Междисциплинарный характер компьютерных проектов

Конфликты "восприятия" довольно часто проявляются в обыденной жизни, например, в форме альтернативного восприятия (неоднозначности) изображения на плоскости полого куба, ребра которого изготовлены из проволоки (рис. 1.3-а) - заимствован у Р. Грегори [32]).

Рис. 1.3. Неоднозначное восприятие пространственного положения куба

Здесь неоднозначность (альтернативность) восприятия возникает из-за нарушения правила: изображать на двумерной плоскости пунктирными линиями невидимые глазом ребра трехмерной фигуры. Такую неоднозначность восприятия можно устранить двумя способами. В первом случае (рис. 1.3-б) пунктирные линии расположить так, чтобы исходный куб воспринимался наклоненным "вниз" и справа налево, а во втором случае (рис. 1.3-в) тот же куб необходимо воспринимать наклоненным "вверх" и слева направо. При этом Р. Грегори предложил закрыть два последних рисунка и "приспособить" наше восприятие сначала на расположение куба по варианту рис. 1.3-б, а затем по варианту рис. 1.3-в и т. д.

Как ни странно, но и в микроэлектронике устранение неоднозначности "восприятия" входных воздействий является не менее обыденным делом. Более того, используемые при этом методы и средства позволяют к тому же изменять и правила функционирования целого ряда базовых устройств вычислительной техники, и правила управления их работой. Это говорит о том, что разрешение конструктором подобных конфликтов, связанных с неоднозначным "восприятием" входных воздействий служит основой творческого "развития" методов и средств управления сложными вычислительными комплексами.

В частности, без триггеров практически невозможно организовать работу любого вычислительного устройства. Хорошо известно, что основу всех триггеров составляют так называемые RS- триггеры (рис. 1.4), правила работы которых задаются таблицей 1.2. Здесь "звездочка" (*) означает: если на R- и S- входы триггера одновременно подать "единичные" (возбуждающие) значения, то триггер случайным образом может перейти как в "единичное", так и в "нулевое" состояние.

Рис. 1.4. Логическая схема RS-триггера

Рис. 1.5. Логическая схема JK-триггера

Причина такого "неоднозначного" поведения RS- триггера лежит на физико-техническом уровне организации его работы, где при "единичном" входном воздействии скорости нарастания токов в симметричных плечах триггера носят случайный характер. Поэтому в RS- триггере возникают так называемые "гонки" между токами, из-за которых невозможно заранее определить, какое из этих плеч станет ведущим и раньше перейдет в "единичное" или "нулевое" состояние.

Возникающие на физическом уровне неоднозначности "восприятия" комбинаций входных воздействий в электронике принято устранять введением обратных связей, но на более высоком, схемотехническом уровне. В нашем случае структурная схемотехническая адаптация трансформирует RS- триггер в JK- триггер (рис. 1.5), который теперь уже однозначно инвертирует свое предыдущее состояние под воздействием "единичных" входных сигналов (см. табл. 1.2).

Таким образом, устраняя различными способами неоднозначности "восприятия" входных воздействий и в живых системах, и в микроэлектронике, можно получить функциональные блоки с существенно разными адаптивными возможностями, что можно расценить как аналог навязанного извне "развития" ее элементной базы. Негативные последствия такого рода неоднозначностей в программно-аппаратных платформах чреваты появлением непредвиденных форм "поведения" и к потери управляемости глобальным технотронным комплексом вследствие появления в них информационных сбоев и отказов аппаратуры.

Конфликты в физических, химических и биохимических системах, а вместе с ними и в описывающих их поведение математических моделях, наиболее часто возникают в более ослабленном варианте противоречия, когда нарушается только аксиома однозначности логики Аристотеля. В реальных физических, химических и биохимических системах противоречия (понимаемые как неоднозначности) возникают там, где появляются условия хотя и пассивного, но, тем не менее, альтернативного выбора дальнейшего хода процесса. Это наиболее характерно для (полу)открытых, нелинейных, неравновесных физико-химических систем [33], где имеются объективные условия для ветвления (бифуркаций). Специфика таких "бифуркационных" неоднозначностей (противоречий) состоит в том, что ветви физико-химических процессов не только взаимно исключают, но и взаимно дополняют друг друга, задавая тем самым своеобразные, а нередко и неповторимые, отношения зеркальной симметрии. Поэтому при формально-логич еском описании фазового пространства всех состояний нелинейных физико-химических систем невозможно избежать противоречий, так как этому пространству одновременно принадлежат все бифуркационные, а значит, зеркально симметричные ветви этих систем.

Теория бифуркаций изучает условия возможного ветвления решений нелинейных дифференциальных уравнений и поэтому является узловым механизмом исследования множественности решений в нелинейных системах. Сама множественность решений служит необходимым условием появления автономности в поведении нелинейных систем по отношению к окружающей среде. В этом угадывается физико-химический "прототип" феномена автономизации функций биологического объекта в условиях конфликта, описанных выше.

Исследуя поведение нелинейных систем, И. Пригожин и Г. Николис показали [33], что вне области устойчивости термодинамической ветви может возникнуть новый тип организации, который связывает пространственно-временное "поведение" системы с динамическими процессами внутри нее, например конвекцию с химической кинетикой. Такой тип пространственно-временной организации системы был назван "дис-сипативными структурами", механизм образования которых существенно отличен от механизма формирования равновесных структур, основанного на больцмановских принципах упорядоченности.

Образование "диссипативных структур" проще всего продемонстрировать с помощью сосуда с жидкостью, нагреваемого снизу. Пока градиент температуры разогрева ниже определенной "критической" точки, тепло через жидкость переносится только за счет процесса теплопроводности. Но уже при переходе интенсивности нагревания через "критическую" точку возникают конвективные ячейки с регулярным течением жидкости. Такой эффект известен как "бенаровская" неустойчивость, благодаря которой возникает регулярное течение жидкости с высокой степенью молекулярной организации. Это становится возможным лишь за счет переноса энергии от хаотичного микроскопического теплового движения к упорядоченному макроскопическому конвективному движению. Как и в предыдущем случае, в этом можно усмотреть физико-химический прототип трансформации, например, индивидуально защитных (или смещенных) форм активности в автономизированные и самодостаточные поведенческие акты, играющие самостоятельную биологическую рол ь.

С позиций больцмановской статистки вероятность спонтанного проявления такого когерентного (организованного) поведения более чем 10²⁰ "хаотичных" молекул практически равна нулю. Объяснить этот феномен самоорганизации И. Пригожину и его коллегам удалось только благодаря раскрытию механизмов переноса энергии от микро- к макроуровню, основанного на координации усилий соответствующих флуктуаций. Используя результаты И. Пригожина и его бельгийской школы, М. Эйген [34] пришел к выводу, что эти флуктуационные механизмы самоорганизации неравновесных систем в диссипативные структуры достаточны только для образования предбиологического субстрата, а скоротечная (по временным масштабам Вселенной) эволюция биологических макромолекул, продуктом которой мы являемся, требует более сложных механизмов инструктированного синтеза.Они помимо конфликта пронизывают процессы рождения, роста и развития живых организмов, обеспеч ивая их своеобразными биологическими контроллерами и адаптерами (нуклеотидами и ферментами), которые поддерживают сложную систему ограничений на всех этапах и уровнях иерархической организации живых систем, начиная с физико-химического уровня .

Таким образом, конфликты в нелинейных физических, химических и биохимических системах являются источником конфликтов на молекулярно-биологическом уровне и проявляются в форме противоречивой (неоднозначной) динамики процессов, которая при определенных условиях может привести к образованию качественно новой структурно-функциональной организации в виде диссипативных структур. Такие диссипативные структуры имеют более высокий порядок "сложности", чем больцмановские структуры, и поэтому их можно рассматривать как аналог "функционального развития" физических, химических и биохимических систем. Однако на основе процессов, протекающих в нелинейных физико-химических системах, возможен синтез только предбиологи-ческого субстрата, который не разрешает парадокса Тристрама Шенди. Это указывает на то, что процедура поиска молекулярно-биологических контроллеров и адаптеров так же бесконечна, как и процесс жизнеописания Тристрама Шенди, а неразрешимость проблемы построения бесконфликтных систем вообще служит "бесконечным" стимулом поиска новых надстроек, разрешающих известные конфликты и постоянно отодвигающих по времени наступление новых конфликтов.

Из изложенного видно, что наличие в открытых, нелинейных физико-технических и молекулярно-биологических системах потенциальных "паразитных" бифуркаций может привести к потере управления глобальным технотронным комплексом, в составе которого имеется компьютер нанометрового или супрамолекулярного диапазона. Это качественно новый момент в теории и практике обеспечения отказоустойчивости и отказобезопасности вычислительных систем военного назначения.

Системотехнические конфликты в кибернетике и вычислительной технике являются "наследниками" формально-логических конфликтов в математике. Несмотря на это, к борьбе с антиномиями ученые долгое время относились как к сугубо "внутренним" проблемам логики и математики. Однако ситуация кардинально изменилась, как только в 1948 году Дж. фон Нейман [16] опубликовал первые результаты по теории качественно нового класса автоматов, способных к "самовоспроизводству", то есть воссозданию собственных копий. К этому моменту математики уже освоились с фантастическими последствиями теоремы существования универсальных машин А. Тьюринга, который фактически доказал возможность построения абстрактной автоматной модели для любого процесса, протекающего в живой и неживой природе. Одновременно им была доказана и неразрешимость проблемы останова такой модели как неизбежного внутреннего парадокса. Дж. фон Нейману оставалось лишь ввести понятие сложности автомата, чтобы с его помощью отличить "самовоспроизводящиеся" и простые автоматы, последние из которых не способны к "самовоспроизводству". Согласно Дж. фон Нейману простой автомат проще описать, чем сделать, а сложный автомат, наоборот, проще сделать, чем описать. Отсюда вытекают два способа построения и функционирования сложных, а значит, "самовоспроизводящихся" автоматов. В первом случае автомат содержит в себе полную схему своего воспроизводства, а во втором случае только список инструкций, указывающий каким путем надо действовать, чтобы построить эквивалентный автомат.

Однако такое правило разделения на простые и "самовоспроизводящиеся" автоматы достаточно быстро привело Дж. фон Неймана к противоречию, связанному с неразрешимостью проблемы останова абстрактной машины Тьюринга. Решая задачу инструктированного синтеза автомата-потомка, Дж. фон Нейман следующим образом связал результаты А. Тьюринга с результатом К. Геделя (цитируется по [17]): "Это свойство (неразрешимости - прим. авторов) связано с теорией типов. Оно состоит в том, что можно работать внутри логического типа, включающего в себя все, что реализуемо, но вопрос, реализуемо ли нечто в каком-то типе, сам принадлежит к более высокому логическому типу". Таким образом, Дж. фон Нейман показал, что, конструируя самовоспроизводящиеся автоматы, мы неминуемо придем к противоречиям, разрешение которых требует построения логических систем более высокого типа. Это можно рассматривать как пассивную, навязанную извне форму "функционального развития" автома тов, сопряженного с возрастанием их сложности.

Наличие противоречий в теории "самовоспроизводящихся" автоматов вынудило М. Аптера [17] искать пути, которые исключают из абстрактной теории развития "самообращающиеся" и поэтому приводящие к противоречиям конструкции, связанные с парадоксом Тристрама Шенди. При этом М. Аптер исходил из того, что система не может "развиваться", получая извне только энергию и строительные материалы. Более того, открытым остается вопрос и о том, сможет ли система "самоусложниться" некоторым заранее предписанным ей образом. Решая эти проблемы, М. Аптер исходил из того, что универсальная машина Тьюринга не обследует себя, а получает описание другой машины, которая случайно оказывается идентичной первой. Это снимает проблему "самообращения", но парадокс все же остается: чтобы воспроизвести себя, универсальный автомат должен иметь описание собственного поведения во время воспроизведения, а это невозможно, пока "самовоспроизведение" не закончилось. Отсюда следует, что машина Тьюринга не может воспроизвести себя, пока у нее нет описания собственного процесса воспроизведения, а получить такое описание она может, только закончив воспроизведение.

Для разрешения этого парадокса М. Аптер рассмотрел две возможности [17]:

• получение описания "извне", что создает серьезные теологические трудности при поиске причин возникновения жизни на Земле;
• получение описания каким-либо способом без помощи "извне", что возвращает ситуацию в исходную позицию, требующую "самообращения".

Таким образом, имеются достаточные основания считать, что и в процессе "самовоспроизводства" автоматов, и в динамике их пассивного, навязанного извне "развития", как бы эти процессы ни интерпретировались, неизбежно возникают явные или скрытые противоречия, разрешение которых приводит к созданию автоматов, качественно отличающихся по своим свойствам от предшественников. Отсюда следует, что в технологии прототипирования только отдельные этапы могут быть "саморазвивающимися", но только в смысле поиска, а не принятия и реализации принятых решений, которые, в конечном счете, должны быть подконтрольны человеку на всем жизненном цикле создания и использования технотронных комплексов военного назначения.

Конфликты проектной технологии прототипирования составляют ее системный базис, когда при поиске путей разрешения тупиковых ситуаций используют итеративный процесс ,распространяя апробированные методы и средства разрешения более "сильных" конфликтов на более "слабые", и наоборот. Для формального описания такого процесса достаточно использовать представление некоторой функции (в данном случае одной переменной ) с помощью произвольного множества функций , таких, что:

( 1.1)

В выражении (1.1) каждая "представляющая" функция сдвигается в пространстве значений аргументов на величину таким образом, чтобы обеспечить полное совпадение на интервале с "представляемой" функцией , а вне этого интервала характеристическая функция устраняет все паразитные влияния несовпадающих значений, так как имеет вид:

При записи (1.1) соответствует наиболее простой, табличный способ задания "представляемой" функции совокупностью независимых "представляющих" функций, определенных на единственном значении аргумента

В технических системах противоречия, а значит, и конфликты потенциально способны возникнуть только там, где несколько характеристических функций одновременно могут принять "единичное" значение на одном и том же интервале , то есть ситуация сходна, напри-мер, с "конфликтами возбуждения и торможения" в ВНД. Объясняется это тем, что и в реальной жизни, и в математике рассматриваются только однозначные функции , то есть такие функции, которые каждому значению аргумента ставят в однозначное соответствие единственное значение

Отсюда видно, что наличие противоречий в технических системах также носит атрибутивный характер, так как устранить конфликты неоднозначности в них невозможно, сменив одну только форму описания их поведения, которая в явном виде указывает на возникновение противоречия. Отказавшись от записи (1.1), мы просто уходим от рассмотрения вопросов отказоустойчивости технических систем, где неоднозначность реакции является одним из главных диагностических признаков неправильной работы. Разрешить конфликты в реакциях технических систем извне - это значит ввести в них средства обнаружения и локализации отказов. В результате появляется возможность идентифицировать непредусмотренные реакции и на этой основе парировать возникающие отказы, то есть устранять опасные для человека реакции технических систем. Хорошо известно, что при создании отказоустойчивых технических систем возникает конфликт типа "Кто сторожит сторожа?", что делает "бесконечной" проблему создания абсолютно надежных технических систем, способных выполнять только предписанные им человеком функции. Тем не менее, сходство конфликтов позволяет разрешить эту проблему методами и средствами самовоспроизводящихся систем, учитывающих при синтезе потомка в качестве ограничения действующую карту отказов в предке.

Таким образом, в "сложных" кибернетических, физико-химических, молекулярно-биологических и технических системах структурную и параметрическую адаптацию можно рассматривать как процесс ослабления или полного устранения неоднозначности в отображении "вход-выход", а развитие - как процесс разрешения противоречий (антиномий). При этом более "сильные" методы, средства и механизмы разрешения конфликтов могут быть использованы для борьбы с более "слабыми" конфликтами путем ослабления или полного устранения одних только неоднозначностей,которые являются источником возникновения крайне опасного для технотронных комплексов военного назначения "несанкционированного" альтернативного выбора.

Заключая анализ роли и места конфликтов в адаптации и развитии "сложных" математических, кибернетических и физико-технических систем, необходимо сделать следующие замечания, предостерегающие радикальных сторонников формализации биологических систем от излишней эйфории.

Представляется весьма заманчивым принять кардинальные меры и устранить логические конфликты в "сложных" биологических системах, заменив термин "самовоспроизводство" на термин "воспроизводство себе подобных". На первый взгляд это исключает антиномии, связанные с "множеством всевозможных подмножеств, не являющихся собственными элементами". Однако это не исключает антиномии других типов и, в частности, А. Ричарда. Более того, при таком подходе придется либо вводить ограничения на число воспроизводимых "близких" копий, либо вводить отличительные признаки между воспроизведенными и воспроизводящими автоматами, которые в формальных системах должны быть тождественными. В результате мы придем к качественно новой "формально-логической" системе, которая "зеркально симметрична" Аристотелевой логике и в которой функции могут быть неоднозначными; о положении, признанном верном, можно одновременно говорить как о неверном, а .

При описании "сложных" живых организмов нельзя ограничиваться только процессами переноса вещества и/или энергии в (полу)открытых системах, так как эти организмы являются (полу)открытыми и по отношению к процессам распространения информации. Последние достижения в области телепортации фотонов [35] указывают на возможность информационных контактов без масс-энергетических взаимодействий. А это значит, что достаточно сложные организмы могут направить свои масс-энергетические усилия на основе информации, взятой из " ниоткуда ". В этом случае такие действия могут восприниматься самим субъектом как интуитивные формы поведения, а с точки зрения стороннего наблюдателя - как парадоксальные формы поведения, что крайне важно, если этим наблюдателем является противник, которого необходимо ввести в заблуждение.

Таким образом, при использовании междисциплинарного подхода к созданию перспективных развивающихся технологий в области вычислительной техники необходимо учитывать следующие его особенности.

1. Принципиальным отличием живых от "не живых" систем является то, что первые осуществляют активный отбор внешних воздействий и возможных ответных реакций. "Не живые" системы изначально ограничены не только множеством внешних воздействий и ответных реакций, но в них считается недопустимым любое отклонение от заранее заданного функционирования, которое рассматривается как неисправность и, особенно в военной технике, подавляется средствами систем обеспечения отказобезопасности.
2. Согласно Г. Джекобсону (цитируется по [17]), "…ученым удалось продублировать неживыми моделями большую часть функций живых существ, кроме самовоспроизведения и роста". Рост и развитие считают чрезвычайно трудной и "…самой важной проблемой в теории автоматов", что позволило ряду исследователей рассматривать машину Тьюринга (см. выше) как "самовоспроизводящийся" (развивающийся) автомат, как частный случай "растущего" автомата. В биологии и физиологии рост и развитие понимают различно: под "ростом" подразумевают увеличение размеров живого объекта, а термин "развитие" отражает многообразные процессы (гисто-, морфогенез, образование пространственной структуры, объединение элементов и др.), обеспечивающие функциональную состоятельность живого объекта (субъекта). Эти процессы в совокупности являются базовыми для разворачивания на их основе (в своих масштабах времени и с опережением) механизмов "функционального развития", воплощенных в системогенезе функций. Этот генетически детерминированный процесс каждый раз еще в существующих морфологических границах живого объекта оказывается ориентированным навстречу тем факторам внешней среды, которые существенны не только для удовлетворения его гомеостатических потребностей, но и для своеобразного "движения" во времени. Это "движение" реализуется в перманентных процессах как морфологического роста, так и "функционального развития" живого объекта (субъекта).
3. Не каждое структурно-функциональное изменение в неживой природе располагает признаками развития. Например, любое объединение двух квантовых систем порождает новую структуру, обладающую новыми физико-химическими свойствами. Однако новые объекты являются обратимыми в том смысле, что могут быть разложены на исходные компоненты. Более того, синтез таких систем нельзя считать (целе)направленным, так как он является не инструктированным и осуществляется в соответствии с некоторыми критериями, содержащимися в законах неживой природы. Напротив, "функциональное развитие" кибернетических и сложных технических систем проявляется благодаря искусственному построению формальных систем более высокого логического типа с привлечением ресурсов "внешнего интеллекта". Но оно носит пассивный характер, хотя и инициируется внутренним конфликтом формальной системы-предшественницы, в рамках которой формируется только "вектор" "функционального развития", но не выбираются сами средства разреш ения конфликта. Сторонники "самоорганизации" формальных и сложных кибернетических систем не учитывают, к сожалению, ограниченных возможностей дедуктивных систем. Эти ограничения являются следствием того, что в рамках любого процесса дедуктивного вывода можно получить только частные утверждения, вытекающие из более общих утверждений и содержащихся в аксиомах формальной системы.
4. В биологических объектах (субъектах) внутренним мобилизационным источником процессов развития также является конфликт. Энергия его разрешения расходуется двояко. Во-первых, она используется на считывание и пользование генетических инструкций, зафиксированных в геноме и значительно предопределяющих индивидуальный ход внутренних процессов в организме на различных уровнях их организации, от молекулярного до психофизиологического и личностного. Во-вторых, энергия разрядки создает возможность "оживления" для субъекта самых разнообразных (ранее безразличных) раздражителей и событий во внешней среде. Они в силу меняющейся "впечатлительности" конфликт-индуцированных или конфликт-содержащих доминант в организме обеспечивают "вектор" постоянного "функционального развития" и самосовершенствования субъекта, которые лимитированы лишь сроками его биологической жизни.