Раздел 3. Введение в теорию систем

Что такое система? Это понятие широко применяется – система Дарвина, система вала, система отсчета, система Станиславского, система Менделеева и т. п. Этим термином обозначают:
• определенный порядок в расположении и связи частей чего-нибудь (Солнечная система, система Менделеева);
• форму организации чего-нибудь;
• порядок, обусловленный планомерным, заданным расположением частей (например, организация системы расчетов);
• совокупность принципов, служащая для основания какого-либо учения (например, система Станиславского);
• форму общественного устройства (например, капиталистическая система);
• совокупность частей, связанных общей функцией (например, система кровообращения);
• техническое устройство, конструкцию;
• совокупность хозяйственных единиц, учреждений, организационно объединенных в единое целое (например, система образования);
• то, что стало обычным, нормальным, регулярным (например, утренняя зарядка).

Слово «система» по-гречески означает «состоящее из частей».
Система есть сущность, которая в результате взаимодействия ее частей может поддерживать свое существование и функционировать как единое целое [4].
Поведение различных систем зависит от того, как связаны между собой их части, а не от самих частей. Поэтому можно, опираясь на одни и те же принципы, понять поведение многих систем. Важно знать эти принципы!
Если понять, что главное в системе – характер связей, и изучить его, то открывается поразительный факт. Оказывается, системы совершенно разной природы (социальные, биологические, технические), подчиняются одним и тем же общим законам организации. В силу этого можно предсказывать поведение систем, даже если у нас нет детальных знаний о ее элементах! Следуя одним и тем же принципам, можно оказывать влияние на свое здоровье, бизнес, финансы и отношения в социуме.

Нас учат мыслить логично, анализировать, то есть разбивать события, объекты на части, а затем опять собирать их. Часто это приводит к успеху. Но опасность подстерегает тех, кто использует такой подход во всех ситуациях. Он не работает, когда имеешь дело с системами. Люди и события далеко не всегда подчиняются законам логики. Их поведение может быть непредсказуемым, неуправляемым.
Привычное и обыденное причинное мышление не срабатывает, когда нам приходится иметь дело с системами, потому что оно склонно везде усматривать действие простых, локализованных в пространстве и во времени причинно-следственных связей, а не комбинаций возможных факторов. В системах причина и ее следствие могут быть далеко разнесены в пространстве и времени. Следствие может проявиться спустя много лет или даже десятилетий. А принимать решение, как действовать, надо сейчас. Например, мы до сих пор не можем представить себе степень пагубности воздействия пестицидов и химикатов на почву. Если мы не в состоянии с помощью логического мышления установить в момент принятия решения связи между причиной и следствием, стоит попробовать системное мышление. Иногда оно предлагает совсем нелогичные, парадоксальные решения. Например, в случае сильного переменного ветра тушить лесной пожар не водой, а создав встречный пожар.

Системное мышление очень практичная вещь – можно лучше управлять своей жизнью и даже событиями, системами в ее окружении, если научиться видеть закономерности, управляющие происходящими в ней событиями. Решая проблемы, мы часто «напрягаемся изо всех сил», ломимся, упираемся в закрытую дверь. И только после выясняем, что надо всего лишь легонько потянуть ручку на себя, и дверь откроется. Системное мышление как раз и заключается в том, чтобы знать, в какую сторону открывается дверь и как легко это сделать. А сколько бесполезных сил мы тратим на поиски вины, виноватых, в себе или в других. Чаще всего какое-то неприятное событие (или мы неверно толкуем его как не-приятное) случается совсем не вследствие злонамеренности элементов системы, а вследствие ее структуры и законов ее поведения. Понимая структуру и эти законы, мы сможем не только более эффективно решать проблемы, но и усиливать свое влияние на систему.

Самое интересное, что будет постоянно изменяться, развиваться наше мышление, порождающее проблемы. Мы по-другому будем видеть мир и себя в нем.
Но если системное мышление столь чудодейственно, почему о нем так мало известно? Во-первых, оно использовалось главным образом для решения технических и математических задач, долгое время оставалось достоянием ученого мира. Только недавно (в конце ХХ в.) эти идеи стали известны широкой аудитории, когда они стали широко применяться для управления общественными, экономическими, политическими социальными системами.

Во-вторых, система образования, обладая здоровым консерватизмом в обеспечении стабильности своего развития, всегда запаздывает, сталкиваясь с новыми теориями. Учебные программы нельзя радикально изменять каждый год, ведь на их формирование и освоение уходят годы. Поэтому программы вечно отстают от реальной жизни. Сейчас, в начале ХХI в., некоторые университеты только приступают к преподаванию системного мышления через формы активного обучения – командные проекты, деловые игры и пр.

Если проследить историю системного мышления как способности человека обнаруживать и применять на практике 1) принципы обратной связи, 2) возникновение эмергентных свойств, 3) циклической причинности событий, то, оказывается, первая из известных систем такого рода была изобретена Ксентебием, жившим в Александрии в III в. до н. э. Это водяные часы, в которых конусообразный клапан, поднимаясь-опускаясь по трубе, обеспечивает постоянный уровень воды в часах. Этот предшественник используемого в карбюраторах автомобилей поплавкового клапана был изобретен более двух тысяч лет назад для измерения времени. Столетие спустя Герон, также из Александрии, развил изобретение Ксентебия и создал несколько разновидностей поплавкового клапана.

Вплоть до XVIII в. не было создано ни одной механической системы, использующей принцип обратной связи, которая бы не использовала изобретения Герона, кроме примитивного термостата, изобретенного голландским алхимиком Дреббелем в 1605 г. Для превращения свинца в золото ему понадобилось создать в тигле постоянную температуру, и он соорудил термостат, работавший точно так же, как те, что сейчас обогревают дома с автономной системой отопления. Термостат оказался хорошим, а вот золото получить не удалось. Если бы Дреббель догадался запатентовать свое изобретение, то мог бы разбогатеть! Но он этого не сделал, и термостат был повторно «изобретен» лишь сто лет спустя.

Следующий важный шаг был сделан в области медицины и физиологии английским врачом Уильямом Харви, который открыл систему кровообращения. Он опубликовал свой труд в 1628 г. Показал, что именно сердце качает кровь, и тем опроверг господствующую в то время теорию, созданную еще Галеном в 170 г., согласно которой центральным органом кровеносной системы считалась печень. Сердце и кровеносные сосуды действительно образуют систему в виде замкнутого контура. Постоянные изменения в движении сердца и крови поддерживают внутреннюю стабильность организма. За прошедшее с тех пор время медицина постепенно разобралась в устройстве многих систем организма и выяснила не только каким образом поддерживается гомеостаз, но и как различные системы взаимодействуют между собой, обеспечивая слаженную работу организма. В середине 1970-х начала развиваться новая наука – психонейроиммунология. Теперь мы постепенно узнаем, как взаимодействуют ум и тело по контурам прямой и обратной связи. Как стрессы и эмоциональные травмы увеличивают вероятность появления болезней. Как мышление через механизмы нейротрансмиттеров оказывает физиологическое воздействие на организм и как влияние лекарств зависит от нашей веры в них.

Следующую главу истории создаваемых человеком систем открывает Джеймс Уатт, родившийся в 1736 г. Он сделал два изобретения, увеличившие мощность уже тогда существовавшего (!) парового двигателя. Во-первых, сконструировал конденсор, предотвращавший появление пара в цилиндрах. Во-вторых, и это для нас самое важное, в 1788 г. он изобрел центробежный регулятор – революционное устройство обратной связи, автоматически регулирующее скорость двигателя. С помощью этого устройства у машиниста появилась возможность контролировать плавность хода машины.

Подобные механизмы обратной связи обеспечили лучшее управление энергоустановками, и это ускорило ход научно-технической революции. Обратная связь позволяет обеспечить саморегулирование. Машина, конструкция которой включает принцип обратной связи, использует результат собственной работы для регулирования входных параметров. А это и есть базовая концепция автоматизации. Автоматическое устройство самоуправляемо! Все, что работает автоматически, использует обратную связь.
Большой вклад в изучение систем внес Норберт Винер, профессор математики Массачусетского технологического института. В 1948 г. он опубликовал чрезвычайно важную для науки книгу «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине». Она увлекла нас амбициозным обещанием – объединить различные дисциплины, показав, что повсюду действуют одни и те же базовые принципы. Винер предположил, что основной принцип работы термостата может быть обнаружен в развитии экономики, в рыночном регулировании, в системе принятия политических решений. Он определил свой подход как «метод управления системой, при котором входной информацией служат данные о прошлой дея-тельности». Саморегулирование систем с помощью обратной связи стало принципом конструирования, применяющимся почти во всех областях техники. Если вы в состоянии полностью контролировать одну из переменных в процессе, то можете косвенным образом влиять на все остальное, включая механизмы обратной связи! Результатом развития такого подхода стали следящие системы. Это сервомеханизмы, или саморегулирующиеся устройства, в которых управляющий выходной сигнал сравнивают с управляющим входным сигналом и разницу используют для управления следующим шагом. Сервомеханизмы используют в автоматических пилоти-руемых устройствах, на кораблях, самолетах, боевых и космических ракетах.
Достижения кибернетики были предвосхищены во всем, кроме разве что названия самой науки, шестью годами ранее. Передовые мыслители в области биологии, вычислительной техники, антропологии, инженерии и философии начиная с 1942 г. провели ряд конференций, организованных фондом Джосайи Мейси. Эти знаменитые конференции проводились ежегодно в 1942–1951 гг. На них присутствовали Норберт Винер, антрополог Маргарет Мид, философ Грегори Бейтсон, один из основателей вычислительной математики Джон фон Нейман, и Уоррен Маккаллох, автор новаторских работ в области искусственного интеллекта. Эта пьянящая интеллектуальная атмосфера послужила основой развития теории политических игр, кибернетики, работ по искусственному интеллекту. Сложившийся на тех конференциях междисциплинарный подход, нашедший отражение в книге Стивена Хеймса «Кибернетическая группа» (1991), создал возможности для последующего развития системного мышления, кибернетики и многих других на-правлений.

Из представления о единстве принципов развития и организации сложных систем, которые, таким образом, могут быть предметом математического описания, родилась общая теория систем. Ее основы были разработаны биологом Людвигом фон Берталанфи, изложившим свои идеи в книге «Общая теория систем» (1968). Эта теория изучает не функции, а структуру систем. Она нашла применение в исследовании сложных систем в физике, химии, биологии, электронике и социологии. Она послужила основой для развития теории информации, математического моделирования электрических цепей и других систем.
Системный анализ представляет собой сходную группу идей относительно возможности управления и оптимизации социальных и технологических систем. Карл Дейч в книге «Нервы управления» (1963) применил кибернетический подход к анализу политических процессов.

В 1961 г. Джей Форрестер в книге «Индустриальная динамика» применил принципы кибернетики к проблемам экономических систем, промышленности и жилищного хозяйства. Позднее он же сделал предметом анализа с применением техники компьютерного моделирования другие социальные и экономические системы, результатом чего стала новая область науки – системная динамика. Переходя к более масштабным объектам, Форрестер и его коллеги приступили к созданию модели мировой экономики, представлявшей собой глобальную электронную таблицу. Результатом стала нашумевшая книга «Пределы роста» (1972). Основная идея книги в том, что при сохранении нынешних тенденций в области демографии, загрязнения среды, производства продовольствия и использования природных ресурсов, возможности роста будут исчерпаны уже через 100 лет. В 1960 г. началось развитие новой ветви кибернетики, нацеленной на изучение отношений между наблюдателем и изучаемой им системы. Эта дисциплина, названная кибернетикой второго порядка, впервые рассмотренная в работах Хайнца фон Ферстера, изучает то, как люди создают модели систем, частью которых сами являются.

Системное мышление внесло вклад в развитие многих областей. Оно повлияло на работы таких известных ученых, как Стивен Хоукинг (физика и космология), Ричард Докинс (эволюционная биология), Дипак Чопра (медицина).
В своей известной книге «Пятая дисциплина» Питер Сенге сделал системное мышление инструментом анализа проблем менеджмента и лидерства и предложил использовать системные архетипы для бизнеса [13].
От краткого экскурса в историю системного мышления перейдем к основным свойствам и принципам организации и развития систем.
В мире различают три последовательно возникшие и взаимодействующие иерархии систем:

• физико-биологическая (атом, молекула, клетка, органы, особь, стадо, популяция, биоценоз, биосфера);
• социальная (человек, коллектив, общество, сообщество, человечество);
• техническая (орудие, машина, прибор, ЭВМ, комплекс).

Объединение этих типов приводит к смешанным классам систем. Под сложной будем понимать систему, способную вырабатывать решения на основе анализа. У простых систем нет такого свойства. Сложную систему, в составе которой функционирует хотя бы один человек, будем именовать большой.
Установлено, что классы сложных систем с повышением уровня в иерархиях обнаруживают следующие закономерности развития:

1. Разнообразие (число различных систем данного класса) возрастает.
2. Распространенность (число однотипных систем) убывает. В предельном случае есть единичные экземпляры систем высшего уровня иерархии.
3. Сложность (число элементов и связей между ними, разнообразие реакций на внешние воздействия) возрастает.
4. Устойчивость (способность системы противостоять внешним возмущающим воздействиям) имеет тенденцию к понижению при переходе от физико-биологической иерархии к социальной и далее к технической. Устойчивость физических систем уменьшается, а биологических возрастает с ростом их сложности.
5. Эмергентность (степень несводимости свойств системы к свойствам составляющих ее элементов) возрастает.

Как и всякое фундаментальное понятие, термин «система» лучше всего конкретизируется при рассмотрении его свойств.

1. Свойство целостности и эмергентность. В системы могут объединяться элементы самой разной природы – неодушевленные, одушевленные, а также абстрактные представления (понятия, гипотезы, теории, знания). Каким бы ни был состав элементов, главным свойством системы является то, что в ней присутствует новое качество – интеграция элементов образует у системы такие новые свойства, которых нет ни у одного из ее элементов, а у системы в целом есть. Такие новые свойства, появляющиеся только у системы, называют ее интегративными, или эмергентными (буквально «возникающими»), свойствами. А единение элементов в систему с появлением интегративных свойств называется целостностью системы. Понятием эмергентность обычно обозначают степень/меру несводимости свойств системы к свойствам ее элементов. Чем больше у системы «возникших» интегративных свойств, тем выше мера ее эмергентности. Типичным примером интергативного, или эмергентного, свойства системы является умение самолета летать, в то время как ни у какого отдельного элемента самолета (фюзеляжа, крыла, шасси...) такого умения нет. Разобрав систему на части и проанализировав каждую из них, мы не сможем предвидеть все свойства целостной системы. А такой способ познания (анализ-синтез) господствовал долгие века. Чтобы понять системы, надо наряду с анализом-синтезом наблюдать их в действии. Не всякий объект, состоящий из частей, является системой. Например, у большого квадратного рисового поля, поделенного на квадратные составляющие, все свойства общего такие же, как свойства его частей. Нет интегративных, «возникающих» свойств.

2. Важнейшей характеристикой системы является ее структура, то есть внутренняя организация, устанавливающая способы взаимосвязи, взаимодействия компонентов, организацию выполнения функций целого в пространстве и времени. Являясь выражением «связи и размежевания компонентов», структура интегрирует их, придавая общность и устойчивость системе. В инженерно-конструкторском аспекте к структуре иногда относят статические, не зависящие (или почти не зависящие) от времени связи между элементами системы. Если принять во внимание, что элементом системы может быть также система, то с этой точки зрения системы образуют иерархию – структура иерархична и мир есть система систем.

3. У всех систем есть цель. Это свойство целесообразности. Целью или целевой функцией системы называется способность системы находиться в предпочтительном состоянии или же стремиться к этому предпочтительному состоянию. Для иерархии систем цели подсистем складываются в иерархию целей объемлющей системы. Цель системы может быть просто сохранением самой себя. Цель – это желаемое состояние. Пока сохраняется разница между действительным и желаемым состоянием системы, уравновешивающая обратная связь будет сдвигать систему в направлении желаемого состояния. Она смещает систему к ее цели – это связано уже с поведением, следующим свойством системы.

4. Формой существования системы является ее функционирование. Оно направлено на достижение ее целей, определяет ее поведение в различных условиях, является источником ее развития. Можно привести такую условную классификацию принципов усложняющегося поведения систем:
• вещественно-энергетический баланс – соблюдение законов сохранения;
• гомеостазис (греч. гомео – подобный, стазис – состояние) – поддержание состояния самоподобия у живых организмов, осуществляемое посредством метаболизма;
• реактивное поведение, или адаптация – поведение как реакция на событие в форме самоорганизации на основе выбора и коррекции решений. Точно отражается русской поговоркой «пока гром не грянет, мужик не перекрестится»;
• опережающая реакция, или преадаптация – адаптация «заранее» к возможным или предвидимым в будущем изменениям в условиях функционирования системы. Например, все виды профилактики у механизмов и машин или профилактические осмотры у врача;
• рефлексия, или опережающее отражение – определяется только при взаимодействии систем с интеллектом. Деловые переговоры, ведение боевых действий военными, политическое взаимодействие, позиционирование на конкурентном рынке и т. п. В этом случае каждая из систем с интеллектом выстраивает варианты планов своего поведения на будущее, анализируя и прогнозируя варианты действий той системы, с которой она взаимодействует.Системы противятся изменениям, потому что их части взаимосвязаны. Но эти изменения могут быть внезапными, очень быстрыми и эффективными. Если понять систему, то можно найти в ней «уязвимые места». Небольшое воздействие на них может стать причиной больших изменений. Это принцип рычага. Иногда систему сознательно вводят в состояние, чтобы появились такие уязвимые места (планируемый хаос в теории хаоса).

5. Свойство коммуникаций – определяет связи и взаимодействия системы с внешней средой, которая является необходимым условием существования системы. Содержанием коммуникаций является обмен со средой материей, энергией, информацией. Как видно из определения, к внешней среде системы относится не весь остальной мир, а те и только те его элементы, явления, с которыми система взаимодействует. Это важно, например, при конструировании систем. Инженер сам проектирует и выстраивает эту окружающую среду.

6. Свойство системного времени – подчеркивает важность в понимании системы двух обстоятельств:

• необходимость анализа систем в динамике, то есть в их движении и развитии, происходящем в пространстве и во времени;
• обязательное наличие таких фундаментально значимых этапов в жизни системы, как зарождение, становление, развитие, регресс, гибель. «Ничто не вечно под луной».

7. Способность к управлению и самоуправлению – обеспечивает достижение цели с помощью управляющих воздействий по контуру прямой («приказ») и обратной («отчет об исполнении приказа») связи. В процессе управления могут меняться поведение системы и ее структура.

Исключительно важно, что в процессе функционирования между элементами системы образуются петли обратной связи. Это происходит, когда система возвращает часть выхода (информацию о результатах данного этапа поведения) на свой вход, чтобы оказать влияние на следующий шаг. Это главный механизм самоорганизации системы, поддерживающий ее целостность и достижение целей.

Существует два вида обратных связей:

• усиливающая обратная связь – когда изменение выхода системы, возвращаясь на ее вход, усиливает первоначальное изменение в этом же направлении. В результате система удаляется от первоначального состояния с всевозрастающей скоростью. Такой тип обратной связи «раскачивает» систему, выводит ее из равновесия и может привести к экспоненциальному росту;
• уравновешивающая обратная связь – когда изменение со-стояния служит сигналом для противодействия первоначальному изменению, чтобы восстановить утраченное равновесие. Она служит уменьшению действия, которое ее активирует. Уравновешивающая обратная связь противится попыткам изменения системы и поддерживает ее стабильность.

Наряду с этими видами существует упреждающая обратная связь – это когда предвидение или прогноз будущего влияет на настоящее таким образом, что создается ситуация либо

1) самосбывающегося пророчества – например, никакого дефицита соли и в помине нет, но запустили слух, что ее осталось на два дня, – соль исчезает с прилавков, – когда люди верят в предсказание и действуют соответствующе, то есть «материализуют» свои опасения, либо

2) самоопровергающееся пророчество – например, если сказать очень целеустремленному спортсмену, что он проиграет, то это, напротив, заставит его мобилизоваться и выиграть – предсказание только способствует уходу системы из предсказанного состояния.