6. Системная инженерия

Усложненность инженерного Знания и потеря системной компетенции инженера привела к острой необходимости в интегрирующей дисциплине, позволяющей выстраивать какие-никакие связи между требованиями Заказчика, технологическими возможностями и наличными ресурсами. Речь идет, по сути, об управлении крупными проектами, такими как ядерная электростанция, крупный боевой корабль, новый авиалайнер или снегоуборочный комплекс для обслуживания большого города.

При проектировании большой системы очень трудно, фактически невозможно, заранее согласовать все требования, которым она должна удовлетворять. Кроме того, обычно, Заказчик не различает между собой цели, задачи, рамки и требования, поэтому Конструктор не может корректно задать систему параметров, описывающих объект, и определить оптимальные значения этих параметров. Например, при проектировании билетной кассы неявно предполагается, что это — помещение, что оно находится в театре или на вокзале, что в нем работает кассир, что билеты продаются за наличный расчет. Между тем, касса может быть виртуальной или представлять собой терминал самообслуживания или вообще находиться в вагоне (зрительном зале), или принимать оплату в виде СМС-сообщения. Поэтому требования «построить кассу и «создать систему для распространения билетов» провоцируют совершенно разные решения, в то время как большинство Заказчиков считает такие требования синонимами.

Нечеткость или, напротив, излишняя детализаций требований приводит к запаздыванию технических и инженерных решений, а в большинстве случаев — к переделке уже готового. Кроме того, как правило, проектировщики и думать не думают о тех требованиях, которые, якобы, подразумеваются сами собой, но в техническом задании прямо не указаны. Например, о том, что танк или бомбардировщик иногда приходится ремонтировать. Или о том, что атомный реактор по окончании срока эксплуатации нужно утилизировать. Тем более, не принимается во внимание возможное изменение со временем нормативно-правовых норм. Так пострадал «Конкорд». Еще существует изменение базовых эксплуатационных расходов — это про тот же «Конкорд», и целый ряд моделей автомобилей.

Таким образом, перед инженерами встает четыре взаимоувязанные задачи:

Учесть при проектировании не только саму систему и ее непосредственное окружение, но и все среды, в которые эта система вписана, причем в их сценарном развитии;

Проанализировать полный жизненный цикл системы от ее создания до утилизации, принять во внимание расходные материалы, отходы и другие обременения;

Проектировать систему таким образом, чтобы иметь возможность реализовывать новые требования, поступающие от Заказчика уже после начала работы, а, зачастую, и после ее окончания.

При этом нужно еще в процессе проектирования экономить время и финансовые ресурсы, что, опять-таки, означает свести к минимуму возможные переделки.

В принципе, в этих требованиях нет ничего особенного и даже ничего нового — примерно так работали проектировщики в конце XIX века. Но сейчас нет ни инженеров, способных удержать в голове проект целиком, ни инвесторов, умеющих с этими инженерами сотрудничать. Поэтому возникла необходимость эмулировать такого «идеального инженера вместе с идеальным инвестором» в виде определенной инженерной доктрины. Так появилась системная инженерия и автоматизированная система проектирования, на наших глазах развившаяся от 3D до 6D подхода. 6D — это три известных пространственных измерения, время (автоматизированный сетевой график), деньги (автоматизированный финансово-инвестиционный график), поставки оборудования и перемещение рабочей силы (автоматизированный логистический график).

Системно-инженерный подход может быть реализован несколькими способами, то есть к самому этому подходу можно предъявить различные требования и получить разные системные инженерии.

Лин-инженерия (lean)

Этот подход хорошо описан в литературе и в Интернете. Он разрабатывался японцами в конце 1940-х годов и лег в основу проектных решений автомобилестроительных корпораций Страны Восходящего Солнца, в частности, «Тойоты». В тот момент Япония остро нуждалась в автомобилях, но платежеспособный спрос был мал и слабо предсказуем, ни о каких международных рынках не могло быть и речи. Поэтому требовался автомобиль, дешевый в малосерийном производстве.

Была построена системная модель, оптимизированная по критерию минимальности используемых ресурсов — отсюда и термин «лин-инженерия», то есть «худая», «тощая», «экономная». Все затраты были разбиты на две категории: те, за которые потребитель готов платить, поскольку они увеличивают полезность изделия, и все остальные. Затраты второго типа могут быть важны для производителя, но качеств автомобиля не меняют, и покупатель платить за них не хочет. Так, ему совершенно неинтересно, сколько времени машина стоит на складе и сколько ее хранение стоит. Тем более, он не готов оплачивать хранение комплектующих или, тем паче, ожидание этих комплектующих. В результате вырисовывается концепция автомобиля, который собирается прямо к продаже под заказ, причем все детали также поступают по мере их востребованности.

Понятно, что потребитель не заинтересован в топ-менеджерах и вообще управленческом аппарате, не готов платить за рекламу и с большим трудом согласен финансировать исследовательские разработки и проектирование новых машин, если только это не приводит к существенному улучшению эксплуатационных характеристик. Зато он очень ценит всевозможные мелкие усовершенствования и доработки — поэтому концепция лин-инженерии всегда сопровождается подходом кайдзен — потоком непрерывных изменений.

На первый взгляд, лин-подходу преступно искать альтернативу, поскольку она обеспечивает высочайшую коммерческую эффективность системы, и история японского автомобилестроения убедительно это доказывает.

Собственно, менеджерское звено ведущих российских корпораций сейчас только тем и озабоченно, чтобы в максимальной степени внедрить у себя лин-подход. Однако, есть все основания утверждать, что в условиях российской Федерации эпохи постиндустриального кризиса он вообще работать не будет.

Прежде всего, приходится поставить вопрос, как применять японский подход, если у вас есть несколько ресурсов, по которым необходимо добиться оптимизации? Нет никаких сомнений, что в Японии середины ХХ века критическим был именно финансовый ресурс, но кто сказал, что в сегодняшней России это так?

Критическим может быть время: если сегодня технической системы нет, то завтра она уже не нужна[85]. Очень часто критическим ресурсом оказываются кадры. Возможны самые разные варианты.

Во-вторых, хотя формально лин-инженерия не препятствует исследовательской и конструкторской работе, поскольку новые технические решения повышают потребительские качества системы, на практике именно на НИРах и НИОКРах начинают экономить в первую очередь. В результате Япония — цитадель лин-инженерии стала «страной улучшателей», не способной сделать самостоятельный шаг развития. Техническая отсталость бывает разная, иногда она выглядит очень даже высокотехнологичной :-).

Кроме того, лин-инженерия совершенно не создает резервов. Поэтому у страны, исповедующей этот подход, отсутствует запас прочности по отношению к любым трудностям — от природных катастроф до войн.

Вообще довольно странно переносить опыт одной отдельно взятой и из-за своей технической отсталости проигравшей войну страны времен расцвета индустриальной фазы на совершенно другие миры-экономики времени кризиса этой фазы.

Фэт-инженерия (fat)

Этот подход никогда не формулировался в виде доктрины, но более четверти века определял техническую политику Советского Союза, да и Соединенным Штатам он был не чужд. Как понятно из названия, он полностью противоположен лин-инженерии. Основная идея: деньги — не главное, люди — тоже. Главное — как можно быстрее получить техническую систему с максимально возможными, а еще лучше — невозможными характеристиками. Ставка на результат любой ценой.

Понятно, что этот подход структурно эквивалентен лин-инженерии — не лучше нее, но и не хуже, и обладает примерно таким же количеством недостатков. Американцы, например, сделали истребитель YF-12A, несомненно, лучший в мире. Но самолет оказался настолько дорогим, что принять его на вооружение в качестве истребителя оказалось нереально: пара авиакрыльев «черных дроздов» посадили бы бюджет ВВС в ноль. Пришлось срочно переквалифицировать самолет в разведчика под названием SR-71[86].

Советский Союз, в свою очередь, построил титановую подводную лодку проекта 661, которую тоже не удалось пустить в серию — нужного количества титана в то время в стране просто не было. Подобные случаи были не единичны. Вообще фэт-инженерия позволяет получать уникальные, лучшие в мире единичные экземпляры чего-либо, но, вот, с массовым выпуском продукта, да еще сколько-нибудь конкурентоспособного, она, как правило, не справляется.

С другой стороны, именно фэт-подход позволил выйти в Космос и долететь до Луны, ввести в эксплуатацию, пусть ненадолго, «Конкорд» и Ту-144, развернуть сеть Интернет. Да и коммерческие теплоходы на подводных крыльях, всем известные «Кометы» и «Метеоры» создавались в рамках этой же технологической концепции. Строго говоря, современная российская и мировая ядерная энергетика все еще пользуются, как инновационными и передовыми, системами, разработанными в фэт-логике в 1960-х годах.

С сугубо практической точки зрения лин-инженерия эффективнее, фэт-подход имеет большую перспективу. Лин-системы существуют в настоящем, фэт-системы создаются для Будущего. Первые позволяют повысить уровень жизни в стране, вторые — изменить качество жизни и, в некоторых случаях, придать ей дополнительный смысл.

Вопрос в принятии решения.

Хаос-инженерия (chaos)

Термина хаос-инженерия нет, но, в действительности, этот подход используется очень давно. Упрощая, можно сказать, что это инженерная версия «дорожной карты». В политическом проектировании дорожная карта используется, если вы понятия не имеете, как достичь заявленной цели, например, мира на Ближнем Востоке. Вместо плана, то есть перечня действий с указанием сроков, рисков, исполнителей и ответственности, создается документ, не содержащий никакой конкретики и сводящийся к описанию условной траектории движении: сначала так, потом вот так, ну а затем уж можно так … Обычно, никакой реальной деятельности эта управленческая техника не подразумевает, хотя исключения бывают.

В инженерном деле хаос-подход применяется в тех случаях, если проектируется система, требования к которой заведомо не могут быть сформулированы до начала работ. Как это было, например, с атомной бомбой. На начало Манхэттенского проекта критическая масса урана была известна с точностью до двух порядков, относительно плутония вообще отсутствовала какая-либо исходная информация.

В подобных условиях бесполезно рисовать 6D графики и рассуждать об экономии ресурсов: мы еще не представляем себе, какие ресурсы нужно будет экономить и ради чего. Можно, однако, спланировать ближайший шаг, не загадывая пока, что будет дальше, но оставляя себе возможность маневра в любом направлении. Так, школьник, столкнувшийся с задачей, явно превосходящей его возможности, часто решает ее методом хаос-инженерии: как взять этот интеграл, я понятия не имею. Но вижу, что можно сделать тригонометрическую подстановку, выражение явно упростится. Попробуем, вдруг поможет?

Хаос-инженерия, пошаговое итеративное проектирование, является формой коммуникационного Протокола (смотри главу 8) между современным инженером и современным Заказчиком, которые друг друга не понимают и друг другу не доверяют. Этот подход является достаточно затратным, он не слишком эффективен, но он минимизирует согласования, то есть, позволяет двигаться вперед. Пусть, не лучшим из возможных путей, но, во всяком случае, в направлении цели.

Хаос-подходу отдали дань все инженерные школы, но наиболее отчетливо он проявлен во Франции начала ХХ столетия, где для его описания был даже специальный термин «система Д»: «начнем, а там как-нибудь выкрутимся».

Сим-инженерия (sim)

Сим-концепция — рафинированная, утонченная, красивая и крайне рискованная версия хаос-подхода. Суть в том, что вы проектируете систему инвариантной (симметричной) относительно любых требований, которые будут придуманы Заказчиком или определятся по мере развертывания работ. Примерный диалог:

— Мы хотим реактивный бомбардировщик

— Да, мы как раз закончили его проектирование, собираем опытный экземпляр.

Через месяц:

Нет, бомбардировщик больше не нужен, а нужен истребитель.

Да, мы как раз его только что собрали, сегодня установим вооружение, завтра начинаем испытания. Кстати, если вам потом все-таки понадобится бобер, звоните…

Текст, разумеется, вымышлен, но универсальные многоцелевые системы: шведский «Дракен», французский «Мираж», американский «Фантом» и др., — создавались примерно таким образом — и именно в сим-логике.

В отличие от классического системноинженерного подхода, работающего со стандартами и техрегламентами, сим-инженерия опирается на технологические инварианты и примитивы.

Сим-инженерия минимизирует технологические развилки и максимизирует инварианты.

Сим-подход позволяет находить самое ценное и красивое из технических решений. Он дает возможность проектировать, а иногда и строить систему в опережающей логике — еще до того, как определяться все требования к ней и будут согласованы все шаги и развилки. Он столь же гибок, как хаос-метод, столь же эффективен, как «бережливый подход» и позволяет создавать технические системы, столь же прогрессивные, как фэт-инженерия.

Понятно, что все это — не бесплатно. Сим-инженерия требует очень высокой подготовки проектировщиков, причем, кроме сугубо инженерной компетенции, они должны удерживать компетенции прогностика, ученого и менеджера. В частности, они должны уметь сценировать-в-конструировании, то есть, как на уровне проекта, как целого, так и на уровне отдельных технических решений все время поддерживать вариантность и вариабельность. Как правило, это усложняет и сами конструкции и их дальнейшее эксплуатационное обслуживание.

Кроме того, сим-инженерный подход всегда сопряжен со значительным риском. По сути, это — прогностическая инженерия, а в прогнозировании легко ошибиться.

Представляет отдельный интерес возможность сочетания всех четырех инженерных подходов в одном проекте.

Замкнутые циклы

Системная инженерия с ее управлением технологическими циклами — от проектирования до захоронения технической системы — естественно приходит к идее замыкания этих циклов, причем на всех уровнях:

• собственно, производства,

• производства вместе с производственными фондами,

• технологий,

• технологических линеек,

• технологических пакетов,

• технологических укладов,

• фаз развития :-).

Замкнутые циклы отвечают социосистемной парадигме и основным положениям стратегии, поскольку минимизируют, с одной стороны, потребляемые ресурсы, а с другой различные обременения.

Анализ мировой энергетики, выполненный нами в 2010 г., показал, что корректное сравнение различных энергетических технологий требует учитывать:

• Потребление первичных ресурсов, то есть, тех, которые прямо и непосредственно расходуются на производство электроэнергии. Например, нефть, газ, уголь… Эти ресурсы могут быть физически неисчерпаемые (солнце, энергия ветра, рек, прилив, торий), практически неисчерпаемые (уголь, литий, гелий 3, уран 238), дефицитные (нефть, газ, уран 235).

• Потребление вторичных ресурсов — тех, которые используются для создания необходимых условий определенной технологической деятельности. Так, чтобы получить электроэнергию на гидроэлектростанции, требуется построить плотину и создать водохранилище. При этом будет затоплена земля, что означает потребление данной гидроэлектростанцией всех ресурсов, которые существовали или могли быть произведены на затопленной площади.

• Прямые обременения — угольные отвалы, оксиды серы и азота, нефтяные загрязнения почвы и воды, загрязнения, возникающие при производстве и утилизации солнечных батарей, радиоактивные загрязнения и отработанное ядерное топливо и т. д.

• Косвенные обременения. Например, инфразвуковое излучение ветрогенераторов или влияние приливных станций на снижение биологического разнообразия литорали.

• Виртуальные обременения, которых «нет, но функции их выполняются ?». «Парниковые газы». Или радиация, которая «везде».

Замыкание топливного цикла возможно по урану 235 (замкнутый ядерный топливный цикл). При этом происходит рециклинг отработанного ядерного топлива с резким уменьшением его объемов. Теоретически и практически возможно свести эти объемы почти до нуля, сжигая нерегенерирующую часть ОЯТ в жидко-солевых реакторах-дожигателях.

С социосистемной точки зрения это более, чем выгодно. В рамках современных бизнес-моделей невыгодно совсем, поскольку формально удорожает производство электроэнергии. Вообще, как это ни странно, не существует корректного способа оценки рентабельности замкнутых циклов.

Переход к замкнутым производственным циклам может стать адекватным ответом современному «экологическому терроризму», поскольку позволяет минимизировать воздействие человека на природу, не отказываясь при этом от активной инженерной деятельности (смотри Приложение 2).

Естественной формой экономической жизни в условиях рыночной экономики и «альтернативной экологии» замкнутых циклов является кластер. Здесь следует заметить, что данный подход требует замыкания производства также и по человеческому ресурсу, что предполагает создание привязанной к территории, но, отнюдь, не глобализированной системы образования:-) (смотри главу 4).

В условиях современной России естественной формой развития депрессивных территорий является мини-кластеризация. Под мини-кластером понимается система из 3–5 объектов, связанных единой транспортной и энергетической инфраструктурой и общим производственным процессом, оперирующим малыми и сверхмалыми сериями — опытные заводы, эксклюзивные производства.

Кластер проектируется, как организационная, коммуникативная, общинная и производственная форма.

Циклы по производству и инфраструктуре замыкаются для каждого кластера, используются отвалы, шахтные воды и т. д.

Логика мини-кластеров: советская инфраструктура — индивидуальные промыслы — новые институциональные решения — новые сбытовые сети (сетевая распределенная мануфактура). Проектируется, не финансовая, а производственная диверсификация[87].

Общая теория систем

И системная инженерия, и ТРИЗ, и метод анализа технологических пакетов, и, до некоторой степени бионика были созданы в рамках так называемого «системного подхода», разработанного в середине ХХ столетия. Будет уместно сказать несколько слов об общих особенностях этого подхода.

Системный подход — направление методологи исследования, в основе которого лежит рассмотрение объекта как целостного множества элементов и совокупности отношений и связей между ними, то есть рассмотрение объекта как системы.

В рамках этого подхода любая система рассматривается, как совокупность взаимосвязанных элементов (компонентов), имеющая выход (цель), вход (ресурсы), связь с внешней средой, обратную связь.

Основные принципы системного подхода:

• целостность, позволяющая рассматривать одновременно систему, как единое целое, и в то же время, как подсистему для вышестоящих уровней.

• иерархичность строения, то есть наличие множества (по крайней мере, двух) элементов, расположенных на основе подчинения элементов низшего уровня элементам высшего уровня;

• структуризация, позволяющая анализировать элементы системы и их взаимосвязи в рамках конкретной организационной структуры. Как правило, процесс функционирования системы обусловлен не столько свойствами её отдельных элементов, сколько свойствами самой структуры;

• множественность, позволяющая использовать множество кибернетических, экономических и математических моделей для описания отдельных элементов и системы в целом;

• Системность, свойство объекта обладать всеми признаками системы.

Первоначальные представления о системах восходят к глубокой древности. Генезис современного системного подхода связан с именами Ф.Энгельса, А. Богданова, Ф.Броделя, Л. фон Берталанфи, Р.Акофу, В.Садовского, В.Свидерского, В.Лекторского.

Теория систем начала активно развиваться после Второй Мировой войны — в том числе, на основании созданного в военное время метода исследования операций, позволившего, в частности, оптимизировать штатное расписание зенитной артиллерии, повысить эффективность бомбардировочной авиации и противолодочных сил союзников на Атлантике[130].

Для последней четверти ХХ века характерен переход к изучению неравновесных состояний и необратимых процессов в сложных системах (И.Пригожин, Н.Моисеев, Г.Малинецкий).

Само понятие «общая теория систем» предложено Л. фон Берталанфи, который впервые показал наличие изоморфизма законов, управляющих развитием систем различной природы.

границах теории систем характеристики любого сложно организованного целого рассматриваются сквозь призму четырёх фундаментальных определяющих факторов:

?• устройство системы;

?• её состав (подсистемы, элементы);

?• текущее глобальное состояние системной обусловленности;

?• среда, в границах которой развёртываются все её организующие процессы.

Известно довольно много «общесистемных законов», установленных физиками, кибернетиками, биологами, психологами, экономистами и администраторами. Весьма интересна попытка придать статус общесистемных законов некоторым закономерностям, отражающим современный этап развития капитализма. Таковы, например, «принцип актуализации функций», устанавливающий необходимость «дисциплинарного общества», «принцип прогрессирующей механизации», который в современной формулировке фиксирует необходимость регулирования центром отношений между элементами системы. «Закон опыта» У.Эшби фиксирует современное состояние управленческих механизмов и систем и также не носит общесистемного характера.

Приведем здесь в кратких формулировках некоторые положения, которые, на наш взгляд, действительно носят общий характер:

• «гипотеза семиотической непрерывности», согласно которой система есть образ её среды;

• «принцип обратной связи», указывающий, что устойчивость в сложных динамических формах достигается за счёт замыкания петель обратной связи;

• «принцип организационной непрерывности», утверждающий, что любая возможная система принципиально разомкнута относительно своего внутреннего состава;

• «принцип совместимости» фиксирует, что «условием взаимодействия между объектами является наличие у них относительного свойства совместимости», то есть относительной качественной и организационной однородности;

• «принцип взаимно-дополнительных соотношений» указывает что необходимой «основой всякой устойчивой системной дифференциации является развитие взаимно-дополнительных связей между её элементами»;

• «закон иерархических компенсаций» фиксирует, что «действительный рост разнообразия на высшем уровне обеспечивается его эффективным ограничением на предыдущих уровнях»;

• «закон минимума» — общая устойчивость системы определяется наименьшей её частичной

• «закон расхождения» (Г.Спенсер), также известный как принцип цепной реакции фиксирует, что активность двух тождественных систем имеет тенденцию к прогрессирующему накоплению различий.

Понятия системы и структуры системы являются в ОТС центральными, их обсуждению посвящена не одна книга.

Следуя Р. Акофу и В. И. Свидерскому различать понятия системы и совокупности[89].

Назовем совокупностью элементов любое их объединение.

Совокупность элементов назовем системой, если она имеет положительную энергию связи или если в динамике составляющих её объектов существуют корреляции. Положительность энергии связи означает, что разложение системы на отдельные элементы требует внешнего воздействия. (Разложение следует понимать как последовательное удаление элементов на бесконечность). Термин «корреляция может быть рассмотрен чисто математически.

Назовем окружающей средой данной системы «совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы».

Перейдем теперь к определению понятия «структура». Большинство специалистов придерживается классического взгляда на структуру, как на совокупность связей, отношений между объектами системы. Альтернативная формулировка, выдвигающая на первый план понятие взаимодействия, принадлежит В.Свидерскому и О.Зенькиной.

По — видимому, бессмысленно вдаваться в дискуссию об эквивалентности или неэквивалентности категорий «отношение»: «взаимная связь» и «взаимодействие». Обыденные значения этих терминов, во всяком случае, не вполне совпадают. Нам представляется более естественным отталкиваться от понятия взаимодействия.

Однако, само по себе понятие взаимодействия носит слишком общий и в известной степени поверхностный характер. Хотелось бы построить такое определение, в котором исходным был бы термин, обозначающий причину, источник взаимодействия. Этот термин — противоречие — принадлежит диалектической философии.

Любое противоречие внутри системы или между системой и окружающей средой определим как структурный фактор. Будем называть in-структурой совокупность всех структурных факторов, порожденных отношениями внутри системы; совокупность остальных факторов назовем out-структурой. In— и out-структуры вместе образуют структуру системы.

Нетрудно видеть, что данное определение согласуется с классическими — противоречие подразумевает взаимодействие, взаимосвязи, неоднородности в системе, «динамические противоречие — это всегда сложные динамические структуры».

Понятно, что число структурных факторов может быть сколь угодно велико. В процессе исследования необходимо абстрагироваться от большинства из них, сосредоточив свое внимание на немногих. Процедуру редукции структуры, то есть, исключения из рассмотрения части структурных факторов, будем называть выделением уровня исследования.

Концепция уровней исследования позволяет конкретизировать понятия изо— и гомоморфизма систем. Назовем две системы изоморфными на определенных уровнях исследования, если совпадают их структуры, и гомоморфными — если одна структура образует подмножество другой.

В построенном понятийном аппарате простой вид приобретают законы диалектики.

Закон единства и борьбы противоположностей обычно записывается следующим образом: «наличие противоречий в системе вызывает движение, направленное на разрешение этих противоречий» (прямая формулировка) и «движение системы означает существование в ней противоречий» (обратная формулировка).

В терминах классической теории систем данный закон приобретает вид: «движение системы, её развитие есть (..) самодеятельный диалектический процесс, то есть, процесс, в котором противоречие в данной системе вызывает её постоянное движение и развитие».

В предложенной системе определений наличие противоречий означает структурность. Тогда первый закон диалектики записывается следующим образом: «структурность системы на данном уровне исследования представляет собой необходимое и достаточное условие её динамичности на том же уровне». Назовем это утверждение законом динамики систем.

Заметим, что оно включает в себя и прямую, и обратную формулировки закона единства и борьбы противоположностей, позволяет рассматривать эволюцию замкнутой системы, не прибегая к посторонним силам.

Второй закон диалектики, который принято называть законом перехода количества в качество, не имеет удобной формулировки аксиоматического типа. Чаще всего он записывается в следующем виде: «накопление незаметных, постепенных изменений в определенный для каждого процесса момент с необходимостью приводит к существенным, коренным, качественным изменениям, к скачкообразному переходу от старого качества к новому».

В рамках системного подхода качественные особенности cиcтeмы определяются её структурой, количественные факторы можно выразить через состояние. Соответственно, качественный скачок означает переход от одной структуры к другой, в то время как медленные, качественные изменения происходят внутри одной структуры.

В.Свидерский указывает: «Качество, как единство элементов и структуры допускает определенные изменение входящих в него элементов без изменения всей структуры. Подобные изменения в рамках данного качества носят название количественных изменений (…) содержанием качественного скачка выступает изменение структурной связи элементов».

Наиболее простая и точная структурная формулировка второго закона диалектики выглядит следующим образом: «структурные факторы системы устойчивы почти всегда. Если Т — время жизни системы, а Т— суммарное время структурных изменений, то 0< ?/ T<<1». (Закон динамики структур).

В развернутой форме данное утверждение означает, что в течение определенного длительного времени система развивается, сохраняя свою структуру, а затем происходит качественный скачок, выражающийся в замене одной структуры другой, причем длительность скачка много меньше периода квазистационарности.

Интересно, что, как оказалось, этот закон носит не всеобщий характер. Подобно пятому постулату Эвклида, который, в действительности, классифицировал виды пространств, выделяя плоские и искривленные, закон перехода количества в качество классифицирует системы.

Если в системе не меняется ни один структурный фактор, пока эта система существует, она относится к механическим или примитивным, ее динамика может быть просчитана до конца. К примитивным системам относится математический маятник. Или Земля, если мы рассматриваем ее в задаче обращения планеты вокруг Солнца.

Если в системе закон перехода количества в качество выполняется в своей полной формулировке: то есть, некоторые структурные факторы меняются, но смена их происходит очень редко, в результате ?/T<<1, мы имеем дело с аналитической системой. Именно такие системы, по преимуществу, и изучаются ОТС. К аналитическим системам относится физический маятник, военная операция, технические системы, например, линейные корабли или реактивная авиация, классический рынок.

Существуют, однако, системы, в которых структурных факторов настолько много, что, хотя каждый из них «почти всегда устойчив», в каждый момент времени меняется хотя бы один из них. То есть, неравенство ?/T<<1 действует не для всей совокупности структурных факторов, а для каждого из них, и должно быть заменено на два соотношения:

(1) для любого j ?j/T<<1, но

(2) (? ?j)/T?1.

Такие системы назовем хаотическими. Их изучение началось в конце ХХ века и очень далеко не только от завершения, но и от получения каких-либо практических результатов. К хаотическим системам относится атмосфера планет, человеческое общество, вероятно биоту, как совокупность всех форм жизни на земле, возможно, современный деривативный рынок (смотри главу 6).

Теоретически возможна система, в которой в каждый момент меняются все структурные факторы, причем, число их очень велико.

для любого j: ?j/T?1, и

(? ?j)/T>>1.

Такие системы предсказываются современной физикой и могут быть названы сингулярными. К ним относится пространственно-временная пена Д.Уиллера, и это — единственный известный пример сингулярной системы, и, вероятно, вообще единственный:-).

Особые трудности в классическом диалектическом материализме связаны с законом отрицания отрицания. Интуитивно этот закон воспринимается очень хорошо, так что приходится считать, что он описывает какие-то весьма существенные свойства материального мира. Но все попытки предложить его аксиоматическую формулировку были, насколько мне известно, безуспешными. До сих пор утверждается, что он «выражая преемственность, связь нового со старым, повторяемость на более высокой стадии развития некоторых черт предыдущей стадии, указывает на принципиальные особенности процесса движения — создание новых сущностей, которые оказываются «третьими» по отношению к парам противоположностей, вызвавших движение, и на противоречивый, преходящий характер этих сущностей». Аналогично у В. Свидерского: «данный закон содержит в себе четыре основные черты: развитие как отрицание, поступательный характер развития, ступенчатость развития и известное повторение на последней стадии развития некоторых существенных черт первой ступени, но на новой основе».

Нельзя не признать, что структурная формулировка третьего закона диалектики, хотя она и выглядит более ясной и четкой, несколько разочаровывает по сравнению с общепринятой.

«Структурность системы сохраняется в процессе динамики».

Или, другими словами, разрешение диалектического противоречия — событийное или проектное — вызывает возникновение, по крайней мере, одного диалектического противоречия, причем — на том же уровне исследования.

Отметим, что три закона диалектики линейно связанны. Действительно, если структурная система динамична, а динамичная структурна, то и динамичность, и структурность системы должны быть сохраняющимися характеристиками. Таким образом, базис законов диалектики состоит лишь из двух независимых утверждений.

Очевидным следствием законов диалектики является закон однозначности динамики: динамика системы на данном уровне исследования однозначно определяется её структурой и начальным состоянием.

Понятно, что точная динамика определяется полной структурой — совокупностью всех структурных факторов. Поэтому следует стремиться учесть все стороны, все связи изучаемой системы. Таким образом, следствием закона однозначности динамики и определения термина «структура» оказывается закон всеобщей связи явлений.

Из второго закона диалектики вытекает также закон взаимного превращения друг в друга противоположностей, доведенных до крайности и основополагающий принцип общей теории систем, утверждающий, что изоморфные системы ведут себя одинаково.

Структурные формулировки законов диалектики могут быть переведены в форму динамических соотношений, описывающих взаимодействие систем:

Заметим прежде всего, что динамика системы, находящейся вблизи равновесного состояния, должна подчиняться обобщенному принципу Ле-Шателье-Брауна: система препятствует любому изменению своего состояния, вызванному как внешним воздействием, так и внутренними процессами, или, иными словами, — любое изменение состояния системы, вызванное как внешними, так и внутренними причинами, порождает в системе процессы, направленные на то, чтобы уменьшить это изменение.

Так, например, выброс в атмосферу фреонов, разрушающих озон, приводит вовсе не к разрушению «озонового слоя», как это представляется «зеленым», а к сдвигу равновесия в обратимой химической реакции превращения кислорода в озон: 3О2 <-> 2О3.

Точно так же, выброс «парниковых газов» приводит не к повышению концентрации СО2, как думают сторонники концепции «глобального потепления», а к смещению карбонатгидрокарбонатного равновесия в мировом океане:

2NaHCO3 <-> Na2CO3 + H2O + CO2. (Мы не обсуждаем здесь сомнительную тему влияния концентрации углекислого газа на температуру).

Примерами проявления принципа Ле-Шателье-Брауна могут служить правило Ленца и третий закон Ньютона; из данного принципа вытекает также важное для термодинамики соотношение взаимности Онцагера. Принцип Ле-Шателье объясняет распространенность в природе (в физике, в химии, в биологи, в популяционной динамике, в общественных отношениях) процессов, описывающихся уравнением гармонических колебаний или — на следующем уровне исследования — системой уравнений для связанных маятников.

Использование принципа Ле-Шателье для анализа качественных изменений в системе заставляет сделать вывод о принципиальной важности динамики флуктуаций: «За пределами линейной области устойчивость уже не является следствием общих законов физики. Необходимо специально изучать, каким образом стационарные состояния реагируют на различные типы флуктуации, создаваемые системой или окружающей средой. В некоторых случаях анализ приводит к выводу, что состояние неустойчиво. В таких системах определенные флуктуации вместо того, чтобы затухать, усиливаются и завладевают всей системой, вынуждая её эволюционировать к новому режиму, который может быть качественно отличным от стационарных состояний…» (И.Пригожин).

Принцип Ле-Шателье, постулирующий возникновение отрицательных обратных связей при взаимодействии «система — окружающая среда», объясняет устойчивость динамических структур. Однако, диалектический характер развития подразумевает, что гомеостаз не является абсолютным, то есть, что наряду с устойчивостью существует также изменчивость, наряду с отрицательными — положительные обратные связи. Как указывает Н. Н. Моисеев: «… понимание того, что развитие, эволюция организационных структур любой физической природы определяется противоречивыми тенденциями, прежде всего двумя основными типами обратной связи (…) является, безусловно, одной из важнейших характеристик мирового процесса самоорганизации».

Исследование механизма изменчивости дает возможность сформулировать утверждение, носящее столь же фундаментальный характер, как и принцип Ле-Шателье.

Мы будем говорить, что система S1 имеет большую структурность, нежели система S2, если они рассматриваются на одном уровне исследования и выполняется хотя бы одно из следующего набора требований:

• структура системы S2 гомоморфная, но не изоморфна структуре системы S1;

• удельная энергия связи системы S1 много больше удельной энергии связи системы S2;

• все структурные факторы S1 суть внешние по отношению к соответствующим структурным факторам S2.

Разумеется, в процессе развития уровень структурности системы может меняться. Так, вблизи точки фазового перехода резко падает удельная энергия связи.

Закон индукции структур указывает, что более структурная система индуцирует свою структуру в системы, с которыми она взаимодействует.

Важным его проявлением служит свойство эргодичности динамики подсистем, гомоморфных некоторой объемлющей системе. Закон индукции структур указывает, что любая гомоморфная подсистема приобретает структуру объемлющей. Пусть структура подсистемы изменилась при сохранение объемлющей, тогда через какое-то время подсистема ввернется в исходное состояние.

Примеры индукционных явлений широко известны в науке. Так, именно индукцией обусловлены корреляции между солнечными ритмами и процессами в биосфере, а также существование в природе недавно обнаруженного глобального 90 минутного цикла.

физике четко выраженным примером индукции служат фазовые переходы. Они возможны лишь при наличии зародышей новой фазы, которые, будучи при данных условиях энергетически более выгодными, начинают развиваться за счет старой, индуцируя в неё свою структуру. Аналогичным образом происходит рост кристаллов, перемагничивание ферромагнетиков, переориентация сегнетоэлектриков. Индуктивными являются также процессы распространения волн.

В термохимии примером действия интересующего нас закона служат автокаталитические реакции вида А + 2Х а 3Х. В таких реакциях, как указывает И. Пригожин, «…нам необходимо иметь X, чтобы произвести ещё X».

И. Пригожину удалось разрешить кажущееся противоречие между законом индукции, действие которого, обычно, приводит к усложнению структуры системы, и вторым началом термодинамики, постулирующие деградацию структуры и переход системы к равновесному стационарному состоянию. «Разрушение структур, — подчеркивает он, — наблюдается, вообще говоря, в непосредственной близости к термодинамическому равновесию. Напротив, рождение структур может наблюдаться (при определенных нелинейных кинетических закономерностях) за пределами устойчивости т. д. ветви», причем: «устойчивости стационарных состояний могут угрожать только стадии, содержащие автокаталитические петли, т. е. такие стадии, в которых продукт реакции участвует в синтезе самого себя».

Иными словами, усложнение организации происходит исключительно путем индукции структур.

Пригожину принадлежат многочисленные примеры индукции структур в биологии. Так, синтез АТФ представляет собой типичную автокаталитическую реакцию: «...молекула адепозинтрифосфата, необходимая для метаболизма живых систем, является конечным продуктом последовательности реакций в гликолитическом цикле, в самом начале которой находится молекула АТФ. Чтобы получить АТФ, нам необходима АТФ!» Аналогично, «чтобы получить клетку, необходима клетка».

Структурная формулировка законов диалектики, принцип Ле-Шателье и закон индукции структур образуют фундамент структуродинамики, которая, в свою очередь, положена в основу пиктографического анализа (смотри главу 2).

Структуродинамика рассматривает любые изоморфизмы исключительно как порождение процесса индукции, не обязательно — непосредственной.