// Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 4. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1978. С. 125–165.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЦЕНОЗОВ

Б.И. Кудрин

Действительно, я думаю, мы все

согласны с Ньютоном: самый глубокий

фундамент науки – это уверенность

в том, что в природе одинаковые явления

наступают при одинаковых условиях.

Н. Бор

Создание человеком больших технических систем выявило необходимость новых методов исследования для решения проблем, возникающих при управлении такими системами. Управление сформировавшейся технической системой можно улучшить, оптимизируя существенные параметры. Но эффективность управления будет качественно иной, если управлять до появления системы – "бумагами", управлять созданием, построением технических систем, сформулировав цели на основе объективных законов, действующих при формировании технических систем, например, электрическое хозяйство современного металлургического предприятия, само предприятие, система обеспечения страны сталью.

В результате научно-технической революции произошло качественное изменение технических систем при одновременном резком количественном росте числа изделий, образующих систему. Возросла роль различных документов: усложнился процесс подготовки и принятия решений, возросла роль конструкторских и проектных организаций, перерабатывающих информацию и материализующих её в указаниях и чертежах, определяющих любую создаваемую техническую систему.

Системный подход, как совокупность научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем, возникающих в целенаправленной деятельности [26], позволяет нетривиально подойти к описанию построения технических систем. Применение системного анализа для решения крупных народнохозяйственных проблем, порожденных быстрым и убыстряющимся развитием техники, обещает исключительно большие практические результаты: возможность управления формированием технических систем на основе познания и использования общих законов построения больших систем.

В методологическом плане речь идет о применении определений и понятий, являющихся результатом развития естествознания и философии [3, с. 236], для описания технических систем в рамках общей теории систем. В частности, применяются подход и модели, получившие распространение в биологии [94, 95], науковедении [77], математической лингвистике [48]. Используя достигнутые рядом наук результаты, собранную автором статистику и предложенные теоретические построения, можно предположить существование закона построения технических систем, имея в виду, что "закон есть прочное (остающееся) в явлении" и что "закон есть существенное явление" [3, с. 136].

В последнее время принцип инвариантности стал выступать в качестве общеметодологического. Основываясь на общих направлениях развития кибернетики и системных исследований, покажем подобие организации на уровне сообществ, образованных при ограниченных энергетических и вещественных ресурсах элементами, которые "порождены" информацией; предположим эквивалентность построения технических систем и систем биологических и информационных, что может быть подтверждено, прежде всего, изоморфизмом структуры. В определённом смысле такое предположение будет развитием общепринятого положения Н. Винера о подобии процессов управления и связи в машинах, живых организмах и обществах.

Если для таких больших систем как биологические и технические, существует подобие организации на уровне сообществ, то для объяснения закономерности структурного формирования технической системы в качестве рабочей гипотезы может быть предложена гипотеза, опирающаяся на принцип естественного отбора Ч. Дарвина [27]. Возможность такой параллели не исключал, как известно, К. Маркс, который писал: "Дарвин интересовался историей естественной технологии, т.е. образованием растительных и животных органов, которые играют роль орудий производства в жизни растений и животных. Не заслуживает ли такого же внимания история образования производительных сил общественного человека…?" [5, с. 383].

Закон, предложенный Ч. Дарвином, был изложен И.И. Шмальгаузеном в виде кибернетической схемы регуляции эволюционного процесса (на которую мы будем опираться в дальнейшем) с использованием терминов, не применявшихся Ч. Дарвином [72]. Относительно дарвиновского подхода А.А. Малиновский заметил, что к настоящему моменту и специально в области эволюционной теории структурный, качественный метод дал пока больше, чем дополняющие его математические (в традиционном смысле) исследования [44].

При системном исследовании технических систем неизбежно возникает необходимость привлечения более широких философских категорий. Основываясь на методе диалектического материализма, при рассмотрении различных проблем развития технических систем мы исходили, во-первых, из убеждения в материальном единстве мира, в действии законов физики и химии на любом уровне структурной организации, из тезиса, что "логично предположить, что вся материя обладает свойством, по существу родственным с ощущением, свойством отражения" [2, с. 91]; во-вторых, что развитие диалектично и при этом есть "повторение в высшей стадии известных черт, свойств etc низшей…" [3, с. 203]; в-третьих, что наше мышление в состоянии познавать действительный мир; в-четвертых, из принципа неисчерпаемости материи [2, с. 277]. Последнее неразрывно связано с принципами развития и материального единства мира, о которых В.И. Ленин писал, что "всеобщий принцип развития надо соединить, связать, совместить с всеобщим принципом единства мира, природы, движения, материи etc." [3, с. 229].

Некоторые определения и классификация систем

Используя понятия, сложившиеся в результате развития естествознания, введём определения. Назовем техноценозом ограниченное в пространстве и времени любое выделенное единство, включающее все изделия (сообщество изделий). Под изделием понимается предмет или совокупность предметов производства той или иной технологии. Относить ли к изделиям доменную печь, цветной телевизор или считать их экосистемами – достаточно дискуссионный вопрос, имеющий аналогии и в биологии [30, 94]. Технологии есть "обусловленные состоянием знаний и общественной эффективностью способы достижения целей, поставленных обществом, в том числе и таких, которые, никто, приступая к делу, не имел в виду" [41]. Изделие (машина, оборудование, агрегат, устройство, аппарат, прибор) – самостоятельно функционирующая единица, рассматриваемая далее как элементарная. Определим по аналогии также ряд других понятий. Экосистема – сообщество изделий и неживая среда (физико-химические факторы), функционирующие совместно и рассматриваемые как целое. Популяция – элементарная единица техноэволюции, группа изделий (особей) одного вида, занимающая область пространства с определёнными границами. Техноэволюция – направленное постепенное и закономерное изменение видов изделий в ряду поколений. Генотип – устройство изделия, генетическая конструкция, записанная документально (например, чертежи), совокупность всех документов, определяющих изделие (например, опись описей). Фенотип – реализованный комплекс признаков изделия; работоспособное, "взрослое", отлаженное изделие. Фенотип – реализованный генотип.

Вопросы классификации систем достаточно обширны и сложны, что предопределено общностью самого определения системы [64, т. 5, с. 18]. Следует считаться и со стремлением системными исследованиями охватить всё [8, 59]. Вопросы классификации рассматриваются нами для выявления места изучаемых систем среди других и для методологического обоснования примененного подхода. К классификациям ведёт, как отмечал Ампер (цитируется по [49, с. 7]), естественное стремление человека расположить в определённом порядке известные понятия. Развитие системного подхода – "теоретического обсуждения методов и принципов исследования объектов как систем, то есть как целостных множеств взаимосвязанных элементов" [50, с. 8] неизбежно привело к появлению различных классификаций, имеющих различную общность и различные исходные позиции.

В работе [53] предлагаемая общая классификация систем предусматривает деление на материальные и абстрактные. Материальные системы разделены на естественные (астрокосмические и планетные, физические и химические) и на искусственные (технические и организационно-экономические). Абстрактные системы подразделены на описательные (логические) и символические (математические). Предложенная классификация прослеживается до А.Д. Холла и Р.Е. Фейджина [65]. Иная классификация предложена В.В. Дружининым и Д.С. Конторовым [29], которые все системы делят на классы: физические, технические, кибернетические, биологические, общественные, интеллектуальные.

К предложенным классификациям есть общее методологическое замечание. По существу для системных исследований предлагается новая классификация природы (в предельно широком значении этого понятия), всего материального мира и оставляется в стороне вопрос о соотношении форм движения материи и классификации наук. В методическом плане нельзя считать устаревшим, что "классификация наук, из которых каждая анализирует отдельную форму движения или ряд связанных между собою и переходящих друг в друга форм движения, является вместе с тем классификацией, расположением, согласно внутренне присущей им последовательности, самих этих форм движения" [6, с. 198]. Поэтому при системных исследованиях могут быть выделены системы: физические (неорганический мир, у В.М. Глушкова – минеральный [24, с. 4]), биологические (органический мир), технические, информационные и (не рассматриваемые далее) социальные системы. Каждая из систем может быть отнесена к группе систем в соответствии со свойственной им природой управления и регулирования и в соответствии с научными методами исследований (требующимся и возможным уровнем знания о системе). Следует согласиться с классификацией систем по двум критериям, которую предложил Ст. Бир [12]: I) степень сложности (простые динамические системы, сложные системы, поддающиеся описанию, очень сложные системы); II) различие между детерминированными и вероятностными системами.

Рассмотрим ряд частных замечаний. В классификации [53] отсутствуют биологические системы, а предложенные в [29] биологические подклассы (подсистемы?) не включают ряд систем над и ниже уровня организма, которые приводятся в специальной литературе [19, 47] и которые показаны М.И. Сетровым на схеме взаимосвязей иерархической организации систем природы [56]. Вызывает возражение деление систем на абстрактные и материальные [53]. Новые математические теории "возникают как теории возможных форм действительности. Причем эти формы вовсе не условны, потому что возникают необходимо, вследствие самой логики предмета, и именно поэтому находят реальные применения" [7, с. 67]. Абстракция – модель с необходимостью материальная, если отображается нашими ощущениями и тем более, если используется человеком. Нельзя согласиться и с выделением кибернетических систем на один уровень с техническими и биологическими, что, вообще говоря, противоречит определению кибернетики как науки об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах, под которыми понимают технические, биологические и социальные системы.

В классификации [29] технические системы поставлены до биологических систем. Взгляд, что технические системы "проще" биологических, можно считать общепринятыми и широко распространёнными. Происходящая научно-техническая революция вынуждает отказаться от этого взгляда и изменить подход к изучению технических систем. Изменение подхода имеет два аспекта. Во-первых, любую большую техническую систему можно рассматривать: а) традиционно [16, 29, 53] как большую (сложную) систему, состоящую из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов и выполняющую сложную функцию; б) как сообщество всех изделий (техноценоз) – включающее все популяции (изделия), ограниченное в пространстве и времени выделенное единство, характеризующееся слабыми связями и слабым взаимодействие элементов (изделий), образующих систему. Во-вторых, за последние 25 лет произошли качественное изменение технических систем и приближение их по сложности к биологическим системам. Это вызвано тем, что образующие большую техническую систему изделия (машины, оборудование, агрегаты, устройства, аппараты, приборы) выросли количественно, усложнились и изменились качественно.

Например, на блоке электрической мощностью 300 МВт в систему управления входит различных электронных элементов 10⁶, сигнальных ламп 10⁵ [59]. На крупном металлургическом заводе электрических машин имеется порядка 10⁵, низковольтной аппаратуры – 10⁶, всего различных электротехнических изделий, узлов, блоков и деталей изделий – 10¹⁰ (общее количество изделий и деталей, образующих современное крупное промышленное предприятие, может быть оценено в 10¹¹). Это число большое, используя популярное определение А.Н. Колмогорова, что число – большое, если мы не в состоянии практически перебрать такое число элементов, а можем лишь установить систему обозначения для этих элементов [35]. Используя подход Дж. Литвуда, можно говорить о близости типа числа изделий и деталей технических систем к типу числа всех элементарных частиц во Вселенной 10⁷⁹ [42].

Исторически, по генезису технические системы возникли, и их следует поставить, после биологических систем. При любых сравнениях следует учитывать также продолжительность биологической эволюции, глобальность проводимых природой экспериментов и время технологической эволюции (техноэволюции): сравнить хотя бы по числу поколений. Предлагаемая классификационная последовательность: физические системы – биологические системы – технические системы – позволяет с использованием понятия информации следующим образом описать системы: 1) развитие неорганического мира (физические системы) – использование информации, определяемое физико-химическими законами, при отсутствии специального (выделенного) материального объекта – носителя информации и отсутствии плана использования информации; 2) эволюция (биологическая) – недокументальная запись информации на молекулярном уровне при совмещении материального носителя информации и аппарата воспроизведения себя и наличии плана использования информации; 3) техноэволюция – документальная запись информации при пространственно-временнóм разделении собственно документа, способа воспроизведения (создания) документа и вещественно-энергетического воспроизведения плана (изделия), предусмотренного документом.

Подчеркнём принципиальную разницу в использовании информации в неживой и живой природе. В неорганическом мире выделенный объект изменяется под влиянием окружающей среды; при этом, можно сказать, объектом используется информация для перехода в более стабильное, более вероятное для данных условий состояние. Но, как бы ни были сложны и красивы создания неживой природы, они появились не в результате предварительного плана, не предусмотрены какой-либо программой: нет материального объекта – носителя информации, по которому a priori можно предсказать результат (результат предсказуем на основе физико-химических законов по Лапласу–Ньютону точно; вероятностно-статистически – с определённым приближением).

В процессе развития неорганического мира природа сделала качественный скачок: нашла способ записывать информацию и сохранять информацию во времени путём многократного воспроизведения копий; появился план, программа использования информации для создания системы, обладающей гомеостазисом.

Появилась жизнь. Создались биологические системы. Началась эволюция. Природа пошла по пути специализации, создав материальный носитель информации – ген, что позволило записать всё живое. Законы Менделя, модель Уотсона–Крика – необходимые начала, чтобы прочитать записи природы.

Следующим шагом, сделанным природой по пути специализации, явилось создание технических систем. Произошло разделение функций: 1) появился материальный объект, содержащий закреплённую информацию – документ, выделившийся из гомеостатической системы, системы, которая создается по плану, программе, содержащейся в документе; уникальность и воспроизведение документа не зависят от способа и времени воспроизведения и функционирования гомеостатической системы-изделия; 2) воспроизведение (изготовление) изделия осуществляется во времени и пространстве в соответствии с закреплённой информацией, содержащейся в документе, с использованием определённого документом вещества энергии, которые не принадлежат документу и которые в свою очередь определены документом. Появились технические системы: сначала как отдельные изделия, а затем как техноценозы.

Появление технических систем с необходимостью вызвало появление информационных систем: это системы, создающие документы (в любом их виде [58], включая различные изделия); системы, использующие документы для создания новых документов; системы различной документации и отдельные документы как системы. Распределение слов в тексте, числа учёных по числу написанных ими статей и другие примеры, приводимые в науковедении, лингвистике, экономике, социологии, информатике [10, 18, 21, 33, 45, 46, 48, 66, 77, 96] –всё это примеры информационных систем. Само определение информации – достаточно сложный вопрос [12, 13, 20, 41, 52, 55, 60, 62, 71, 75]. Мы присоединяемся к точке зрения, что информация – свойство всех материальных объектов, в том числе всех неживых (физических и химических). Например, у В.М. Глушкова: "Информация существует постольку, поскольку существуют сами материальные тела и, следовательно, созданные ими неоднородности. Всякая неоднородность несет с собой какую-то информацию" [25, с. 15].

Выделение информационных систем это выделение из материального мира материальных систем, отобразивших реальные системы, но в субъективно преобразованном, изменённом, деформированном виде. "Информация как разнообразие не существует вне других свойств объекта, как сама информация не существует вне времени и пространства, вне энергии и других свойств материальных объектов. Это взаимопроникновение информации во все свойства объекта и служит, на наш взгляд, основой отображения, передачи информации от объекта назначения к субъекту" [62, с. 56]. Если передача информации состоялась и отображение закреплено (создан документ), и его можно передать и использовать, то следует считать, что образовалась информационная система, которая становится самостоятельным объектом изучения.

Технические системы и техноценозы

Для формализованного описания больших технических систем широко применяются различные математические модели, которые привели к важным теоретическим и практическим результатам (оптимизация на сетях, управление запасами, теория массового обслуживания [17]; теория автоматов [24] и т. п.). Если подсистемы различны и описываются разными математическими моделями, то необходимо введение унифицированной абстрактной схемы, например, названной агрегатом, которая как преобразователь информации описывается следующим образом [16]. Пусть T – фиксированное множество рассматриваемых моментов времени, X, G, Y, Z множества любой природы. Элементы будем называть: tÎT – моментом времени; xÎ – входным, gÎG – управляющим, yÎY – выходным сигналами, zÎZ – состоянием. Под агрегатом понимается объект, определяемый множествами T, X, G, Y, Z и операторами переходов и выходов H и G, реализующих функции z(t) и y(t). Если B – пространство параметров агрегата b=(b₁, …, b_n)ÎB, то y=G {t, z(t), g(t), B}, где оператор G′ – содержание сигналов, в общем случае случайный. Задав большую техническую систему как агрегат, можно согласиться, что технические системы обычно можно рассчитывать на основании эмпирических зависимостей [29]. Всё это даёт возможность применять различные методы прогноза, в частности, экстраполяционный метод Винера–Колмогорова.

Агрегативный подход к техническим системам, вообще говоря, восходит, с одной стороны, к представлению системы "чёрным ящиком" [75] при указании {L_x(Y)} при всех допустимых входных значениях X, где {L_x(Y)} обозначает совокупность всех конечномерных распределений выходных параметров Y=f(t) при фиксированном X=f(t); с другой, к представлению траектории в n-мерном пространстве при случайных воздействиях. В явном или неявном виде предполагается, что есть возможность описать техническую систему системой уравнений и дать решение. Это особенно необходимо для целей управления и для частных случаев выполнимо [40]. При этом вводятся упрощения и допущения, и система рассматривается как сложная вероятностная система.

Рассмотрим очень сложные вероятностные технические системы. К таким системам могут быть отнесены, например, современное металлургическое предприятие, система обеспечения страны чугуном, система обеспечения города теплом. Каждая из них может быть описана как агрегат или даже сведена к линейным моделям. Но можно рассматривать множество установленных на предприятии изделий, которые обеспечивают функционирование предприятия, как единое структурное целое, характерное для ограниченного пространства, в котором сложились определенные условия, меняющиеся под действием внешних и внутренних факторов, т.е. рассматривать большую техническую систему, например, промышленное предприятие, как техноценоз. В общем виде множество изделий, образующих техноценоз, можно считать счётным [15]. Изучение техноценозов, в этом случае, возможно при выделении семейств изделий, например, электрические машины, транспорт, конвейерные линии, которые могут быть разбиты на конечное число видов (даже при сколь угодно большом числе изделий). Предлагаемый путь аналогичен пути, который прошла биология.

Объединёнными усилиями систематиков множество существ живого мира распределено по различным естественным категориям, из которых наиболее важной является вид. Биологический вид является одним из ярких примеров объективного существования в природе явления, не данного нам в чувственно воспринимаемой форме. Обращаясь к истории биологии, можно отметить, что, хотя известно определение вида, данное ещё Аристотелем, борьба за признание этого понятия длилась много веков и не завершилась при К. Линнее и Ч. Дарвине, которые во многом показали объективность существования вида.

Рассматривая общие признаки вида, приведённые К.М. Завадским [30]: численность; тип организации (единая наследственная основа); способность в процессе воспроизведения сохранять качественную определённость; дискретность; экологическая и географическая определённость; многообразие форм; историчность; устойчивость; целостность – можно отметить применимость признаков к техническим устройствам (изделиям). Для отнесения изделия к виду оно должно быть охарактеризовано качественной характеристикой, например, типом (маркой), и количественно, например, величиной мощности [38]. Вид как единица классификации растений и животных и предложенная К. Линнеем бинарная система наименования видов получили всеобщее признание из-за объективности содержания, которая была подтверждена эволюционной теорией. Закономерности техноэволюции во многом определяются при изучении развития отдельных видов. Необходимость классификации всех выпускаемых и выпущенных изделий, всего созданного человеком ощущается и находит отражение в потоке исследований по этому вопросу [34].

Предложенное определение вида по качественной и количественной характеристикам не может быть окончательным. Важно подчеркнуть, во-первых, методологическую необходимость внедрения этого понятия; во-вторых, в биологии сохраняются различия в толковании отдельных таксонов [32]; в-третьих, при любом определении вида и даже при замене таксона (вид на род и т. д.) замеченные закономерности формирования биологических систем сохраняются [94]. Введение понятия вид означает, что каждое изделие является, с одной стороны, индивидуальностью, особью, фенотипом, созданной как конкретный результат информации, заложенной в конструкторских чертежах (генетическая, наследственная информация), т.е. каждое изделие индивидуально, а с другой, представителем данного вида, точнее популяции.

Одним из наиболее важных итогов развития теории эволюции явился переход ученых от организмоцентрического стиля мышления к популяционно-статистическому. Изменение стиля мышления связано с преодолением идей лапласовского детерминизма, с внедрением в науку вероятностного подхода, идей кибернетики и системных взглядов. Ранее закономерности развития видов отождествлялись, сводились к закономерностям развития особей. Возникшая недавно популяционистическая концепция предполагает, что наименьшей единицей жизни, способной к эволюции, и специфическим её носителем является местная популяция, т.е. часть населения вида, устойчиво заселяющая определённую территорию и имеющая численность, достаточную для надежной работы отбора. Эта популяционная концепция эволюции воплощает в себе современный дарвинизм и служит фундаментом синтетической теории эволюции [31]. Выделение популяции как элементарной единицы эволюции обусловлено тем, что именно в популяциях возникают, накапливаются и перекомбинируются мутации, происходит перестройка наследственной основы организма, применяется наследственно обусловленная норма реагирования. "Соревнование особей и естественный отбор протекают также в основном внутри популяции, и если биогеоценоз есть арена первичных эволюционных преобразований, то входящая в его состав популяция данного вида организмов является наименьшей эволюирующей единицей" [74]. В практике эксплуатации технических систем, особенно при ремонтах, всегда различается, идет ли речь об особи-изделии, или об изделии-представителе популяции (вида). Однако что очевидно и общепринято в биологии, пока не получило распространение и неизвестно в технике.

Биологические и информационные системы, закон Ципфа

В комплексе биологических наук исключительно важная роль принадлежит эволюционной теории, разработанной главным образом Дарвином. Как отметил И.И. Шмальгаузен, "только в дарвинизме эволюционная теория осуществила синтез всех биологических знаний" [74]. Главными факторами эволюции всех живых существ, по Дарвину, являются изменчивость, наследственность и естественный отбор. "Выражаясь метафорически, можно сказать, что естественный отбор ежедневно, ежечасно расследует по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая дурные, сохраняя и слагая хорошие, работая неслышно, невидимо, где бы когда бы только ни представился случай, над усовершенствованием каждого органического существа по отношению к условиям его жизни, органическим и неорганическим" [27, с. 174].

Являясь качественным (правдоподобным рассуждением, по определению Я.И. Хургина [67] со ссылкой на термин Д. Пойя), дарвиновское понимание эволюции встретило [31] и встречает возражения [43]. Предложенные В. Вольтерра модели, описывающие борьбу за существование [22], не учитывают многих факторов (и это естественно): "… бесконечный процесс углубления познания человеком вещи, явлений, процессов и т. д. от явлений к сущности и от менее глубокой к более глубокой сущности" [3, с. 203] – в полной мере применим к биологическим системам.

Свойственная определённым условиям физической среды и характерная для реального географического пространства совокупность растений и животных, связанных между собой тесными взаимоотношениями – экосистема (биогеоценоз, по В.Н. Сукачёву), обладает высокой устойчивостью, стабильностью. Отдельные виды "живут" во вполне определённых отличных друг от друга условиях. Но появление, сохранение или исчезновение вида (популяции) в целом свидетельствует о наличии объективных законов, способствующих либо появлению, либо сохранению, либо исчезновению вида. Всё это в целом объясняется дарвиновской теорией, внешним проявлением которой является динамическое соотношение отдельных видов (численности особей в каждом виде), образующих экосистему.

Количественное изучение видов по повторяемости началось, по-видимому, работами С. Гартсайда, 1928 г. Не сделав математической интерпретации, он утверждал, что, несмотря на большое количество особей, которые характеризуют некоторые виды, большое количество видов представлено сравнительно малой численностью (цитируются по [94]). Вывод, подтверждающий сделанный ещё Ч. Дарвином: "…огромное число видов всех классов во всех странах принадлежит к числу редких" [27, с. 425]. В начале века Раункиер [87] обнаружил, что распределение встречаемости видов растений на пробных площадках следует некоторому правилу, названному им законом частоты.

Р.Фишер предложил [81] логарифмический ряд для описания распределения количества видов по повторяемости, который как аппроксимация может быть применён для широкого диапазона значений [82]. Логарифмический ряд, сходящийся ряд с конечной суммой (после приведения): ax, ax²/2, …, axⁿ/n, где a, x – параметры; axⁱ/i – группа, единственный при определённом числе видов S=a(-ln(1–x)) и числе особей U=ax/(1–x), x<1. А. Корбет получал ранее гиперболическую зависимость [94]:

S=c/x^m, (1)

где c, m – постоянные; x=1, 2, …, n – число особей в видах, представленных равным числом особей. Р. Фишер считал гиперболическую зависимость предельным случаем.

Как справедливо указано [95], Р. Фишер не получил логарифмический ряд как следствие утверждений о свойствах сообществ, а просто как удобный способ описания имевшихся экспериментальных зависимостей. Известны попытки описать экспериментальные данные другими законами распределения. Престон [91] предложил для описания распределения видов по числу особей логнормальный закон. Мак-Артур [85] исследовал ряд моделей, основанных на простых логических посылках, которые впоследствии широко цитировались и уточнялись. И хотя Мак-Артур признал свой подход несовершенным [86], несомненна его заслуга в отказе от чисто описательного метода. Уоттерсон [95] предложил три модели биоценоза и показал наличие зависимости между числом видов и числом особей. Во всех моделях несомненно наличие зависимости, качественно описанной С. Гартсайдом.

Исследование видового разнообразия в сообществах (видов по повторяемости) привело к важному выводу, разделяемому многими биологами: чем больше разнообразие живого в экосистеме, тем она устойчивее. Разнообразие характеризует стабильность биологической системы, оптимальность использования его вещественно-энергетических ресурсов. Кроме обычного показателя повторяемости изделия [39] могут быть использованы показатель доминирования Симпсона [93], видового разнообразия Маргалефа [88], Менхиника [89], общего разнообразия Шеннона и др.

Таким образом, для стабильных (сформировавшихся) биологических систем – экосистем – существует устойчивое, геометрически интерпретируемое семейством гипербол, распределение групп с разным количеством единиц, включая частоты видов с разным числом особей; родов с разным числом видов; хозяев с разным числом паразитов; видов, обнаруживаемых в разном количестве мест и в разные отрезки времени, справедливое для животного и растительного царств. Это распределение можно считать отражением закона естественного отбора.

В методологическом отношении информационные системы рассмотрены достаточно полно [10, 11, 33, 45, 48, 69, 77, 96], показана универсальность и широкая область применения закона Ципфа. В общем виде закон Ципфа определяется следующим образом (в изложении А.И. Яблонского [77], также [66]).

Пусть имеется набор U элементов (единиц). Каждый из элементов снабжён меткой, выбираемой из некоторого множества. Пусть n(x, U) – число различных меток, каждая из которых встречается ровно x раз в выборке из U элементов. Для достаточно больших U имеем

n(x, U)=A/x^γ=A/x^1+a, (2)

где A – константа; g=1+a – показатель закона Ципфа; a – характеристический показатель. Для числа меток r(x), встречающихся x и более раз, закон Ципфа можно записать:

r(x)=(A/a)×1/x^a=B/x^a. (3)

Если все метки расположены в ряд в порядке убывания их встречаемости, то величина r, называемая рангом, есть положение в этом ряду метки, встречающейся x раз (порядковый номер метки). Ранговое представление закона Ципфа:

x(r)=B^1/a/r^1/a=c/r^β. (4)

Разделив левую и правую части на сумму числа меток, получаем вероятностное представление закона Ципфа.

Существует много разновидностей закона Ципфа и много подтверждающих примеров (распределения и законы Мандельброта, Лотки, Парето, Бредфорда, Юла, Уиллиса, Эступа). Следует отметить фундаментальный "Частотный словарь русского языка", охватывающий выборку в 1056382 словоупотребления [69]. Универсальность закона Ципфа для науковедения, информатики, лингвистики и других областей, связанных с человеческим поведением (информационных систем), вызвала много гипотез для объяснения обнаруженной закономерности.

Обнаруженную при анализе словарного запаса устойчивость Ципф [96] объяснил тем, что человек неизменно, обязательно экономит свои усилия. Эта точка зрения восходит к физике – принцип наименьшего действия. Лингвистическая формулировка этого принципа [7, 71]: человеческое общение складывается из желания говорящего быть пóнятым, затратив как можно меньше усилий, и желания слушающего понять при минимуме усилий на понимание. А.И. Яблонский справедливо пишет, что это представление может оказаться полезным при содержательном исследовании количественных результатов в интеллектуальной деятельности человека [77].

Постоянство распределения Ципфа и успехи теории информации привели к термодинамическим моделям [10, 45, 77], в которых энергии и энтропии ставится в соответствие аналог (у Ю.А. Шрейдера – абстрактное понятие сложности, у Мандельброта – число букв в слове, у А.И. Яблонского – усилия, необходимые ученому для публикации статей). Рассматривая методы статистической физики, перспективна возможность формального представления статистики Бозе–Эйнштейна для описания распределения элементов в стабильной системе [9].

Широкое распространение получило вероятностно-статистическое истолкование закона Ципфа: предполагается существование инвариантных свойств элементов, образующих целостность, которая может быть выделена, но определение которой затруднено. Именно такой метод положен в основу словаря [69], где текст рассматривался как ряд независимых испытаний, а появление лексем интерпретировалось как случайное событие, и считалось, что выборка достаточно репрезентативна и отражает свойства совокупности (русского языка). Вероятностно-статистический (классический по определению [10]) подход получил не только широкое распространение [18, 21], но как практический метод будет основным, например, при создании информационно-поисковых систем в проектных организациях типа ГИПРО, которые занимаются не конструированием (созданием изделий), а установкой, размещением изделий в конкретных технических системах (созданием техноценозов).

Предпочтительнее системный подход, который исходит из необходимости изучения формы целостных совокупностей, как составленных из не очень чётко определённых элементов. Свойства элементов в большей степени определяются формой, чем форма определяется элементами [10]. Вообще, это подход Берталанфи: "Во всех областях биологии приходят к выводу, что функционирование отдельных частей в большей мере зависит от организма в целом" [78, с. 231]. Развитие представлений авторов [11] привело к понятию сложности элемента, которая определена как единственный линейный порядок на словаре. Следовательно, порядок слов с определёнными значениями мало зависит от рассматриваемого языка. Это дало возможность предложить гипотезу, что сложность слова есть мера семантических ограничений на вхождение этого слова в контексты.

Приведём ещё одну точку зрения, с которой интуитивно можно согласиться. "Естественно предположить, что при порождении текста автор учитывает "текст в целом", а не только написанную часть. Возникает ситуация, когда процесс порождения зависит не только от прошлого, но и от будущего – от той части текста, которая ещё не написана. Можно стараться втискивать картину в привычные рамки марковских процессов. Но, может быть, разумнее признать, что процессы, связанные с "живыми" системами, устроены по иным принципам" [10]. Фактически то же у Ю.К. Орлова: "Приходится признавать, что реализация канонической формы частотной структуры именно на полной длине сообщений очень важна для их восприятия и что человек в процессе порождения текстов в состоянии организовать и их частотную структуру таким образом, что объем Ципфа текста оказывается близок к его полной длине" [48]. Критическое рассмотрение этих положений выполним после обсуждения методологии исследования техноценозов.

Таким образом, биологические и информационные системы описываются с использованием методически одинакового подхода: распределением по повторяемости (в форме закона Ципфа) элементов, различающихся между собой.

Методология исследования техноценозов

Техноценоз определён как сообщество изделий. Исследование техноценоза начинается с выделения его в пространстве и во времени. Затем выделяют из определённого техноценоза часть изделий – семейство изделий, например, электрические машины, или низковольтные аппараты, или трансформаторы и т.д. В определённом смысле такое выделение совпадает с классом (в отдельных случаях – подклассом) высших классификационных группировок, принятых общесоюзным классификатором промышленной и сельскохозяйственной продукции.

Следующее, что существенно, определение вида для изделий выделенного семейства. Используя сложившиеся определения, применительно к электрическим машинам будем считать видом (типоразмером) электрическую машину, отличающуюся численной (количественной) и качественной характеристиками: величиной номинальной мощности и наименованием типа. Например, вид 28А. В этом случае двигатели А71-2, А72-4, А81-6, А82-8 будут одного вида. Этот вид относится к роду асинхронные электродвигатели, семейству электрические машины. Вид (типоразмер) – трансформатор ТМ1000. За типоразмер для кабелей взят кабель, соединяющий две подстанции, отличающийся сечением, маркой и длиной (дискретность 100 м), например (3×95) ААБ длина 1600–1700 м (хотя, вероятно, логарифм расстояния был бы правильнее) и т. д.

Предлагаемые классификатором виды, например, вид 332001 – электродвигатели переменного тока мощностью от 0,25 до 100 кВт в морском исполнении, или 332185 – электродвигатели переменного тока серии АО2 VIII габарита, относятся к более крупному таксону. Это скорее род. Но подчеркнём ещё раз, предлагаемый подход и обнаруженные закономерности не зависят от определения понятия вид.

Итак, будем изучать разнообразие изделий, образующих техноценоз, распределяя виды изделий по повторяемости, выделив (это может быть выборка или генеральная совокупность) из техноценоза все виды (изделия), принадлежащие одному более крупному таксону, например, какое-либо семейство. Для технической системы – промышленное предприятие, таким семейством будут, например, установленные электрические машины; для технической системы – теплоснабжение города: все теплофикационные котлы; для технической системы – снабжение страны чугуном: все доменные печи.

Будем рассматривать только выделенное из техноценоза семейство, состоящее из U изделий. Каждое изделие есть, с одной стороны, индивидуальность – особь uÎU (unus), а с другой, представитель вида uÎS (species). Общий перечень особей (изделий) текст Т длиной T=|U|. Общий перечень видов (изделий) словарь V объёмом V=|S|. Аналогии: особь (изделие) – словоупотребление, слово – (word-tokens) – ученый как автор статей; вид (изделие) – лексема, слово – тип (word-tipes) – ученый, написавший m статей. Отношение между текстом T и словарём V определим, если полагать, что две особи могут быть разных видов и могут быть одного вида, тогда u_iÎS_к≡u_jÎS_к, S_i∩S_j=Æ при i¹j.

Пусть u_i есть число особей вида i, i=1,S, наблюдаемых в выборке, и пусть n_i=a(j) есть число видов, имеющих j представителей в выборке, т.е. a(j) есть число тех i, для которых u_i=j, j=1, 2, … . Образуем классы a_i=j, в которых каждый вид представлен равным числом особей. Таким образом, классы образуют числовую последовательность. Общее число видов – словарь – определится как сумма видов по классам S=ån_i: количество особей в классе (суммарное количество особей одинаковой встречаемости) u_i=a_in_i; количество особей в выборке (длина текста) T=|U|=åa_in_i; относительная частота (вероятность) появления класса w_i=n_i/S; число видов в классе a(j)=n_i=u_j/j.

Предложенный подход аналогичен подходу в биологии, когда из множества пойманных особей (отмеченных) отбирают все, встретившиеся один раз (образуя тем самым первый класс); затем все особи, встретившиеся два раза (второй класс), и т. д.

Полученные табличные значения относительной частоты появления класса математически представлялись в виде гиперболы w_i=ka_i^-b, где параметры k, b определялись с учетом, что w_i быстро убывает с ростом j: y_i=y(i, k, b). Условие нормировки позволяет получить связь между k, b в параметрической форме k=k(l), b=b(l) где l – параметр, определяемый, например, методом касательных Ньютона. Оценку неизвестных параметров предпочтительнее выполнять по методу наибольшего правдоподобия. Применим и ряд аппроксимирующих функций, сводящихся к семейству гипербол, экспоненциальная зависимость вида w=ke^-bi, зависимость вида y=kbⁱ/i, логарифмический ряд Р. Фишера. Необходимо указать и на работы Пирсона 1893–1896 гг., о которых писалось, что они поразительны по своему согласию с опытными данными (Лахтин Л.К. О методе Пирсона в приложениях теории вероятности к задачам статистики и биологии. М., 1904). Рекуррентная последовательность w_i=¦(a_i) в виде треугольных чисел Диофанта Александрийского i(i+1)/2 геометрически интерпретируется пирамидой разнообразия объёмом T из i цилиндров радиусом [28, 38]. Учитывая универсальность закономерности, возможен переход к геометрической интерпретации, основанной на формуле Эйлера e^ip+1=0, и к геометрической оптимизации, предполагая, что åw_ilnw_i=e.

Результаты расчетов подтвердили возможность описания техноценозов предложенными моделями (предпочтительнее w=ka_i^-b), выявилось и наличие зависимости V=¦(T) для рассматриваемых техноценозов. Качественно закономерность формирования техноценозов можно сформулировать следующим образом.

Счётное множество особей, которые все могут быть отнесены к некоторому, образующему экосистему, числу видов одного класса, и само число видов распределены таким образом, что каждое из большинства видов представлено малым числом особей; а по мере увеличения количества особей одного вида – число этих видов сокращается. Уменьшающееся число видов, при возрастающем количестве особей в каждом виде, основывается каждый раз последовательно на увеличивающемся числе видов, каждый из которых представлен уменьшающимся до единицы числом особей.

Будем считать, что предложенная закономерность имеет объективный характер и объясняется законами, определяющими биологическую и технологическую эволюции. Тогда логично следующее следствие. Если при случайной выборке особей и группировке их по видам уменьшение числа видов, по мере увеличения количества особей каждого вида, не происходит, и если методология учёта корректна, то должны быть возмущающие причины, нарушающие обычный ход эволюции.

Закономерность формирования техноценозов проверена на обширном статистическом материале, охватывающем свыше 200000 особей 170 выборок и генеральных совокупностей. Проверялись доменные печи и сталеплавильные агрегаты страны, котельные ряда городов, электрические машины, установленные на промышленных предприятиях, трансформаторы, кабели, низковольтные аппараты, автотранспорт промышленных предприятий, различающихся по величине, времени строительства, географическому положению, отраслевому подчинению. Устойчивость сохранялась во времени (девять лет), при изменении определения вид, качественном изменении выборки: выборка по цехам, годовые ремонтируемые, ремонтируемые только капитально, только средним ремонтом, только аварийные и др. (см. рис. 1–3). На рисунках представлены зависимости w=¦(a_i) и V=¦(T) для различных случаев. Оценка видового разнообразия техноценозов производилась по Шеннону и ряду показателей, применяемых в биологии, и дала подтверждение устойчивости обнаруженного явления. Часть статистических материалов и результаты исследований приведены в работах [38, 39].

Одновременно был проверен и статистически подтверждён вывод [10], что текст должен содержать виды с частотой 1 (впоследствии названные саранчёвыми: единичные виды, представленные многими особями) и виды, представленные одной особью (встретившиеся по одному разу – hapaxlegomena), в объёме всего словаря V строго определены n₁=0,604S. Длина текста T=bSlnS, где параметр b (при фиксированном b) определяет долю видов, встретившихся по одному разу. Таким образом, можно утверждать, что часть техноценозов правильна в ципфовском смысле, для части ощутим эффект малых текстов, для больших текстов проявляется уменьшение прироста словаря.

Следовательно, построение техноценозов объективно закономерно, аналогично объективности формирования биоценозов, закономерности создания текстов, массивов научных публикаций и других распределений, сводимых к закону Ципфа. Сделанный вывод логически вытекает из самогó характера системных исследований: техноценоз – множество изделий с отношениями и связями между ними, образующее определённую целостность, как и другие природные системы – биологические и информационные, имеет нечто общее, системное, что может быть описано распределением видов по повторяемости. С методоло-

гической точки зрения применение подхода, моделей, выводов, полученных при исследовании одних систем для описания систем другой природы, в принципе не является новым, но, несомненно, открывает новые и бóльшие возможности в их исследовании. Для описания технических систем применим количественный метод, характеризующий разнообразие: это даёт возможность перейти к вопросам оптимизации разнообразия в технических системах, которое становится определяющим в издержках на обслуживание. Особенно существенны гносеологические выводы, вытекающие из объективности построения технических систем, возможности познания этой закономерности и возможности использования познанной закономерности на практике.

Информационный отбор

Предложим объяснение показанной закономерности построения техноценозов, основываясь на существующих аналогиях и месте технических систем в общей классификации систем: физические (неорганический мир) → биологические → технические → информационные → … системы.

Использование аналогий − содержательный метод научного исследования [61], послуживший одной из отправных точек кибернетики [20]. Аналогичность организации биоценозов и техноценозов даёт возможность предположить подобие (единство?), на уровне сообществ, материальных причин, создающих одинаковые структуры. Параллели между явлениями биологии и экономики имеют давнюю историю. Риоха [92] прослеживает тенденцию к сопоставлению экономики и биологии до Эразма Дарвина. Блэкберн [79] считает, что поведение группы ученых очень напоминает поведение групп растений и животных в биологических экосистемах: как экосистема производит, обменивает и строит биомассу, так и человеческое поведение сводится к обмену и строительству информации. В.В. Налимов и Мульченко З.М. [46], рассматривая науку и биосферу, называют обе системы информационно-развивающимися и показывают наличие многих глубоких аналогий.

Рассмотрим закон естественного отбора Ч. Дарвина и предположим наличие аналогичного закона – закона информационного отбора, действующего в техноценозах (точнее, в экосистемах) и управляющего техноэволюцией. Закон естественного отбора рассматривается в классической форме и цитируется по [27].

Любая группа животных и растений (организмов) имеет тенденцию к наследственной изменчивости; виды растений и животных изменчивы. Изменчивость видов изделий со временем, в процессе техноэволюции очевидна. Но между изменчивостью видов в биологии и технике есть, во-первых, принципиальное различие, во-вторых, более глубокая аналогия.

Уточним некоторые понятия. Рассматривая развитие техники как информационный процесс, Л.А. Хурсин [68] показал, что из-за ограниченных возможностей человеческого мозга человек может сконструировать техническое устройство, состоящее из определённого количества неизоморфных исходных элементов, между которыми связи установлены локально, и по небольшому числу существенных параметров. Сложность реализованной при этом информации не превышает седьмого уровня. Устройства с большим числом исходных элементов и параметров относятся к техническим системам. Устройства с малым количеством исходных элементов могут быть созданы по методу "проб и ошибок" и названы орудиями труда. Обратим внимание, что орудия труда могут быть созданы без документа. Технические устройства, а тем более техническая система, например, сверхзвуковой ТУ-144, принципиально не могут быть созданы без документа (чертежей, расчётов, технических условий и др.). Говоря об изделиях, мы понимали технические устройства и технические системы, которые создаются по документу и которые могут быть дискретно, как целостность, выделены для рассмотрения как элементарные.

Сформулируем следующее положение: любой документ – изменяется; изменение изделия как вида есть следствие изменения документа. Создание нового генотипа изделия (изменение существующей или разработка новой документации), определяющего появление нового вида изделия, аналогично мутации генетической информации биологических систем.

Ж.Б. Ламарк постулировал принцип прямого приспособления к условиям внешней среды (путем упражнения органов и наследования приобретённых свойств). Однако изучение эволюционных процессов показало, что приобретённые организмом признаки не наследуются. В процессе эксплуатации изделия (машины) на предприятии вносятся различные усовершенствования, изменения вносятся иногда во всю партию машин (популяцию) экосистемы. Важно отметить, что какими бы существенными или несущественными ни были вносимые изменения, они не будут воспроизведены, если не будут закреплены документально. Точнее, для воспроизведения изменённых машин изменения следует вносить в действующую документацию: приобретённые в процессе эксплуатации признаки не наследуются, наследуются только генетические изменения.

Вымерли электродвигатели ТАГ, К, КО, ГАМ, КАМОУ, ДАМ, АЗ, АТД, трансформаторы ОДЖГ, ТМ старой шкалы, электроприёмники БИ-234, СИ-235 и т.д. Список может быть пополнен множеством видов. Общим в примерах является не только исчезновение вида, а то (и это главное), что при этом исчезает, утрачивается информация (генетическая в одном случае, документальная в другом). Мы утратили информацию не только собственно по машине, например, Пунга-Шен, но изменилась технология: это и железо, и медь, ГОСТы на которые сейчас другие, и изоляционные материалы, и крепежные изделия, которые покупные и изготавливались по другим документам, и способ обработки металлов, который изменился вместе с изменившимися станками. Короче – другая система стандартов, технических условий на всё совершенно. В лучшем случае мы можем сделать нечто похожее – модель, имитацию.

Организмов каждого вида рождается больше, чем может найти себе пропитание, выжить и оставить потомство. Применительно к технике: видов изделий создаётся больше, чем есть свободных экологических ниш. Для каждого изделия как вида могут быть составлены предельные значения всех физико-химических факторов, в результате чего может быть образован n-мерный объём – экологическая ниша. Экологическая ниша вида А есть объём в n-мерном пространстве, определённый минимальным и максимальным значениями факторов среды, в котором обеспечивается выживание вида. Экологическая ниша мыслится в рамках единой четырехмерной пространственно-временной структуры макромира, т.е. привязана в пространстве и во времени. Но экологическая ниша – не место в евклидовом пространстве, а модель описания природы и технологии, аналогичная концепции, существующей в биологии [83, 84], и с аналогичным следствием, что увеличение специализации, т.е. сужение разницы между максимальными и минимальными значениями факторов, вызывает потенциальное увеличение количества особей; если два вида начинают занимать одну нишу, то вид с большей конкурентоспособностью в борьбе за лимитирующий параметр (фактор) вытесняет другой, который элиминирует или занимает другую нишу (специализируется). Концепция экологической ниши поясняет направление вариофикации и причины ассортицы и даёт возможность предложить математическую модель, объясняющую гиперболическое распределение видов по повторяемости (в соавторстве с Н.Н. Завалишиным, А.И. Кудриным, Б.Я. Рябко).

Пусть есть вид А, существующий в некоторой экологической нише, и вид В, конкурирующий с видом А за некоторый ограниченный ресурс среды (лимитирующий ресурс). При избытке всех прочих ресурсов численность вида определяется результатом конкурентной борьбы за лимитирующий ресурс, что соответствует "закону" минимума Ю. Либиха (точнее, "закону" толерантности Шелфорда [47]). Для использования лимитирующего ресурса особь (вид) должна иметь параметр, который назовем существенным, соответствующий лимитирующему ресурсу. При отсутствии существенного параметра использование ресурса невозможно.

Основное предположение модели состоит в том, что напряжённость конкурентной борьбы за лимитирующий ресурс двух экологически близких видов зависит лишь от величины отношения свойственных им значений существенного параметра и тем больше, чем меньше это отношение отличается от единицы.

В электротехнике подтверждением этого предположения служат ряды предпочтительных чисел с их десятично-геометрическим рядом. Конкуренция трансформатора 400 кВА с трансформатором 1000 кВА меньше, чем с 630 кВА (и совсем большая с 320 и 560 кВА, которые занимают близкую экологическую нишу).

Следующее предположение состоит в том, что максимум напряженности конкуренции за лимитирующий ресурс между любой парой видов достигает своего минимума в стабильном техноценозе.

Теперь, пусть дан интервал (a, b), a>0, на котором размещено n точек x₁,…, x_n, x_i£x_i+1, и определена функция k(a, b), a£b, характеризующая силу конкурентной борьбы, такая, что k(a, b)=f(b, a) и f(b/a) – строго убывающая функция. Точки размещены так, что maxf(x_i+k/x_i) для i=1, …, n-1; i+k£n минимален.

Очевидно, что максимум f(x_i+k/x_i) достигается при k=1. Определим j(a)=f(e^a). Заметим, что f(x_i+1/x_i)=j(ln(x_i+1/x_i)) и j так же строго убывающая функция, тогда min(ln x_i+1-ln x_i)£(ln b-ln a)/(n–1)=t, i=1, …, n-1, и равенство достигается при lnx_i=lna+(i-1)t. Отсюда maxf(x_i+1/x_i)®min при x_i=ag^i-1, где g=exp((ln b/a)/(n-1)), i=1, …, n. Количество точек в интервале (y, y+Dy) обозначим n(y)∙Dy. Тогда при малом Dy n(y)=(ln(y+Dy)–lny)/t@1/ty=c/y, где c – константа (см. Известия СО АН СССР, биол. cер., вып. 1, 1978).

Последнее выражение указывает на наличие гиперболической зависимости для распределения видов по существенному параметру. Различие в коэффициентах для привед`нных выше расчетов по техноценозам объясняется не только разбросом параметров, но и тем, что нами изучение осуществлялось, главным образом, по вышедшим в ремонт электродвигателям, т.е. сказывались условия выборки.

Таким образом, мы показали: 1) что наличие конкурентной борьбы, борьбы за существование должно привести к распределению видов, сводящемуся к гиперболическому; 2) такое распределение является закономерным для техноценозов.

Общеизвестен происходящий во всех странах рост количества и разнообразия выпускаемых изделий. Ежегодно в стране выпускается 10–12 млн наименований изделий. Быстрая замена изделий новыми и новейшими рассматривается как показатель научно-технического прогресса. Явление ускорения выпуска новых изделий определено нами как вариофикация – делание различного. О масштабах вариофикации можно судить, если считать, что ежегодно обновляется 15–20 % всех видов изделий. Вариофикация – следствие и неизбежный результат научно-технической революции, но, как любой экспотенциальный процесс, вариофикация ограничена временными интервалами. Следствием вариофикации является возникновение техноценозов, формирование которых определяется закономерностью, имеющей общий описанный выше характер: значительное и устойчивое разнообразие изделий, образующих техноценоз. Это явление определено нами как ассортица – сосредоточение, появление различного в системе, ограниченной в пространстве-времени (термины разнообразие, многообразие заняты кибернетикой, информатикой, философией и имеют определённую специфику).

Вариофикация проявляется не только в быстром обновлении ассортимента продукции и освоении выпуска новых изделий. Отличаются чрезвычайным разнообразием изделия одного семейства, происходит увеличение количества видов в результате неизбежной специализации. "Прогресс техники должен повести за собой специализацию", которая "бесконечна точно так же, как и развитие техники" [1, с. 101]. Речь идёт не только о количественном росте, сами изделия становятся сложнее и состоят из большего числа изделий, наконец, резко возрос уровень технологии изделий (например, полупроводниковая техника).

Таким образом, множество рождающихся изделий существующих видов и множество изделий вновь появившихся ("придуманных") видов попадает в конкретные техноценозы, где количество экологических ниш ограничено. Реализованные фенотипы ведут в техноценозах борьбу за существование при ограниченности вещественных и энергетических ресурсов (аналогично биологии: между множеством рождающихся особей происходит борьба за существование). Популяции изделий, которые обладают признаками, способствующими освоению новых или перераспределению в свою пользу существующих экологических ниш, выживают. Это проявляется в создании незакреплённой информации – своеобразном мнении, что изделие работоспособно (лучше), или требует доработки, или его нужно снять с производства и т. д.

В биоценозах конкурентные взаимоотношения наиболее сильно проявляются вблизи положения равновесия [54], то же – в техноценозах: в момент формирования комбинация изделий может быть широкой, для созданных техноценозов внедрение нового вида труднее, вызывает большее противодействие, и возможен отрицательный результат (и для лучших изделий) из-за консерватизма системы, высокого потенциального барьера вступления.

Борьба за существование внутри экосистемы находит своё выражение в воздействии экосистемы на популяцию путём прямого и косвенного истребления изделий. "Без избирательного уничтожения, конечно, нет и эволюции, однако избирательный характер элиминации определяется не хищниками, или другими внешними факторами, а свойствами самих особей – формами их организации и жизнедеятельности… Таким образом, уничтожение принимает закономерный характер движущего механизма эволюции только через посредство внутренних сил, действующих внутри популяции" [72, с. 27]. Элиминация существующей популяции происходит потому, что у неё часть показателей "хуже", чем у вновь пришедшей.

Принципиальное отличие естественного отбора от информационного заключается в том, что уничтожение биоособи означает одновременное уничтожение генетической информации, сохранение – одновременное воспроизведение себе подобной особи и подобной (тождественной) информации. Уничтожение или сохранение изделия не имеет прямого отношения к документу – генетической информации об изделии. Это отличие влечёт за собой необходимость процесса, отсутствующего при естественном отборе: незакреплённая информация документируется и превращается в программу. Возникает необходимость в "разумной" машине, которая могла бы оценить результат воздействия вновь пришедшей популяции на экосистему и экосистемы на вновь пришедшую популяцию, т.е. оценить итоги борьбы за существование (выбрать между движущей формой отбора и стабилизирующей формой отбора [73]).

В биологии в силу могущественного принципа наследственности каждаяотобранная особь будет стремиться к размножению своей новой, изменённой формы; в технике – документ утверждается и становится действующим для изготовления изделия. Наследственность – обязательная черта информационного отбора изделий: любой документ содержит наследственную информацию, материализованный опыт предшествующих поколений.

При наличии материально-энергетических условий по действующим дискретным документам осуществляется размножение отобранных вариантов, изготовление изделий с детерминированной структурой, жестко завязанными размерами, связями, компоновкой, исходными материалами с вероятностным разбросом параметров. Происходит передача и усиление прямой, наследственной информации. В популяции происходит увеличение (появление) информации, реализованной во время предыдущего цикла и закреплённой документально (генетически). Отбор генотипов ведет к реализации фенотипов.

Процесс преобразования наследственной информации в фенотипическую отражает, во-первых, появление и проявление индивидуальности изделий (в частности, присвоение имён-номеров). Во-вторых, готовое изделие, и чем сложнее оно, тем более отличается от предусмотренного документом. Явление, хорошо известное проектировщикам и наладчикам. Осуществляются доводка, обкатка, испытания, и затем изделия попадают в экосистему.

Обобщим изложенное. Закон информационного отбора сводится к следующим положениям [39]:

– любой документ изменяется;

– видов изделий появляется больше, чем есть свободных экологических ниш;

– реализованные фенотипы ведут борьбу за существование при ограниченных вещественных и энергетических ресурсах;

– популяции, которые обладают признаками, способствующими освоению новых или перераспределению в свою пользу существующих экологических ниш, образуют источник незакреплённой информации;

– незакреплённая информация документируется и превращается в программу;

– документ утверждается и становится действующим для изготовления изделия.

Закон информационного отбора может быть представлен схемой техноэволюции (рис. 4), которая представляет переработанную схему регуляции эволюционного процесса, предложенную И.И. Шмальгаузеном для объяснения закона естественного отбора в терминах кибернетики [72]. Схема показывает аналогичность, общую основу естественного и информационного отбора и различие, вытекающее из принципиальной разницы – отделения документа.

Схема даёт объяснение известному явлению, заключающемуся в увеличении темпов техноэволюции. Биологическая эволюция осуществлялась по полной схеме: генотип – фенотип – борьба за существование – воспроизведение генотипов. Техноэволюция также осуществляется по полной схеме, но для неё возможна и ускоренная схема техноэволюции, минуя отбор в экосистеме. В результате появляется возможность неправильного отбора, т.е. отбора нежизнеспособных в экосистеме особей (что и происходит), но в случае верного решения происходит многократное ускорение эволюции. Как предельный случай возможно короткое замыкание: документ – рассмотрение и утверждение документа – внесение изменений и создание нового.

Мы показали, что в существенных чертах схемы эволюции (биологической) и техноэволюции совпадают. Выделим имеющиеся важные аналогии между естественным и информационным отбором: отбор есть основной фактор эволюции; "запоминание случайного выбора" (Г. Кастлер); адаптациогенез и адаптациоморфоз; изначальное незапрограммирование, статистическая природа процессов отбора; глубокая специализация как накопление ограничений, накладываемых на эволюцию; явление персистирования; несостоятельность принципа наследования приобретённых признаков Ж.Б. Ламарка; адаптивная иррадиация групп; наличие дискретных мутаций наследственной основы; закон необратимости эволюции Долло; закон толерантности Шелфорда.

Если объективность биологической эволюции можно считать общепринятой, то вопрос об объективности техноэволюции более сложен и менее разработан. Согласимся, что эволюция направлена, "… в длинной цепи эволюции организмов усложнение организации и усложнение действующей на нее среды являются факторами, обуславливающими друг друга" [57, с. 414]. Укажем также, что прогресс или совершенствование изделия понимается нами в смысле, изло-

Рис. 4. Схема техноэволюции. I. Полная: документ – отбор генотипов – реализация фенотипов – воздействие популяции – борьба за существование – воздействие экосистемы – информационный отбор – закрепление информации. II .Ускоренная: документ – отбор генотипов – реализация фенотипов – обратная связь через фенотипы – воздействие на документ.

женном В.Л. Комаровым: 1) усложнение организации, 2) установление гармонии между формой и строением каждого органа и его функцией, 3) установление гармонии между организмом и окружающей его средой. Главное – это усложнение организации [36, с. 44]. Конечно, это положение нельзя абсолютизировать, что аргументированно было показано ещё Ч. Дарвином.

Всё это тесно связано с вопросом о цели. "Хотя представлению о целях в природе, – писал Фейербах, – и соответствует нечто конкретное или действительное, всё же выражение или понятие цели в применении к природе неподходяще" [63, с. 630]. Сама природа целей и задач перед собой не ставит – она развивается естественно под действием объективных законов, которые действуют и при построении техноценозов, являющихся частью природы. Роль человека при создании техноценозов есть роль человека в истории развития общества, которая исчерпывающе описана Ф. Энгельсом: "Столкновения бесчисленных отдельных стремлений и отдельных действий приводят в области истории к состоянию, совершенно аналогичного тому, которое господствует в лишённой сознания природе. Действия имеют известную желаемую цель; но результаты, на деле вытекающие из этих действий, вовсе нежелательны. А если вначале они, по-видимому, и соответствуют желаемой цели, то в конце концов они ведут совсем не к тем последствиям, которые были желательны. Таким образом, получается, что, в общем и целом случайность господствует также и в области исторических явлений. Но, где на поверхности происходит игра случая, там сама эта случайность всегда оказывается подчинённой внутренним, скрытым законам" [4].

Общие выводы

Создание человеком быстро растущих и качественно меняющихся технических систем поставило проблему управления развитием таких сложных систем. Вариофикация и ассортица всё в большей мере повышают общественные издержки как при изготовлении новых изделий, так, и особенно, при функционировании сформировавшихся технических систем. Следует познать эти явления. Эффективная организация и управление в этом случае должны основываться на познанных объективных законах эволюции, мощным инструментом в познании которых являются системные исследования, отвлекающиеся от субстанциональных характеристик. Важными становятся количественные показатели, оценивающие структуру, взаимосвязь элементов, самоорганизацию. Рассмотрение больших систем предполагает использование определённой методологической основы, которая может оказать решающее влияние на результат.

В наиболее общей классификации место технических систем определено нами после биологических систем, что соответствует общему взгляду на развитие материального мира. В этом случае техноэволюция повторяет известные черты, свойства эволюции (биологической). Принципиальным отличием техноэволюции является документальная запись информации при пространственно-временном разделении собственно документа, способа воспроизведения документа и способа воспроизведения изделия, предусмотренного этим документом.

Наряду со сложившимися системными исследованиями технических систем целесообразно изменение подхода: изучение техноценозов – систем, ограниченных в пространстве и времени и включающих все изделия. Системный анализ техноценозов предполагает установление и применение понятий вид, популяция и ряда других понятий, применяющихся при изучении биологических и информационных систем.

Биоценозы могут быть охарактеризованы распределением видов по повторяемости. Устойчивость биоценозов связана с разнообразием и отражает результат эволюции. Информационные системы характеризуются распределением различных элементов по повторяемости, которое может быть сведено к закону Ципфа. Характер зависимостей одинаков для обеих систем.

Системные исследования техноценозов следует проводить, основываясь на результатах, полученных при исследовании биологических и информационных систем. В целом это будет означать "переход от представлений о структуре как о том, что однозначно детерминирует … ход событий, к представлениям о ней как о совокупности ограничений, накладываемых на "степени свободы" отдельных элементов системы, – ограничений, возникающих вследствие организованности элементов в рамках целого" [76, с. 33]. Методологически исследование техноценозов будет основываться на изучении распределения видов изделий выделенного семейства по повторяемости.

Обнаруженная закономерность построения технических систем может быть объяснена на основе закона информационного отбора, основывающегося на результатах, полученных в биологии. Общность распределения элементов по повторяемости, негауссов характер зависимостей для биологических, технических, информационных систем, а также аналогичность распределения элементов (в математическом смысле) в физических системах (например, распределение изотопов химических элементов [37, 70] для различных пространственно выделенных целостностей) говорят о фундаментальном характере самой закономерности. Поэтому, нельзя согласиться с объяснением закона Ципфа, основанным на влиянии субъективных факторов.

Изменчивость изделий, преемственность (наследственность) изделий и технологии, наконец, отбор "лучших" изделий можно считать очевидными. Важно выявление механизма отбора, форм отбора, факторов, ускоряющих или замедляющих изменчивость и др., но главное – осознание объективности, вероятностно-статистического характера построения техноценозов в ряду связанных между собой и переходящих друг в друга форм движения: физические системы, где действует энергетический отбор; биологические системы – естественный отбор; технические системы – информационный отбор; информационные системы – документальный отбор.

Основной целью предлагаемой работы были разработка методологии исследования и объяснение объективности построения техноценозов. Для этого применялись понятия и положения, используемые при системных исследованиях систем различного происхождения. Увеличение затрат на изготовление каждого следующего вида, быстрый рост издержек при эксплуатации разнотипного оборудования, резко возросшая проблема ремонта и обеспечения запасными частями – всё это делает задачу изучения техноценозов актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Литература

1. Ленин В.И. Полное собрание сочинений, т.1.

2. Ленин В.И. Полное собрание сочинений, т. 18.

3. Ленин В.И. Полное собрание сочинений, т. 29.

4. Маркс К. и Энгельс Ф. Сочинения, т. 21.

5. Маркс К. и Энгельс Ф. Сочинения, т. 23.

6. Энгельс Ф. Диалектика природы. Госполитиздат, 1953.

7. Александров А.Д. Общий взгляд на математику. – В кн.: Математика, ее содержание и значение. т. 1, АН СССР, 1956.

8. Алексеев И.С. Способы исследования системных объектов в классической механике. – В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1972. М., 1972.

9. Андреев Н.Б., Бакиров Т.С., Завалишин Н.Н., Ефимов В.М., Распределение организмов стабильного биоценоза по величине потока энергии. – "Труды IV совещания зоологов Сибири". Новосибирск, 1972.

10. Арапов М.В., Ефимова Е.Н., Шрейдер Ю.А. О смысле ранговых распределений. – "Научно-техническая информация", сер.2, 1975, № 1.

11. Арапов М.В., Ефимова Е.Н., Шрейдер Ю.А. Ранговые распределения в тексте и языке. – "Научно-техническая информация", сер. 2, 1975, № 2.

12. Бир Ст. Кибернетика и управление производством. М., Физматгиз, 1963.

13. Бирюков Б.В. Кибернетика и методология науки. М., "Наука", 1974.

14. Блауберг И.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода. М., 1973.

15. Бурова И.Н. Парадоксы теории множеств и диалектика. М., "Наука", 1976.

16. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н.. Лекции по теории сложных систем. М., "Советское радио", 1973.

17. Вагнер Г. Основы исследования операций, т. 3. М., "Мир", 1973.

18. Вахабов В.К., Королев Э.И. О дуальной организации поискового массива. – "Научно-техническая информация", сер. 2, 1975, № 9.

19. Вилли К., Детье В. Биология. М., "Мир", 1974.

20. Винер Н. Кибернетика. М., "Советское радио", 1968.

21. Владимирова А.В. Анализ состояния словаря УДК. – "Научно-техническая информация", сер. 2, 1976, № 8.

22. Вольтерра В. Математическая теория борьбы за существование. М., "Наука", 1976.

23. Галл Я.М. Борьба за существование как фактор эволюции. Л., "Наука", 1976.

24. Глушков В.М. Введение в кибернетику. Киев. 1964.

25. Глушков В.М. О кибернетике как науке. – В кн.: Кибернетика, мышление, жизнь. М., 1964.

26. Голубков Е.П. Системный анализ как направление исследований. – В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1976. М., 1977.

27. Дарвин Ч. Происхождение видов. М.–Л., Сельхозгиз, 1937.

28. Диофант Александрийский. Арифметика и книга о многоугольных числах. М., "Наука", 1974.

29. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Проблемы системологии (проблемы теории сложных систем). М., "Советское радио", 1976.

30. Завадский К.М. Развитие эволюционной теории после Дарвина. Л., "Наука", 1973.

31. Завадский К.М. Вид и видообразование. Л. "Наука", 1968.

32. Заренков Н.А. Лекции по теории систематики. Изд. МГУ, 1976.

33. Козачков Л.С. Системы потоков научной информации. Киев, "Наукова думка", 1973.

34. Койфман Я.М. Единая классификация электрических машин. "Электротехника", 1975, № 1.

35. Колмогоров А.Н. Автоматы и жизнь. – В кн.: Возможное и невозможное в кибернетике. М., 1963.

36. Комаров В.Л. Происхождение растений. М.–Л., 1943.

37. Краткая химическая энциклопедия. М.,1963.

38. Кудрин Б.И. Распределение электрических машин по повторяемости как некоторая закономерность. – В кн.: Электрификация металлургических предприятий Сибири. Второй вып. Изд. ТГУ, Томск, 1974.

39. Кудрин Б.И. Применение понятий биологии для описания и прогнозирования больших систем, формирующихся технологически. – В кн.: Электрификация металлургических предприятий Сибири. Третий вып. Изд. ТГУ, Томск, 1976.

40. Кудрин Б.И. Формирование электрического хозяйства металлургического предприятия как большой системы. Томск, Известия ТПИ, т. 295, 1976.

41. Лем С. Сумма технологии. М., "Мир", 1968.

42. Литвуд Дж. Математическая смесь. М., "Наука", 1973.

43. Любищев А.А. К классификации эволюционных теорий. – В кн.: Проблемы эволюции, т.4. Новосибирск, "Наука", 1975.

44. Малиновский А.А. Теория структур и ее место в системном подходе. – В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1970. М., 1970.

45. Мандельброт Б. Теория информации и психолингвистика: теория частот слов. В кн.: Математические методы в социальных науках. М., "Прогресс", 1973.

46. Налимов В.В., Мульченко З.М. Наука и биосфера: опыт сравнения двух систем. – "Природа", 1970, № 11.

47. Одум Ю. Основы экологии. М., "Мир", 1975.

48. Орлов Ю.К. Обобщенный закон Ципфа – Мандельброта и частотные структуры информационных единиц различных уровней. – В кн.: Вычислительная лингвистика. М. "Наука", 1976.

49. Поваров Г.Н. Ампер и кибернетика. М., "Советское радио", 1977.

50. Садовский В.Н., Юдин Э.Г. Задачи и методы и приложения общей теории систем. – В кн.: Исследования по общей теории системы. М. "Прогресс", 1969.

51. Садовский В.Н. Общая теория систем как метатеория. – "Вопросы философии", 1972, № 4.

52. Садовский В.Н. Основания общей теории систем. М., 1974.

53. Саркисян С.А., Ахундов В.М., Минаев Э.С. Большие технические системы. Анализ и прогноз развития. М., "Наука", 1977.

54. Свирежев Ю.М. Вито Вольтерра и современная математическая экология. – В кн.: Вольтерра В. Математическая теория борьбы за существование. М., "Наука", 1976.

55. Седов Е.А. Эволюция и информация. М., "Наука", 1976.

56. Сетров М.И. Организация биосистем. М., "Наука", 1971.

57. Сеченов И.М. Избранные философские и психологические произведения. Госполитиздат, 1947.

58. Словарь терминов по информатике. М., "Наука", 1971.

59. Справочник по системотехнике. Под ред. Р. Макола. М., "Советское радио", 1970.

60. Стратонович Р.Л. Теория информации. М., "Советское радио", 1975.

61. Уёмов А.И. Аналогия в практике научного исследования. М., 1970.

62. Урсул А.Д. Проблема информации в современной науке. М., "Наука", 1975.

63. Фейербах Л. Избранные философские произведения, т. 2, М., 1955.

64. Философская энциклопедия. М., т. 5, 1970.

65. Холл А.Д., Фейджин Р.Е. Определение понятия системы. – В кн.: Исследования по общей теории систем. М., "Прогресс", 1969.

66. Хомский Н., Миллер Дж. Конечные модели использования языка. – "Кибернетический сборник", нов. сер. № 4, 1967.

67. Хургин Я.И. Ну и что? М., 1970.

68. Хурсин Л.А. О развитии техники как информационном процессе. – "Научно-техническая информация", сер.2, 1974, № 2.

69. Частотный словарь русского языка. М., 1977.

70. Чердынцев В.В. Распространенность химических элементов. М., Гостехиздат, 1956.

71. Черри К. Человек и информация. М., 1972.

72. Шмальгаузен И.И. Кибернетические вопросы биологии. Новосибирск, "Наука", 1963.

73. Шмальгаузен И.И. Факторы эволюции. М., "Наука", 1968.

74. Шмальгаузен И.И. Проблемы дарвинизма. Изд. 2, Л., 1969.

75. Эшби Росс У. Введение в кибернетику. М., Изд-во ин. лит.,1959.

76. Юдин Э.Г. Системная ориентация. – В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1972. М., 1973.

77. Яблонский А.И. Стохастические модели научной деятельности. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1975. М., 1976.

78. Bertalanffy L. Auf den Pfaden des Lebens.Wien, 1951.

79. B1ackburn Thomas R. Information and the Ecology of Scholars. New York, "Science", v.181, № 4105, 1973.

80. Boddenberg K. Leittechnik in Groβkraftwerken "Energie and Technik", 1973, №2.

81. Fisher R.A. A theoretical distribution for the apparent abundance of different species. – "J. Anim. Ecol.", 1943, 12.

82. Fisher R.A., Corbеt A.S., Williams C.B. The relation between the number of species and the number of individuals in a random sample of an animal population. – "J. Animal Ecology", 1943, № 12.

83. Hutchinson G.E. The niche: an abstractly inhabited hypervolume. – In The Ecological Theater and the Evolutionary Play. Yale University Press, Ney Haven, Conn., 1965.

84. Jorge O. Ares. El modelo de nicho fundamental: Su aplication on la investigacion ecologica. Ciencia investigacion, v. 26, № 7, 1970.

85. Mac Artur R.H. On the relative abundance of bird species. Proc. Nat. Ac. Science, 1957, №43.

86. Mac Artur R.H. Note on Mr´s Pielou comments. – "Ecology", 1966, v. 47.

87. Mac Intosh R.P. Raunkiaer´s "Law of Freguency". – "Ecology", 1962, v. 43, № 3.

88. Margalef R. Information theory in ecology, Gen. Syst., 1958, 3.

89. Menhinick E.F. A comparison of some species diversity indices applied to samples of field insects, Ecology, 1964, 45.

90. Pielou E.C. The measurement of diversity in different types of biological collections, - "J. Theoret.Biol.", 1966, 13.

91. Preston F.W. The canonical distribution of commonness and rarity: Part I. Ecology, 1962, v. 43, № 3.

92. Rioha. Algunos conceptos de interes para el sociologo y el economista. –"Cuadernos del seminario de problemas scientificos u filosoficos". Ser. 2. Ciudad "Universitaria", Mexico, 1958, № 7.

93. Simpson E.N. Measurement of diversity, Nature, 1949, 163, 688.

94. Williams C.B. Pattarns in the Balance of Nature: and Related Problems in Quantitative Ecology. Academic Press, London and New York, 1964.

95. Watterson C.A. Models for the Logarithmic Species Abundance Distributions. – "Theoretical Population Biology", 1974, № 6.

96. Zipf G.K. Human behaviour and the principle of least effort. Massachusetts, 1949.