Цифровой журнал «Компьютерра» № 145 - Коллектив Авторов

Стоящий человек смотрит на окружающую среду. Если его тело отклоняется от избранного положения больше, чем на некую пороговую величину, его зрение зарегистрирует это по относительному перемещению окружающих предметов. Отвечающий за поддержание позы центр нашего мозга корректирует тонус поддерживающих тело мышц, компенсируя отклонение. Обычно это приводит к гиперкомпенсации: тело отклоняется в другую сторону. Зрение регистрирует отклонение, мозг даёт необходимые команды, мышцы компенсируют (гиперкомпенсируют) нарушение...

Если мы так или иначе перекрываем зрительный канал информации, человек не падает. Он продолжает стоять, ориентируясь на информацию вестибулярной системы (органа равновесия) и на показания рецепторов в мышцах и связках. Эти системы порождают свои колебания, характеризующиеся собственной частотой и амплитудой... Отклонение – восприятие – управляющая реакция – компенсация...

Стоящий человек, в отличие от трибуны, устаёт, потому что его мышцы всё время работают. А что будет, если он сильно устанет или, например, окажется под воздействием веществ, нарушающих работу его мозга? Он начнет раскачиваться, как пьяный. Скорость его реакции замедлится, амплитуда колебаний увеличится, и они станут заметными для невооружённого взгляда.

Мы описали регуляцию позы посредством отрицательных обратных связей. В нашем случае прямая связь – влияние мышечной активности на положение тела. Но положение тела само влияет на мышечную активность – это обратная связь. Те обратные связи, благодаря действию которых начальное отклонение компенсируется (результат срабатывания обратной связи противоположен по знаку начальному отклонению), называются отрицательными (–ОС). Отрицательные обратные связи стабилизируют систему, на их действии основан механизм регуляции. В случае положительных обратных связей (+ОС) начальное отклонение усиливается. Положительные обратные связи переводят систему в иное состояние.

Давайте приведу свой любимый пример отрицательных обратных связей. На костре стоит котелок. Если котел горит слишком сильно, вода из котелка выкипает и частично тушит огонь. Кипение уменьшается, и огонь постепенно начинает разгораться... Это – система, в которой реализуется отрицательная обратная связь. А в каком случае она была бы положительной? Если бы в котелке был керосин (или хотя бы жир)!

В котелке варятся рапаны, собранные на полевой практике студентов-биологов. Огонь то разгорается, то затухает – пока в котелке хватает воды

Простые неживые системы обычно сохраняют свои параметры постоянными благодаря своей косности, статичности. Живые системы динамичны. Их характеристики оказываются постоянными вследствие работы –ОС.

Для управления системами важно понять, какие именно параметры определяют частоту и амплитуду колебаний. В примере с опьянением мы видели, что увеличение запаздывания в работе –ОС приводит к уменьшению частоты автоколебаний и увеличению их амплитуды. Если такое запаздывание окажется слишком сильным, система может просто «вылететь» из того диапазона состояний, в котором регуляция оказывается эффективной. Например, сильно пьяный человек может отклониться от вертикального положения настолько, что ему потребуется взмахивать руками или выдвигать в сторону падения ноги. Фактически это означает, что для поддержания вертикального положения тела включаются новые обратные связи.

Чтобы показать этот эффект, я обычно прошу выйти ко мне какого-то студента, ставлю его рядом с собой, отвлекаю внимание, а потом коварно толкаю. Чтобы удержаться на ногах, он взмахивает руками. А следующий шаг в рассуждениях мы обсуждаем уже чисто виртуально: я спрашиваю, что будет, если вызванное моим толчком отклонение превысит его регуляторные возможности. Он упадёт.

Тело человека при падении отклоняется настолько, что его начинает валить земное притяжение. Чем сильнее он отклонится, тем сильнее он будет отклоняться тяготением. Такое поведение характерно для систем, вышедших за диапазон регуляции –ОС и попавших в диапазон преобладания +ОС.

Работу обратных связей можно наглядно показывать в виде определённой поверхности, по которой «скатывается» динамическая система (нечто вроде эпигенетического ландшафта Уоддингтона, если знаете, о чём я).

Мы видим диапазон нормы, поддерживаемой комплексом –ОС, диапазон аномалий с иными –ОС, и зоны, в которых +ОС переводят систему в иное состояние

Такие аналогии полезны, но не надо забывать, что поверхность, по которой «катится» система, не является для неё чем-то внешним. Рассмотрите рисунок как иллюстрацию состояния пьяного человека, и вы поймёте, что показанная на нём поверхность – выражение тех связей, которые работают и в самой системе тоже!

Не думайте, что +ОС – плохи. К примеру, индивидуальное развитие организмов управляется в первую очередь ими. Именно они переводят развивающуюся систему с одной стадии на другую.

А почему шарик, скатываясь по показанной на рисунке поверхности, уклоняется то вправо, то влево? Почему регулируемая обратными связями величина колеблется? Причина — в запаздываниях. Никакие петли обратной связи не срабатывают мгновенно. Чем большее время требуется системе на то, чтобы среагировать на уклонение, тем больше она отклонится от оптимального состояния, и тем сильнее окажется «перелёт» через норму, когда реакция наконец-то сработает.

В авиации есть эффективный способ определить, насколько хорошо лётчик умеет, например, заводить самолёт на посадку. Локаторы регистрируют горизонтальные и вертикальные отклонения реальной траектории самолёта от оптимальной – глиссады. Любой лётчик отклоняется от глиссады то в одну сторону, то в другую. Однако хороший лётчик реагирует даже на небольшие отклонения реального маршрута от идеала и корректирует их настолько, насколько нужно для возвращения к оптимуму. Плохой пилот выписывает траекторию, которую его коллеги сравнивают со следом, который оставляет на земле струйка мочи идущего быка.

Зачем я это всё растолковывал? Понятийный аппарат, который мы сейчас обсуждали, пригоден для описания самых разных процессов – и относительно простых, и весьма сложных. Попробую сделать какие-то выводы. Эффективно управляемый процесс порождает быстрые мелкие колебания тех величин, по которым мы судим о его состоянии. Более длительные колебания со значительной амплитудой свидетельствуют о неэффективности управления; попытки заблокировать колебания могут привести к потере системой управляемости и её переходу в иное качество.

К каким системам применить только что сделанное нами «лекало»? Ну, например, к состоянию социума. Вас возмущает, что я хочу использовать для обсуждения общества подход, который пояснял на примере организма? Почему-то многим кажется, что общество намного сложнее. Я не согласен с этим. Конечно, общество – система, состоящая из очень большого количества разнородных компонентов, но связи между этими компонентами оказываются намного более простыми, чем между частями организма. Организм – более целая, интегрированная система, и благодаря этому он может реализовывать непростую программу индивидуального развития. К примеру, ещё во чреве матери эмбрион может готовиться к тому, что после достижения половозрелости начнёт размножаться. В обществе (намного более «рыхлой» системе) направленные на достижение удалённых целей управляющие усилия оказываются, увы, малоэффективными.

По колебанию траектории самолёта вокруг глиссады можно оценить мастерство пилота. А эффективность управления экономикой можно оценить по динамике важнейших индикаторов. А как оценить эффективность политического управления?

Один из механизмов обратной связи в политике – выборы. Это по определению медленно действующий механизм регуляции. Есть ли более быстрые? Конечно! Активность разных политических сил в парламенте, привлечение общественного внимания к текущим проблемам с помощью СМИ, работа общественных организаций и протесты граждан – быстрые способы корректировки государственной политики. Увы, не во всех странах они работают. Там, где они в большей или меньшей мере заблокированы – надежда остается на выборы. Впрочем, и выборы не всегда оказываются корректировкой власти со стороны народа, иногда они оказываются просто навязыванием электорату решения, которое приняла власть.

Например, в Украине только что прошли парламентские выборы. В общем они подтвердили давний вывод: в этой стране на выборах побеждает оппозиция. Изменения курса оказываются достаточно резкими, и в целом эта ситуация соответствует случаю малоэффективного управления. Маятник качается от одних сил к другим. Единственный раз, когда президенту удалось переизбраться, – вторые выборы президента Кучмы. Ему тогда удалось удачно подтолкнуть общественные настроения в сторону коммунистов. На втором туре, выбирая между действующим президентом и лидером компартии, я своими руками проголосовал за президента — и так сделали очень многие.