. типа вход — выход) характеристик сложной системы. Разрешение этой дилеммы ищется в иерархическом опи­сании. Система задается семейством моделей, каждая из которых описывает поведение системы с точки зрения различных уровней абстрагирования. Для каждого уровня существует ряд характер­ных особенностей и переменных, законов и принципов, с помощью которых и описывается поведение системы. Чтобы такое иерархи­ческое описание было эффективным, необходима как можно большая независимость моделей для различных уровней системы.

Чтобы отличить эту концепцию иерархии от других, мы будем использовать для нее термин стратифицированная система, или стратифицированное описание. Уровни абстрагирования, вклю­чающие стратифицированное описание, будем называть страта­ми.

Много примеров стратифицированного описания можно найти в естественных науках. Обсуждавшаяся в гл. 1 иерархическая упо­рядоченность структур в науках представляет именно такой слу­чай. На каждой страте в иерархии структур имеется свой соб­ственный набор переменных, которые позволяют в значительной степени ограничить изучение только одной стратой. Независи­мость страт открывает возможность для более глубокого и детального изучения поведения системы; однако предположение о пол­ной независимости страт было бы неоправданным, поэтому пре­небрежение их взаимной зависимостью может привести лишь к неполному пониманию поведения системы в целом.

В самом деле, ограничение, скажем, только биологическим исследованием уже само по себе означает изоляцию, ибо совершенно очевидно, что рассматриваемая система (человек) может быть описана также, с одной стороны, на страте химии или физики, а с другой — на страте экологии или социологии.

Для иллюстрации приведем несколько примеров созданных человеком систем, требующих стратифицированного описания. Рассмотрим модель электронной вычислительной машины. Ее функционирование обычно описывается не менее чем на двух стратах (фиг. 2.2). На первой страте система описывается на язы­ке физических законов, управляющих работой и взаимодействием ее составных частей, в то время как на второй страте мы имеем дело с абстрактными нефизическими понятиями, такими, как двоичные разряды или информационные потоки. На страте физи­ческих законов нас интересует правильное функционирование раз­личных электронных компонентов. На страте обработки информации мы имеем дело с проблемами вычисления, программирования и т. д., а стоящие за этим основные физические законы в явном виде не рас­сматриваются. Разумеется, может представить интерес и описание системы или каких-то ее подсистем на других стратах, помимо этих двух; так, страта атомной физики может представить интерес при конструировании некото­рых электронных компо­нентов, а так называемая системная страта окажется полезной, например, при разработке систем с раз­делением времени.

Другой пример страти­фицированной системы, созданной человеком,— ав­томатизированный промышленный комплекс (об­суждавшийся уже в гл. 1). Полностью автоматизиро­ванный промышленный комплекс обычно модели­руют на трех стратах: а) физические процессы обработки материалов и преобразования энергии, б) управление и обработка информации, в) экономика производства с точки зрения его производительности и прибыльности (фиг. 2.3). За­метим, что на любой из этих трех страт мы имеем дело с тем же самым предметом — основным физическим продуктом. На пер­вой страте он рассматрива­ется как физический объект, который подлежит обработке в соответствии с физическими за­конами; на второй страте его рассматривают как управляе­мую переменную; на третьей страте это уже товар как эко­номическая категория. Для каж­дого из этих аспектов системы имеется свое описание и своя мо­дель, однако система, конечно, остается одной и той же.

Прекрасным примером ис­пользования иерархии моделей одной и той же системы мо­жет служить машина, создаю­щая «устные» литературные ком­позиции [18]. Она имеет лишь один выход — реальное физи ческое «произнесение» литературного текста. Управление же си­стемой может, как видно из фиг. 2.4, рассматриваться минимум на четырех стратах. Первая страта имеет дело с генерацией букв, причем система описывается как машина, производящая звуки. На второй страте осуществляется объединение букв в последо­вательности, которые воспринимаются как слова в грамматике данного языка: система рассматривается как машина, про­изводящая слова. На третьей страте система рассматривается с точки зрения построения предложений в соответствии с задан­ными синтаксическими и семантическими правилами. Наконец, на четвертой страте система оценивается в соответствии с опреде­ленными литературно-эстетическими стандартами с точки зрения стиля и литературной ценности всей композиции.

Перечень примеров стратифицированных систем можно было бы продолжить. Однако приведенных примеров достаточно, чтобы проиллюстрировать некоторые общие характеристики стратифи­цированного описания систем.

1. Выбор страт, в терминах которых описываетсяданная систе­ма, зависит от наблюдателя, его знания и заинтересованности в деятельности системы, хотя для многих систем некоторые страты кажутся естественными, внутренне им присущими. Это утвер­ждение уже было проиллюстрировано выше. В случае с ЭВМ человек, незнакомый ни с назначением системы как вычислитель­ного устройства, ни со способом ее использования в качестве такового, мог бы ограничиться лишь стратой физических законов; при наличии достаточного времени он мог бы дать весьма подроб­ное и точное описание системы, даже не догадываясь о ее вычисли­тельных свойствах. И наоборот, кое-кто может рассматривать схему обработки информации, не представляя себе, какие физи­ческие законы лежат в ее основе. Если нам неизвестен язык, на котором упомянутая выше машина произносит текст, то лучшее, что можно сделать,— это распознать страту машины, производя­щей звуки; если же мы знаем язык, но не имеем литературных критериев или познаний для оценки смысла и композиционного построения текста, высшая страта будет утрачена.

В общем случае стратификация неразрывно связана с интер­претацией производимых системой действий. Контекст, в котором рассматривается и применяется система, определяет, какую страту выбрать как основную и даже, более того, какие страты вообще будут использоваться. Следует, однако, заметить, что почти всег­да существуют некоторые страты, хотя и присущие системе, но не представляющие интереса. Возьмем для примера снова машину, произносящую текст: между стратами составления предложений и литературной композиции можно ввести страту стилистических аспектов композиции. Аналогично, рассматривая отдельные серии вычислений, производимых ЭВМ, можно выделить страту специальных задач, на выполнение которых и запрограммирована машина. ЭВМ целевого назначения могут быть спроектированы для выполнения специальных функций, таких, как управление процессом, для выполнения рутинных операций или обработки деловых данных; здесь ЭВМ вполне может рассматриваться как одностратовая система, так же как цифровой регулятор или аппаратура для коррекции траекторий ракет.

2. Аспекты описания функционирования системы на различных стратах в общем случае не связаны между собой, поэтому принципы и законы, используемые для характеристики системы на любой страте, в общем случае не могут быть выведены из принципов, используемых на других стратах. Принципы выполнения расчетов или программирования нельзя вывести из физических законов, лежащих в основе работы ЭВМ на нижней страте, и наоборот. Аналогично экономические принципы и физические законы, лежащие в основе функционирования системы, не связаны между собой. Поэтому стратифицированное описание есть описание одной и той же системы с различных точек зрения.

3. Существует асимметричная зависимость между условиями функционирования системы на различных стратах. Требования, предъявляемые к работе системы на любой страте, выступают как условия или ограничения деятельности на нижестоящих стратах. Это находится в соответствии с постулированным приоритетом действия. Например, если ЭВМ используется для определенных расчетов, необходимость выполнения арифметических и других операций накладывает определенные ограничения на используемые для их реализации физические процессы. Генерация конкретного текста зависит от работы системы на страте производства звуков, но выбор последовательности звуков определяется уже требованиями более высоких страт. Ход реального процесса определяется требованиями к поведению системы на верхней страте; для надлежащего функционирования системы на данной страте все нижние страты должны работать правильно. Это означает также наличие в иерархических системах обратной связи с получаемыми результатами.

4. На каждой страте имеется свой собственный набор терминов, концепций и принципов. То, что является объектом рассмотрения на данной страте, более подробно раскрывается на нижерасположенной страте; элемент становится набором; подсистема на данной страте является системой для нижележащей страты. Это отношение между стратами показано на фиг. 2.5. На любой данной страте мы изучаем поведение соответствующих систем с точки зрения их внутреннего механизма и эволюции, в то время как их взаимодействие при образовании новой системы изучается на вышележащей страте. Это замечание весьма существенно, ибо показывает, что изучение на нижней страте не всегда лучше или основательнее, чем на верхней.

На нижней страте мы концентри­руем внимание на действиях подсистем, откладывая изучение их взаимодействий для вышестоящих страт. Все было бы иначе, если бы на нижних стратах рассматривалась система в целом, точно так же, как на верхних. Однако это обычно не имеет места, поскольку методологические принципы на одной страте, как пра­вило, не подходят для этого. Следует заметить, что отношение «объект — система» для описаний на различных стратах ведет к иерархии соответствующих языков описания. Учитывая, что для каждой страты существует конкретный набор понятий и тер­минов, используемых при описании системы на этой страте, как правило, имеются и различные языки. Эти языки в свою очередь образуют иерархию с семантическими отношениями между любы­ми двумя последовательными членами иерархии.

5. Понимание системы возрастает при последовательном пере­ходе от одной страты к другой: чем ниже мы спускаемся по иерар­хии, тем более детальным становится раскрытие системы, чем выше мы поднимаемся, тем яснее становится смысл и значение всей системы. Можно показать, что объяснение назначения систе­мы с помощью элементов той же самой страты по существу есть лишь сжатое описание системы, а для правильного понимания функционирования системы необходимо ее описание с привлече­нием элементов нижележащих, т. е. более детализированных страт. Так, Брэдли указывает:

«Мы имеем ряд последовательных процессов: биолог объясняет передачу наследственных свойств воспроизведением ДНК; био­химик объясняет это воспроизведение формированием пар основ­ных комплементарных нуклеотидов; химик объясняет парность наличием водородных связей; специалист по молекулярной физике объясняет сами водородные связи межмолекулярньши электрическими потенциалами; специалист по квантовой меха­нике объясняет потенциалы на основе волнового уравнения» [19]. Обращаясь к нижним стратам, можно более точно и детально объяснить, каким образом система функционирует, как осуществ­ляется та или иная конкретная операция. С другой стороны, при движении вверх по иерархии описание становится более широким, охватывая большее число подсистем и большие периоды времени. В таком более широком контексте легче понять смысл и назначе­ние подсистем. В примере машины, генерирующей литературный текст, смысл функционирования всей системы становится понятным лишь на высшей страте литературной композиции.

Подводя итоги, можно сказать, что для правильного понима­ния сложной системы фундаментальную роль играет иерархиче­ский подход (стратифицированные модели). Вначале можно огра­ничиться, скажем, одной стратой, в зависимости от интересующей нас задачи и имеющегося запаса знаний, а затем можем либо дета­лизировать свои знания, двигаясь вниз по иерархии, либо добить­ся более глубокого понимания системы, двигаясь вверх по иерар­хии. Выбор исходной страты отчасти определяется также просто­той описания на ней.

Дата добавления: 2015-08-13