CC BY
45
УДК 519.9 -62.50
Е. А. Семенчев, канд. техн. наук, доц. (4872) 35-19-80, info@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ДВОЙСТВЕННЫЙ АСПЕКТ В СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ АВТОНОМНЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
Предложен метод декомпозиции структуры иерархических самоорганизующихся систем на основе мкона двойственности - метод вложенных двойственных пар. В основе самоуеггляции двойственных пар действует механизм, аналогичный спросу и пуедяожению. Рассмотрена возможная иерархическая структура искусственного самооуганиующегося активного объекта. Показано, что «интеллектуальность» распределена по двойственным парам и усложняется по мере их интеграции.
Ключевые слова: иерархические самоорганизующиеся системы, двооственные пары, искусственный самooрганизyющuйсе активный объект.
Увеличение количества катастроф, масштабов потерь по причине человеческого фактора, переход к безлюдным производствам, машинам и технологиям, освоение новых сфер человеческих интересов, несовместимых с условиями жизнедеятельности возможностями человека, делают остроактуальной проблему создания автономных интеллектуальных самоорганизующихся объектов (АИСО), настраиваемых на определенный вид деятельности,
Однако, несмотря на многочисленные работы и исследования в разных областях науки, направленных на решение этой проблемы, принципов и технологий, ориентированных на построение и практическую реализацию целостной системной организации АИСО не были созданы.
С целью решени указанной проблемы сформулирована задача: найти пршцишмьно новый подход к структурному анализу и синтезу сложных систем, включая самоорганизующиеся целеполагающие системы, основанный на фундаментальных законах и закономерностях природы - со-хранени двойственности, иерархичности и ограниченности.
Искусственным активным АИСО будем называть любой объект, созданный некоторым «интеллектуальным конструктором» согласно своему плану творения, овеществленному на основе элементной базы неживой, жтой или комбинированной природы, имеющий признаки живого существа. При этом сам «интеллектуальный конструктор» является частью АИСО. Если такому «конструктору» известен закон порождени некоторой структуры, то этим конструктором может быть любой механизм, способный материализовать план творения. Объект, обладающий механизмом, способным организовывать самого себя, будем называть самоорганизующимся. Этот объект, по замыслу автора, должен обладать признаками живого существа.
В дальнейшем понятие АИСО будем рассматривать, скорее, как обобщение, инструмент для исследования и анализа реальных сложных природных и искусственных систем, а не как их абсолютную классификацию. Поэтому реальным воплощением АИСО могут быть самые разные системы: автономные роботы (в том числе и человекоподобные), беспилотные автомобили, летательные аппараты, безлюдные космические аппараты, некоторые виды бытовой техники, безлюдные сельскохозяйственные машины, безлюдные производства, некоторые виды безлюдной военной техники и т. п.
Развиваемая на протяжении многих столетий в трудах известных философов концепция дуализма получила наиболее глубокую проработку в исследован и [1]. Однако, несмотря на свою очевидность, естественность и научную обоснованность, закономерность двойственности почему-то почти не нашла своего осмысленного широкого применения в создании технических систем. В отличие от известных подходов к анализу и проектированию сложных систем (кибернетический, агентный, теории решения организационных задач, на основе принципов самоорганизации и др.) в работе предложен подход, основанный на законе и закономерности двойственности - метод вложенных многомерных двойственных пар, в основе саморегуляции которых действует механизм, аналогичный спросу и предложению.
Основываясь на том, что в природе все имеет двойственное начало (положительное - отрицательное, волна - корпускула, правое - левое, действие - противодействие, производство - потребление, спрос - предложение и т. п.), предполагается, что люба система существует как целое, пока в ней на данном уровне иерархии существует хотя бы одна двойственна пара (ДП). Согласно [1] ДП определяется как конструкция, состоящая из двух взаимодополняющих, взаимообусловливающих, взаимоотрицающих и взаимопревращающихся друг в друга полюсов (рис.1, а).
Между полюсами ДП возникают отношения типа «спрос - предложение» (действуют силы протяжения и отталкивания, сжатия—растяжения и т. п.), которые порождают динамику, соответствующую известному в теории игр принципу минимакса:
^ (х) ^ тах 1
1 ^ (у) ^ тт
При переходе через оптимальную точку отношение в ДП меняется на противоположное. Возникает движущая сила, гармонизирующа отношение. В оптимльной точке между взаимодополнительными полюсами устанавливаются устойчивые отношения гармонии (бланс сил):
В=-с. (1)
АО
Таким обрлом, ДП обладает природным механизмом саморегуляции.
а
б
Рис. 1. Отношения типа «спрос— предложение» между полюсами
двойственной пары
Как можно видеть из соотношения (1), САМОрегуляция в ДП имеет балансовую природу, осуществляя взвешивание элементов по принципу рычажных весов. Характер взаимоотношений между полюсами ДП позволяет представить соотношение (1) в графической форме в виде крестообразно расположенных элементов, как покаано на рис.1, б.
Специфика равенства (1) состоит в том, что отношения между Ви А, СиD строятся на основе пропорции «золотого сечения». Эта пропорция определяется недостижимым пределом отношения двух последовательных чисел рада Фибоначчи [2]
0П = 0п—1 —
где Ф (1) = 1, Ф (2) = 1 пи всех п > 2.
Числа Ф (п) обрауют последовательность 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34,
11? 55, 89, 144, 233, ... Обозначив Фп-1 /Фп = Ф получим Ф = 0,618..., Ф =
1 2
0,382... Тогда Ф = 1,618., Ф = 2,618.. Считается, что эти числа составляют основу гармонии мироздания. Для пропорции золотого сечения можно записать:
1 0 - г 2
Если подставить 1=х, то получим Ф Ф’ = х . Подставляя эти соотношения в (1), получаем равенство.
Наиболее важными свойствами ДП можно считать наличие механизма саморегуляции и способность к инверсии полюсов.
В работе [1] была исследована эволюция обобщенного двойственного отношения, котора может быть представлена следующей схемой (рис. 2, а).
В этом законе с «+» «-» могут быть связаны самые раные понятия. Так, пары «+»-«’» можно трактовать как «беспредельное - предельное», «действие - бездействие», «поле - вещество», «непрерывное - прерывное», «тепло - холод», «правое - левое», «функция - структура» и т. п.
Воспользуемся этой универсальной моделью для дальнейшего анализа возможных структур АИСО. Для этого выделим следующие фундаментальные свойства (рис. 2), исследованные в [1].
1. На каждом этапе эволюции «бесструктурные» монады с внутренней двойственностью полюса могут порождать монады с внешней двойственностью.
2. Изначальная монада тройственна, и эта тройственность сохраняется на всех уровнях иерархии ее форм (например, из (1) В = - АСЮ и т. п.).
3. Люба триграмма несет в себе отношение 2/3 = 0,6., которое характеризует ее самодостаточность. Любое триграммное тождество сводится к отношению вида 2/1 = 1/(1/2).
4. Эволюционное усложнение монады осуществляется «по обрау и подобию» предшествующего иерархического уровня, т. е. каждый полюс двойственного отношения обладает свойствами исходной монады, что порождает принцип фрактальности.
5. Эволюция монады завершается формированием куба закона (рис.2, б) или в равернутом виде (рис.2, в).
Для отображения текущего соотношения между полюсами ДП поставим ей в соответствие некоторую двойственную шкалу «чувства» (см. рис. 1). Внизу представлена шкала в делении золотой пропорции. Смыслова интерпретация шкалы соответствует смысловому содержанию ДП и может быть любой («0 - 1», «хорошо - плохо», «насыщение - голод», «движение - покой», «бесстрашие - страх» и т. п.). Очевидно, что сумма значений свойства двух полюсов равна единице (равна целому):
(Р+) + (Р -) =1.
Отличительной особенностью ДП является невозможность длительного пребывания в граничных значениях шкалы «чувства» из-за угрозы разрушения ДП или инверсии полюсов.
Рис. 2. Схема эволюции двойственного отношения
Таким образом, на основании вышеприведенных свойств ДП напрашивается мысль о существовании исходной «кварковой» структуры любого двойственного отношения (по аналогии с физическими кварками). Если принять это допущение, то конкретное содержание эволюционной схемы двойственного отношения зависит от выбора первоэлементов.
Применительно к объекту, способному воспринимать информацию из окружающей среды и реагировать на нее вместо «+»-«-», будем рас-
сматривать пару взаимодополнительных первоэлементов «сенсорный элемент- эффекгорный элемент».
Сенсорный элемент £ тесно связан с информационным полем, сформированным воздействиями раноплановых объектов на данный объект, обеспечивает восприятие и преобраование информации в форму, обра, удобные для внутреннего употребления. Он дематериализует объект, пре-враща его в информацию, организовыва ее в виде необходимых структур.
Эффекторный элемент Р материализует хранимую в структуре информацию, преобрауя ее в воздействия на объекты. Этим элементам можно поставить в соответствие и два вида обобщенных операций: операцию обработки (в широком смысле любое преобразование) и операцию сборки.
Очевидно, что в соответствии с законом сохранения двойственности элемент £ должен быть внутренним и внешним 5вн. Элемент ориентирован на восприятие ощущений о состоянии внутренних элементов целостного объекта, в то время, как £В11 ориентирован на восприятие воздействий внешних объектов. Аналогично подобное деление справедливо и для элемента Р = (Рд1н Рвн). Рж оперируют обраами и прообраами объектов, формируя интеллектуальную сред обработки информации, а Рвн оперирует внешними объектами.
Отношения между полюсами ДП могут быть неустойчивы, носить колебательный характер. Для фиксации отношений и их гармонизации в ДП может быть введен трети элемент. Будем наывать его управляющим элементом С. Особенностью управляющего элемента, помимо выполнения в той дли иной мере операций обработки и сборки, является наличие особой операции выбора, «принятия решения» о материализации информационных обраов дли дематериализации структурных элементов.
В общем случае элемент С может играть роль регулятора, если неизменному содержанию обраа системы в элементе С ставится в соответствие некотора последовательность управляющих действий, дли интеллектуального элемента, если в нем изменяется информационное содержание образа системы и подыскивается последовательность действий для его последующей материализации
Можно привести огромное количество примеров процессов и объектов, построенных по схеме креста. Распространенность данной схемы на всех иерархических уровнях организации матери свидетельствует о ее фундаментальности и возможности ее использования в качестве баового элемента для построения сложных систем. Наличие механизма саморегуляции в поляризованной ДП позволяет формировать на лх основе многомерные саморегулируемые двойственные пары. Объединение ДП осуществляется путем формирования общего информационного кольца, скрученного наподобие восьмерки (или перекрещенного наподобие креста) (см. рис. 1, б). Примеры реализаций подобных соединений: болтовое соединение пластин, ножницы, энергоэкономлчна пара двигатель - генератор,
объединенные перекрестной связью, исходный текст программы и исполняемый код, связанные перекрестной связью, образуют самоизменяемый программный модуль и др.
Любая целостная система может быть представлена как иерархическая конструкция вложенных многомерных двойственных пар, соединенных последовательно (внутренняя двойственность) и параллельно (внешняя двойственность). В общем виде декомпозиция целостной системы на двойственные пары выглядит следующим образом.
Любая система изначально так ил иначе ориентируется на реализацию какого-либо замысла, содержащего в непроявленном виде целостную информацию о будущей конструкции. На первом этапе ее можно рассматривать как ДП с внутренней двойственностью. На следующем этапе замысел системы конкретизируется в виде ДП с внешней двойственностью. На следующем этапе замысел конкретизируется, образуя две перекладины креста. На следующем этапе формируется взаимодополнительный крест.
В итоге формируется куб закона эволюции двойственного отношения (см. рис.2, в). Каждая вершина полученного куба может рассматриваться как новый замысел, имеющий непроявленную двойственную природу, и таким образом, может сформировать свой кубик закона. В итоге получится гиперкуб. Всякий новый иерархически уровень строится по образу и подобию, образуя гиперкристалл, реализующий исходный замысел. Система с несколькими главными целями является мультидвойственной. В этом случае для каждого замысла (цели) строится свой гиперкристалл.
Попытаемся рассмотреть более предметно декомпозицию целостной системы по ДП. В такой системе, как правило, реализуются два взаимодо-полнительных процесса: процесс материализации и процесс дематериализации (информатизации).
Следуя закону эволюции двойственного отношения, разобьем систему как целостную единицу на материальную двойственную единицу (МДЕ) и информационную двойственную единицу (ИДЕ). МДЕ оперирует объектами (объективной реальностью) и представлениями об объектах (субъективной реальностью). ИДЕ опер дует представлениями об объектах (объективными идеалами) и представлениями о представлениях (субъективными идеалами) В результате порождается замкнутый саморегули-руемый процесс с перекрестной передачей конечных результатов (рис.3).
Рис. 3. Трехуровневая декомпозиция системы по двойственным парам
На верхнем уровне иерархии -МДЕ и связанная с ней ИДЕ. На следующем уровне иерархии МДЕ представляется как совокупность пар с циклами МХ (цикл с полюсами МФ-, МФ+) и MY (с полюсами МИ-, МИ+). Аналогичную структуру имеет и ИДЕ. Одна ДП в ИДЕ оперирует представлениями о внутренних и внешних объектах, возникающих на основе получаемой от сенсорных элементов информации, и порождает субъективные информационные единицы, сохраняя их в памяти; друга ДП оперирует сохраненными в структурах памяти представлениями и порождает реакцию на субъективные представления. Декомпозиция может продолжаться до простейшей ДП (типа электрон - протон).
Описанный универсальный механизм построения многомерных са-морегулируемых ДП является баовым для раработки структур, функционирующих на основе самоорганизации. Под самоорганизацией в даьней-шем понимается наичие в единой оболочке не менее гати связанных механизмов: самообеспечения энергией и информацией, самосохранения, самовоспроизведения, самосовершенствования и самоуправления. Все подсистемы и их иерархические уровни строятся по одним и тем же правилам с сохранением двойственности на всех уровнях иерархии. Работа этих механизмов осуществляется по единой универсаьной схеме взаимодействующих МДЕ и ИДЕ. Наличие интеллектуального элемента в ДП порождает распределенный по двойственным парам интеллект. Интеллекгуаь-на деятельность самоорганизующейся системы в целом рассматривается
как суммарный эффект работы интеллектуаьных элементов ДП.
Главна цель всех ДП - достижение гармонического баланса между полюсами. Главна цель баовых единиц МДЕ и ИДЕ каждого из пяти механизмов - поиск ресурсов, объектов, действий, обеспечивающих удовлетворение возникших в них потребностей, связанных с функционированием подсистем (энергии, безопасности, в воспроизведении улучшенных копий системы, в регенерации поврежденных элементов и т. п.). Потребность ДП в некотором ресурсе I () в любой момент времени ? рассматривается как величина отклонения текущего соотношения между полюсами X() от состояния динамического равновесия (ТДР), для которого это соотношение определяется «золотым сечением» соответствующей шкаы «чувства» (ТДР= 0,618.):
I ((=-(х()-0,618).
Полученное значение I ()инвертируется интеллектуаьным элементом и сохраняется в памяти ДП подсистемы самоуправления СС. В соответствии с законом сохранения двойственности СС рассматривает инвертированную потребность как полюс «виртуаьной ДП» (ВДП), сформированной из первичной (измеренной) I () и инвертированной потребности
I (). При этом каждый имеющийся у ДП интеллектуаьный элемент наделяется первичным знанием о двойственной природе объектов и процессов и способен создавать ВДП с помощью всего лишь одной операции инвертирования возникающих потребностей. Одной из задач СС в дальнейшем является поиск реаьных объектов или действий по их частичным образам, сформированным из ВДП. Информационное содержание построенного виртуаьного полюса может быть расширено за счет имеющейся в памяти информации от сенсорных элементов £ о свойствах реаьных объектов (например, координат (х, у)), ассоциированных с их поисковыми образами. Сформированное информационное содержание ВДП рассматривается СС как целевой поисковый обра
0, =(,) (, 6, у...,
где i = 1,2,3,. - индекс ДП. Знак потребности предопределит характер последующих действий АИСО.
При функционировании АИСО в памяти СС может сформироваться множество целевых поисковых обраов от всех подсистем и ДП, которое рассматривается как «пространство желаний». 0, в «пространстве желаний» всегда упорядочены по приоритетам. Величина приоритета определяется близостью текущего состояния ДП к тому или иному полюсу (граничному значению) своей тик альт «чувства». Чем ближе к полюсу, тем сильнее «мотив» для реаизации соответствующего 0,. В противном случае пере-
ход через граничные значения шкалы «чувства» вызовет разрушение ДП, если нет специальной программы трансформации «излишков». Каждый из пяти механизмов самоорганизующейся системы имеет определенную специфику формирования Ц, обусловленную семантикой циркулирующей в нем информации, но способ, основанный на построении ВДП, остается неизменным.
На основе изложенного подхода к декомпозиции по ДП были рара-ботаны организация и компьютерные модели таких подсистем автономного самоорганизующегося объекта, как подсистема самообеспечения энергетическим ресурсом, подсистема самосохранения [3].
Одной из отличительных особенностей декомпозиции системы по двойственным парам является сохранение целостности представления на всех уровнях иерархии, во всех подсистемах, освобождение исследователей и проектировщиков от излишних аксиом, постулатов и принципов.
Таким обраом, в результате данного исследования предложен новый принципиаьный подход к ан аизу и синтезу самоорганизующихся систем, позволяющий на системном уровне решить поставленную проблему. Предложенный метод декомпозиции сложных систем по ДП можно рассматривать как универсальный метод, позволяющий проводить системный анаиз человеко-машинных и естественных живых и неживых систем, создавать искусственные «живые» машины, способные к автономному существованию с целенаправленной деятельностью и трансформации формы.
Библиографический список
1. Беляев М. И. Милогия. Краснознаменск: «Зита-1», 1999. 189 с.
2. Воробьёв Н. Н. Числа Фибоначчи. М.: Наука, 1978. 144 с.
3. Семенчев Е. А., Белоконь Н. Н., Гааган М. В. Функционаьна организация механизмов самообеспечения и самосохранения активных самоорганизующихся объектов// Изв. ТулГУ. Сер. Вычислетельная техника. Информационные технологии. Системы управления. Т. 1. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ 2005, С. 58-65.
E. Semenchev
Dual aspect in the system analysis independent organize oneself objects
The method of decomposition of structure hierarchical organize oneself systems on the basis of the duality law - a method of the enclosed dual pairs is offered. The possible hierarchical structure artificial organize oneselfactive object is considered.
Пол учено 12.11.2009
