Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Цели управления. Вопрос о целях, которые достигаются в процессе развития биосистем — в эволюционном процессе,
в онтогенезе, — мы уже обсуждали (разд. 1.7). Здесь мы только добавим, что биосистемы — многоцелевые системы, выполняющие одновременно несколько разных функций; в различных условиях среды непосредственные цели могут быть весьма различными. Для исследования многоцелевых систем разработаны специальные методы [73, 93].
Трудность формирования цели является существенным возражением против концепции оптимальности биосистем: нельзя одновременно обеспечить «оптимальные» процессы во всех случаях, если цели системы в каждой ситуации разные. На этом основании многие авторы говорят о достаточности для системы получения в каждом конкретном случае не оптимального, а лишь удовлетворительного результата [136, 259, 278]. Для экологических систем подобную мысль проводит и Р. Розен [175, стр. 120]. Подробнее об этом мы будем говорить в разд. 4.5.
Ограничения. В технических задачах ограничения на координаты системы и на управление возникают из чисто конструктивных соображений — ручка управления может быть доведена только до упора и не больше; элементы конструкции технической системы рассчитаны на точно заданные напряжения и усилия, запас топлива в баках строго ограничен.
В живых системах таких жестких ограничений нет — в процессе приспособления и адаптации они могут менять уровень ограничений. Нетренированный человек становится спортсменом-разрядником, так что в задачах, аналогичных рассмотренным в примере 4.1.1, предельные усилия Umax увеличиваются. Вид, приспосабливаясь к условиям среды, приобретает необходимые качества, в том числе путем морфологических изменений. Вообще, структура биосистем (определяющая, как правило, ограничения) меняется при изменении функционирования систем — выполняемая функция формирует структуру биосистемы. Следовательно, постоянство ограничений, свойственное обычной задаче оптимального управления, для биосистем, вообще говоря, не имеет места. Вместо того, чтобы усложнять алгоритмы управления, добиваясь оптимального процесса при данных ограничениях, биосистема может, адаптируясь, просто ослабить ограничения, и достичь лучшего качества за счет простых и надежных средств, но это уже совсем другая задача оптими-в'ации, не рассматриваемая в теории управления.
4.5. Принцип удовлетворения
По словам У. Р. Эшби, «требование найти оптимум может быть излишним; в биологических системах достаточно того, чтобы организм находил состояния или величины, лежащие в заданных пределах» ([259, стр. 320]).
Подчеркивая высокую степень приспособленности живых систем, многие авторы тем не менее считают термин «оптималь' ность» не отвечающим существу положения. «Понятие оптимальности лучше заменить понятием гармоничности — насколько все части организма участвуют в создании условий, необходимых для существования каждой из них», — писал В. Н. Беклемишев [28, стр. 30]. Другие же авторы, рассматривая проблему приспособленности, подчеркивали, что в биосистеме отсутствует стремление к достижению^ какого-то единственного наилучшего состояния; уравновешивание со средой достигается не в одной точке, а скорее в целой области возможных состояний системы. Идея пределов терпимости и близкие представления о пределах безопасности имеются еще у У. Кэннона [278] и У. Р. Эшби [259]. Аналогичные идеи развиваются и в [102, 184]. Близким является и тезис о множестве вариантов достижения цели [И].
Во всех этих случаях фактически происходит разрыв с представлениями о единственном наилучшем из всех возможных, оптимальном варианте достижения цели. Вместо единственного решения в системе допускается целое множество возможных вариантов — либо в виде непрерывного отрезка допустимых величин (пределы терпимости), либо в виде дискретного множества приемлемых решений.
Близкий аспект этой проблемы рассмотрен в [223] в связи с так называемым принципом локального управления. Для сложных биосистем, таких, например, как целостный организм, обычно можно выделить множество относительно независимых элементов. Они обладают относительной самостоятельностью поведения в рамках «правил взаимодействия», и понятие оптимальности для такой системы взаимодействующих элементов неудобно (можно говорить об оптимальности только в том случае, если есть следующий, более высокий уровень организации, и задача, решаемая всей системой в целом). Более подходящим термином в рассматриваемом случае оказывается область допустимых режимов.
Определенным аргументом в пользу того, что биосистемам не надо поддерживать строгую оптимальность, является наблюдаемая в жизни переменность, вариабельность нх характеристик. Один и тот же организм в онтогенезе проходит последовательность состояний, и его регулятивные и приспособительные характеристики сильно отличаются на разных этапах. Так, начиная с шестнадцатилетнего возраста, время адаптации зрительного аппарата к темноте у человека непрерывно увеличивается, удваиваясь примерно каждые 10—15 лет. Понятие нормы как наиболее часто встречающихся и поэтому наиболее адекватных условиям существования числовых значений отдельных функций
