Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции

Турчин В.

2.13. Структурные и функциональные схемы

На структурной схеме кибернетической системы указывается, из каких подсистем состоит данная система. Часто указывается также, как направлены потоки информации между подсистемами. Тогда структурная схема превращается в граф. В математике называют графом систему точек (вершин графа), некоторые из которых соединены линиями (дугами). Граф называется ориентированным, если на каждой дуге указано определенное направление. Структурная схема с указанием потоков информации есть ориентированный граф, вершины которого изображают подсистемы, а дуги — потоки информации.

Такое описание кибернетической системы не является единственно возможным. Часто нас интересует не столько структура системы, сколько ее функционирование, действие. Еще чаще мы просто ничего не можем сказать толком о структуре, но кое-что можем сказать о функционировании. В таких случаях можно построить функциональную схему. Это тоже ориентированный граф, но

вершины здесь изображают различные множества состояний системы, а дуги — возможные переходы между состояниями. Дуга соединяет две вершины в направлении от первой ко второй в том случае, если хотя бы из одного состояния, относящегося к первой вершине, возможен переход в какое-либо состояние, относящееся ко второй вершине. Множества состояний мы будем называть обобщенными состояниями. Следовательно, дуга на схеме указывает возможность перехода из одного обобщенного состояния в другое. Если структурная схема отражает главным образом пространственный аспект, то функциональная — главным образом временной. Формально в соответствии с данным выше определением функциональная схема вообще никак не отражает пространственного аспекта — разделения системы на подсистемы. Однако, как правило, разделение на подсистемы находит отражение в способе определения обобщенных состояний, т. е. разделения множества всех состояний системы на подмножества, «приписанные» к различным вершинам графа. Разберем это на примере системы, структурная схема которой представлена на рис. 2.12. Это схема управления.

Рис. 2.12. Структурная схема управления

Одна из подсистем, называемая управляющим устройством, получает информацию от «рабочих» подсистем A₁, A₂, A₃, …, перерабатывает ее и посылает подсистемам A₁, A₂, A₃, … приказы (управляющую информацию), вследствие чего эти подсистемы меняют свое состояние. Надо отметить, что, строго говоря, любая информация меняет состояние системы, которая ее получает. Информацию называют управляющей в том случае, когда она меняет некоторые выделенные параметры системы, описываемые как «основные», «внешние», «наблюдаемые» и т. п. Часто бывает, что управляющее устройство по своей информационной емкости и пропускной способности невелико и служит лишь для переключения информационных потоков, а реальная обработка данных и выработка приказов производятся одной из подсистем A₁, A₂, A₃, … или в соответствии с хранящейся в ней информацией. Тогда говорят, что управление переходит в эту подсистему. Так, в частности, обстоит дело в вычислительной машине, где A₁, A₂, A₃, … — это ячейки оперативной памяти. Одни из ячеек содержат пассивную информацию (например, числа), другие — приказы (команды). Когда управление находится в ячейке, содержащей команду, управляющее устройство выполняет эту команду. Затем оно передает управление в другую ячейку и т. д.

Рис. 2.13. Функциональная схема передачи управления

Для систем с передачей управления функциональную схему строят следующим образом. Каждой вершине графа сопоставляют одну из подсистем A, и множество всех состояний системы, при которых управление находится в данной подсистеме. Тогда дуги (стрелки) означают передачу управления от одной подсистемы к другой (рис. 2.13). На такой схеме даже при полной детерминированности каждого следующего состояния предыдущим могут быть разветвления благодаря тому, что каждая вершина соответствует обширному множеству состояний и передача управления может зависеть от состояния управляющего устройства или подсистемы, в которой находится управление. Функциональные схемы часто рисуют обобщенно, пропуская какие-то несущественные детали и шаги. Тогда может оказаться, что то, по какому пути в разветвлении перейдет управление, зависит от состояния нескольких различных подсистем. Условие, при котором осуществляется данный переход, обычно выписывают рядом со стрелкой. Схему на рис. 2.10 можно понимать в таком именно смысле. Тогда в ней подразумевается, что система имеет две подсистемы: блок проверки и блок выполнения операции, и управление переходит из одной в другую в соответствии со стрелками. У системы могут быть и другие подсистемы (в данном случае — среда), но они никогда не получают управления и поэтому не изображаются на схеме (точнее, те моменты, когда среда меняет состояние системы или меняет свое состояние под действием системы, включаются в процесс действия одного из блоков).

Можно отойти еще дальше от структурной схемы. Передача управления в некоторую подсистему означает ее активацию, т. е. выполнение того действия, для которого подсистема предназначена. Но мы можем и не знать, какая подсистема отвечает за данное наблюдаемое действие. Тогда вершины графа мы будем отождествлять с действиями как таковыми, а другие будут означать переход от одного действия к другому. Понятие «действие как таковое», если определять его строго, надо отождествлять с понятием «обобщенное состояние» («множество состояний»), и это возвращает нас к первому — самому абстрактному —

определению функциональной схемы. В самом деле, когда мы говорим, что собака «бежит», «лает» или «вертит хвостом», то под каждое из этих определений подходит множество конкретных состояний собаки. Правда, здесь бросается в глаза одна несообразность: «состояние» есть нечто статическое, в то время как «действие» — нечто явно динамическое, скорее изменение состояния, чем само состояние. Если на мгновенной фотографии хвост собаки не выходит из плоскости симметрии, то еще неизвестно, вертит она им или он застыл в неподвижности. Это противоречие снимается тем замечанием, что в понятие состояния входят не только величины типа «положение», но и величины типа «скорость», «ускорение» и т. д. В частности, указание состояния собаки включает указание напряженности мышц ее хвоста и возбужденности всех нейронов, регулирующих состояние мышц.

2.14. Переход к феноменологическому описанию

Итак, формально, действие на функциональной схеме — это множество состояний. Но сказать, что данное действие есть какое-то множество, — это почти ничего не сказать. Надо уметь определить это множество. И если мы не знаем структуры системы и способа ее функционирования, то сделать это строго практически невозможно. Остается довольствоваться неполным, феноменологическим определением, основанным на внешне проявляемых следствиях внутренних состояний. Вот такими-то функциональными схемами с более или менее точно определенными действиями в вершинах графа и описывается поведение сложных, неизвестно как устроенных систем, подобных животным или человеку. Схемы на рис. 2.10 и 2.11 являются, конечно, именно такими схемами. Феноменологический подход к деятельности мозга осуществляется двумя науками: психологией и бихевиористикой (изучение поведения). Первая основана на наблюдениях субъективных (изнутри), вторая — объективных (извне). Они тесно связаны между собой, и часто их объединяют под общим названием психологии.

Рис. 2.14. Иерархический план забивания гвоздя

Так как операционный компонент единицы T– O– T– E может быть составным и требовать выполнения нескольких подчиненных планов, единицы T– O– T– E могут иметь иерархическую структуру. Миллер, Галантер и Прибрам приводят следующий пример. Если удар молотком по гвоздю представить как двухфазное действие, слагающееся из подъема и опускания молотка, то функциональная схема на рис. 2.11, изображающая план забивания гвоздя, перейдет в схему на рис. 2.14. Эта схема в свою очередь может входить в качестве элемента в операционный компонент схемы T– O– T– E более высокого уровня.

Мы видели, что элементарной функциональной схеме на рис. 2.10 соответствует элементарная структурная схема на рис. 2.6. Что происходит со структурной схемой, когда планы образуют иерархию? Точнее, наоборот: какие структурные схемы могут обеспечить выполнение иерархически построенного плана?

Можно предположить различные варианты таких схем. Например, можно представить, что блок сравнения всегда один и всегда пользуется одной и той же подсистемой, хранящей цель, но состояние этой последней (т. е. цели) меняется под действием других частей системы, обеспечивая вытекающую из плана смену целей. Напротив, можно представить, что пара — блок сравнения и цель — размножается многократно, и при выполнении иерархического плана управление переходит от одной пары к другой. Можно предположить комбинацию этих двух способов. И вообще можно придумать множество различно устроенных кибернетических устройств, осуществляющих одну и ту же иерархическую функциональную схему. Ясно только, что они будут иметь иерархическую структуру и что устройства такого типа могли возникнуть эволюционно путем редупликации подсистем и отбора полезных вариантов.

Каковы же структурные схемы, реально возникшие в процессе эволюции? Увы, пока мы этого достоверно не знаем. Поэтому-то нам и пришлось перейти к функциональным схемам. И это только первое из ограничений, которые мы будем вынуждены накладывать на стремление к точному кибернетическому описанию высшей нервной деятельности. Мы очень мало знаем сейчас о кибернетической структуре и работе мозга высших животных и, тем более, человека. Собственно говоря, мы почти ничего не знаем. Есть только отдельные факты и предположения. Поэтому в дальнейшем анализе нам придется опираться главным образом на феноменологию — данные бихевиористики и психологии, где дело обстоит несколько лучше. Что касается кибернетического аспекта, то мы перейдем на уровень чрезвычайно общих понятий. На этом уровне мы обнаружим определенные закономерности, столь общие, что они объясняют этапы развития как нервной системы, так и человеческой культуры и, в частности, науки. Тот относительно конкретный анализ первых этапов эволюции нервной системы, который позволило нам сделать нынешнее состояние знаний, послужит нам разбегом для последующего более абстрактного анализа. Конечно, нашей истинной целью является именно этот абстрактный анализ, но было бы приятнее, если бы, зная кибернетику мозга, мы могли совершить переход от конкретного к абстрактному более плавно и обоснованно.

2.15. Определение сложного рефлекса

Подводя итог описанию четвертого этапа развития, мы можем определить сложный рефлекс как такой процесс, когда возбуждение рецепторов, вызванное взаимодействием с внешней средой, передается по нервной сети, преобразуясь ею, и активизирует определенный план действий, который тут же начинает выполняться. В этой схеме поведения все обратные связи между организмом и средой осуществляются в процессе регулирования действий планом, а в целом взаимодействие между средой и организмом описывается классической формулой стимул — реакция. Только теперь реакция — это активизация того или иного плана.