ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

13 февраля 1922 года в Москве состоялось первое публичное выступление Персимфанса — Первого симфонического ансамбля Моссовета. Это выступле­ние стало настоящей сенсацией для всех профессио­налов и любителей музыки,

Дело в том, что Персимфанс исполнял музыку без дирижера. И не какие-нибудь легкие для коллектив­ного исполнения сочинения. В его первой программе прозвучали такие серьезные музыкальные вещи, как Третья (Героическая:) симфония Бетховена или кон­церт для скрипки с оркестром того же авторе. И звучали они настолько слаженно и артистично, что профессионалы уходили после концерта в полном недоумении. Им казалось, что в игре Персимфанса есть какой-то трюк, фокус, кто-то скрытно дирижирует оркестром, создает то неповторимое исполнение, которое может обеспечить лишь воля дирижера. Ибо лишь дирижер способен дать свою, глубоко индивидуальную интерпретацию музыкаль­ного произведения, навязать динамику исполнения, синхронизировать партии различных инструментов, заставить огромный оркестр звучать слаженно. Имен­но поэтому обычно музыканты сидят на сцене так, чтобы видеть дирижера и следовать его указаниям.

А музыканты Персимфанса сидели совсем иначе. Струнные сидели, образуя полный круг (частично спиной к зрителям!), а духовые располагалась в середине этого круга. Каждый музыкант видел каждого, ибо в Персимфансе каждый слушал каж­дого и всех, а все слушали каждого. Не было ника­кого трюка. Взаимодействуя непосредственно друг с другом, прекрасные музыканты, входившие в Персимфанс, легко обходились без дирижера.

Десять лет продолжались с неослабевающим успехом выступления Персимфанса, и все это время загадка этого оркестра интересовала и широкую публику, и специалистов. В рамках общей цели — достижения артистичного исполнения, того или иногопроизведения, каждый музыкант реализовал наи­лучшим образом свою локальную цель, демонстрируя в полной мере свои профессиональные возможности. (Другим примером, возможно более близким некото­рым читателям, может служить джазовый ансамбль, играющий в стиле диксиленд.) Таким образом, вместо централизованного управления, реализуемого дирижером, в Персимфансе восторжествовал децен­трализованный способ управления. Этот способ реализовался за счет коллективного взаимодействия музыкантов, которое «порождало» процесс управле­ния. Но как это происходило, оставалось непонятным» не укладывалось в четкие и формальные правила.

Подобная ситуация, когда сложные процессы развиваются не за счет централизованных воздейст­вий, а за счет локальных взаимодействий их элемен­тов, широко распространена в природе и в челове­ческом обществе. Она встречается гораздо чаще, чем это может показаться на первый взгляд. А, значит, вопрос о том, как рождается децентрализованное управление в результате коллективного взаимодей­ствия элементов — куда глубже того, который возник у тех, кто стремился понять загадку Персимфанса. Ответ на него — одна из целей этой книги.

Авторы ее поставили перед собой задачу рассказать на популярном уровне о проблемах управления в сложных системах, которые в теории управления принято называть большими. В подобных системах часто приходится переходить от централизованного управления к децентрализованному. Это представляет собой как бы плату за сложность, присущую боль­шим системам. Централизованное управление в них, как правило, неэффективно, а в ряде случаев просто невозможно. Но откуда берутся столь сложные си­стемы? Не есть ли категория больших систем наду­манной? Как мы постарались показать в книге, мир больших систем, окружающих человека, все время обогащается. Рост сложности искусственных систем, создаваемых человеком, происходит постоянно. Идет эволюционное развитие созданных ранее искусствен­ных систем, в какой-то степени напоминающее эво­люцию в мире живых организмов. Децентрализован­ное управление — закономерное порождение этой эволюции. И наша задача — убедить читателей в справедливости этих утверждений.

Глава   1 КАК ВОЗНИКАЕТ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ?

 

Голос: «До того, как что-нибудь было, ничего не было.»

И. Шток

§ 1.1. Искусственный мир

С того момента, как наш далекий пращур взял в руки камень и стал обрабатывать им бесформенный кусок породы, стараясь придать ему нужную форму, стал возникать мир вещей, которых не было в при­роде. Эти создания человеческих рук и человеческого ума со временем образовали то, что теперь принято называть словом техноценоз. Техноценозы,— подобно биологическим сообществам, биоценозам — представ­ляют собой множество различных технических устройств, приборов, систем и приспособлений, свя­занных между собою тесными и на первый взгляд непривычными связями. Живя среди этих искусствен­ных вещей, человек не часто фиксирует эти связи. Редко, кто сознательно отмечает, что ручки на двери располагаются на определенной высоте, а сама дверь требует для своего открывания и закрывания опре­деленных усилий, никого не удивляет, что шурупы устроены так, что их можно ввинчивать и вывинчи­вать с помощью отвертки, не приводит нас в изумле­ние и то, что железнодорожный вагон, прицепленный к поезду в Москве, может пересечь в составе поезда всю Европу (проезжая по мостам через реки и через туннели в горах), переплыть пролив на пароме и оказаться в Лондоне. Техноценозы подобно биоцено­зам заставляют «организмы», входящие в них, жить по законам, диктуемым всем сообществам. Если, например, конструктор пополняет техноценоз новым типом самолета, который требует для своего взлета и посадки полосы длиной, большей, чем на сущест­вующих в данный момент аэродромах, то такой самолет не сможет существовать нигде, кроме как в во­ображении конструктора или в цехе завода-изготови­теля. Для него просто нет соответствующей «эколо­гической ниши» в техноценозе, связанном с полетами.

В этой книге мы часто будем пользоваться анало-гиями из биологии, использовать термины, принятые при описании структуры и функционирования биоло­гических сообществ. Это не просто прихоть авторов. Мы глубоко убеждены, что между органическим миром, созданным природой, и техническим миром, созданным и создаваемым человеком, имеется боль­шое сходство. И это сходство не внешнее, а глубинное. Фундаментальные законы природы влияют на биологические организмы и на технические систему, которые должны функционировать в той же среде,' что и живые организмы. Одинаковость целей даже при условии кардинальных различий живого и не­живого приводит к появлению сходства в структуре и функционировании. И в нашей книге мы попы­таемся вскрыть некоторые черты этого глубинного сходства.

Рассмотрим теперь грубую схему того, как человек создает новый элемент техноценоза. В рамках рациональной деятельности человек ничего не делает «просто так», без определенной цели. И созда­ваемые им технические устройства изобретаются, проектируются  и  изготовляются  для  решения некоторой задачи, достижения определенной цели. У этих изделий есть цель существования, которую мы будем обозначать через G_e. Например, создавая мотыгу, ее первые изобретатели ставили перед собой вполне определенную цель: создать приспособление, с помощью которого можно было бы взрыхлять нa определенную глубину землю для посадки растений. Это предопределило и множество допустимых форм ра­бочей поверхности мотыги, и длину ее ручки, и выбор материала для изготовления ее частей. Создавая автомобиль типа «БелАЗ», конструкторы ставили перед собой вполне определенную задачу, породившую «существование» этого семейства сверхтяжелых грузовиков,— перевозку больших объемов породы на открытых карьерных разработках.

Естественно, что создатель нового объекта учи­тывает, что G_e должна быть достижима. Но, как правило, он хочет, чтобы эта цель достигалась эффек­тивным образом. Что вкладывается в это понятие? Ответить на такой вопрос очень трудно. Но для нас важно, что в понятие эффективности в частности может входить требование о возможно меньшем расходе каких-либо ресурсов (например, энергетических, сырьевых или временных) на достижение G_e, надеж­ности достижения G_e, полноты (точности) ее дости­жения, минимизации затрат на изменения в техно-ценозе для обеспечения функционирования создавае­мого объекта. Все эти требования можно объединять в некоторое понятие «ограничения». Не все читатели, вероятно, согласятся с такой трактовкой понятия ограничения. В теории управления этот термин по­нимается более узко. Но для нас такое его расшире­ние в рамках данной книги представляется оправдан­ным.

Для того чтобы созданный объект техноценоза мог бы достигать G_e, требуется еще организовать процесс ее достижения. Мало создать мотыгу, нужны еще человеческие руки, способные заставить ее действовать. Мало создать «БелАЗ», нужен еще шо­фер, способный использовать тяжеловоз по назначе­нию. Другими словами, для достижения G_e необходим процесс управления. Управление требует для своей реализации определенных средств, ресурсов, которые мы будем обозначать R, и наличия информации о текущем состояния дел в той среде, где функциони­рует наш объект, состояниях самого объекта и со­стоянии управляющих средств. Обозначим всю эту информацию через I. Необходимость в управлении как бы выделяет в объекте две части: исполнитель­ную и управляющую. Деление это весьма условно и в реальном объекте может иногда происходить лишь на уровне рассуждения об объекте, но оно весьма удобно. Именно к управляющей части обычно относят рассуждения об эффективности процесса достижения G_e. И для оценки ее работы вводят понятие крите­рия управления (например, достижение цели мини­мальными средствами) Q, который может носить как количественный, так и качественный харак­тер.                          

С течением времени техноценозы растут коли­чественно, структура их усложняется, число различ­ных связей и зависимостей увеличивается. При этом возникает качественно новая задача управления — управление в рамках некоторого техноценоза или части его. Эта задача возникает потому, что цель существования самого техноиеноза обычно не форму­лируется каким-либо отдельным человеком или группой людей, a G_e объектов, входящих в техноценоз, далеко не всегда согласованы между собой.

Рассмотрим некоторый пример. Пусть нам необ­ходимо перевезти контейнер с грузом из пункта А в пункт Б. Между этими пунктами нет прямой связи (даже воздушной), и мы вынуждены везти контей­нер сначала по морю на корабле, потом по железной дороге и, наконец, на автомобиле. Каждый вид тран­спорта, которым мы воспользуемся, «живет» в своем техноценозе. Для морского транспорта в него в част­ности входят порты, предназначенные для грузовых операций. Они в свою очередь состоят из причалов, погрузочно-разгрузочных механизмов и складов. Железнодорожный транспорт не может существовать вне сортировочных станций, складов и тех же по­грузочно-разгрузочных механизмов, а для автомобиля в его техноценоз входят и дороги, и авторемонт­ные хозяйства, и заправочные станции. Простая операция перевозки контейнера требует согласован­ной формы взаимодействия техноценозов и многих объектов внутри них. Если между портовым складом и железной дорогой нет связи, способной осуществить передачу контейнера, то он не достигнет пункта Б. Если заправочные станции не обеспечат горючим автомобиль, выделенный для перевозки контейнера, и его нельзя доставить ни на каком другом автомо­биле, то результат будет тот же, контейнер никогда не попадет в пункт Б.

Именно это требует специальных усилий по управ­лению в рамках одного техноценоза или группы взаимодействующих техноценозов*). Но на самом деле ситуация еще сложнее. Весь этот искусственный мир существует не сам по себе. Он существует в тес­ном переплетении с миром естественным. Человек, породивший техноценозы, сам становится их элемен­том, взаимодействует с объектами техноценоза» ставит и реализует в них свои собственные цели, наконец, организует управление внутри техноценоза и между техноценозами. Это резко усложняет структуру связей, ограничений и критериев. Учет экономических и социальных факторов делает управление особенно сложным. Тот всплеск работ по созданию автоматизированных систем управления, который так ярко проявился в последнее десятилетие, свидетельствует о том, что проблемы управления в техноценозах и между ними превратились в «горячие точки» техногенной цивилизации.

*) Отметим, что выделение тех или иных техноценозов как самостоятельных единиц сама по себе задача нетривиальная Но в этой книге мы ее не решаем.

В чем сложность возникшей перед человечеством задачи в области такого управления? Почему до сих пор не видно кардинальных успехов в этой области? Частичный ответ на свои вопросы мы получим в сле­дующем параграфе. 

§ 1.2. Системы, которые в полном объеме никто не создавал 

Вероятно, все читатели нашей книги пользовались междугородним телефоном. Предположим, что некто X, живущий в небольшом районном городке на юге Днепропетровской области, очень хочет поговорить со своим братом, работающим в Магадане. Оформив заказ на разговор и прождав необходимое для службы связи время, абонент Х начинает говорить со своим братом Y. Как возникает возможность такого разговора, ни X, ни Y, как правило, не интересует. Им важно только, чтобы слышимость была хорошей, а время ожидания начала разговора небольшим. Однако десятки, если не сотни различных технических устройств обеспечивают этот разговор. Между Х и Y протягивается канал, скоммутированный с помощью этих устройств. А при полуавтоматическом или руч­ном каналах связи в обеспечении разговора Х и Y участвуют и люди — диспетчеры. И ни X, ни Y не знают маршрута движения своих сообщений.

Но мы не будем анализировать сейчас те прин­ципы управления, которые позволяют сети телефонной связи обеспечивать коммуникацию Х с Y и многих других абонентов, которые одновременно с на­шими Х и Y используют ту же сеть телефонной связи. Обратим внимание на другую особенность столь привычной для большинства обитателей земно­го шара системы, входящей в современную техногенную сферу. В отличие от радиоприемника или телеви­зора, самолета или автомобиля мировая сеть теле­фонной связи не имеет единого проектировщика, который бы воплотил свой замысел в имеющуюся сеть. Та система, которая существует, возникла из более простых систем эволюционным путем, путем постепенного объединения более простых систем и усложнения функционирования в процессе их объединения. Поясним эту очень важную для авторов книги мысль.

Когда в 1878 г. в Нью-Хойзене в США появилась первая телефонная станция, то возник как бы зародыш будущей системы. Конечно, у этой станции был свой создатель и проектировщик. И, создавая свое детище, он создал и способ управления им. Так появилось наборное коммутационное поле и первые ра­ботники связи—миловидные девушки, ловко орудо­вавшие штекерами, обеспечивая необходимые соеди­нения между абонентами. Телефонный аппарат, каналы связи и коммутатор стали первыми важными Элементами этой телефонной сети. Такие локальные сети быстро распространились по многим странам. Потом появилась каналы связи между городами и странами, которые связывали между собой отдельные телефонные сети. Постепенное усложнение структуры сети приводило к возникновению новых технических проблем, без решения которых эти новообра­зования не могли бы функционировать. Возникли промежуточные усилители, полуавтоматические и автоматические коммутаторы и многое другое. И на каждом этапе развития телефонной сети работали изобретатели, ученые и проектировщики, которые улучшали элементы сети, изобретали новые устрой­ства для коммутации абонентов, повышения качества передачи сигналов и т. п. В развивающейся сети появилась иерархия — верный признак усложнения ее структуры. Усложнялись и методы управления сетью.

Но что же происходило с системой управления сетью связи? Создатели телефонного аппарата сна­чала исходили из того, что абонент, соединившись с коммутационным узлом, назовет диспетчеру необхо­димый ему номер. Появление автоматических узлов коммутации принципиально ничего не изменило. Только вместо произнесения номера вызываемого абонента в трубку мы набираем его на вращающемся диске или с помощью кнопочного устройства. Но при вызове абонента из другого города, с которым пока еще не установлена автоматическая коммутация по коду города, мы продолжаем пользоваться «старым дедовским способом», называя диспетчеру номер необходимого телефона и город, в котором этот або­нент проживает.

Таким образом, управление со стороны абонента, пытающегося установить связь с нужным ему лицом, практически никак не изменилось со времен тех телефонов, когда он крутил ручку магнето, посылая сигнал начального вызова в коммутатор. И рост телефонной сети сказывается для пользователя лишь в расширении его возможностей по связи с другими абонентами, да в росте отказов и времени ожидания при попытках установления связи.

А какие изменения произошли в системе управле­ния на коммутационном узле? Внешне тоже никаких, ибо принцип коммутации каналов остался старым. Но изменения коснулись более глубинного пласта управления. В телефонной сети каждый коммута­ционный узел, каждая национальная компания или одна из таких компаний имеют свои собственные цели и предпочтения. Но для работы всей сети нужно, чтобы вое эти индивидуальные цели были бы как-то скомпенсированы, согласованы с другими индиви­дуальными целями. Сеть, связывающая отдельные подсети, заставляет всех пользователей образовывать некоторую коалицию, коллектив. И без соотнесения личных интересов пользователя с интересами парт­неров по коалиции ничего нельзя добиться. Это при­водит к тому, что вместо максимизации своего лич­ного выигрыша (будем называть так всю совокупность требований, которые индивид предъявляет к сети) каждый специалист, принимающий участие в управ­лении, должен максимизировать свой личный выиг­рыш лишь в условиях согласованных действий осталь­ных специалистов. Поэтому и возникает новая функ­ция управления — достижение согласованных дейст­вий при управлении объектом при наличии многих управляющих систем (пользователей) со своими лич­ными локальными интересами.

Как можно добиться такого согласования? Один из способов — распространение специальной служеб­ной информации по всей сети, организация перегово­ров и совещаний, плакирование ее работы. Этот путь имеет скорее теоретический, чем практический интерес. Время, затрачиваемое на переговоры и согласования, будет слишком большим, планирование в условиях случайных требований абонентов на обслуживание невозможно, ситуации, возникающие в сети, динамичны и трудно предсказуемы. Где же вы­ход из создавшегося положения? По-видимому, он единственный. Согласование действий управляющих органов в сети должно возникать как бы «само со­бой» в процессе автономного и децентрализованного функционирования  всех  частей  этой  системы. А для того чтобы оно стало возможным, необходим некоторый регулирующий механизм, реализуемый не каким-либо «верховным органом» сети, а в процессе обмена незначительной информацией локального типа между отдельными подсистемами управления. В телефонной сети земного шара это может быть реализовано в виде взаимных платежей между государствами и компаниями, отражающими ка­чество согласования работы отдельных участков се­ти и величину потоков требований на связь в тех или иных участках сети.

Для нас чрезвычайно важен и принципиален следующий вывод из сказанного. Система, возник­шая эволюционным путем, не может управляться централизованно,  единым  органом  управления. И достижение глобальной цели функционирования такой системы (ее G_e) происходит за счет согласо­вания действий отдельных подсистем объекта, за счет своеобразного конформизма систем управления этими отдельными подсистемами. Централизованное управление в подобных системах может привести только к ее развалу. Известному советскому ученому А. А. Ляпунову принадлежит следующий заме­чательный по своей наглядности пример бессмыслен­ности централизованного управления в определенных технических системах. Предположим, что кому-нибудь в голову пришла идея централизованно управлять использованием всех товарных вагонов, находящихся в распоряжении железных дорог СССР. Крайним случаем выражения этой идеи было бы создание грандиозного парка свободных вагонов, размещаемого где-нибудь в районе Урала. Требова­ния на перевозки поступали бы в центральную диспетчерскую, которая и выделяла бы необходимое заказчику множество вагонов и гнала бы их к месту погрузки. После выполнения задания вагоны возвращались бы в парк. Ясно, что подобная организация управления парком грузовых вагонов не­эффективна и попросту вредна. Хотя это отнюдь не означает, что не может существовать некоторой глобальной цели управления и критерия управления, относящегося ко всему парку грузовых вагонов. Но они должны достигаться не путем прямого управле­ния ресурсами, как это было в едином парке ваго­нов на Урале, а путем согласованных действий от­дельных подсистем в условиях организации между ними такой системы поощрения и наказания, кото­рая обеспечивала бы достижение этой цели с уче­том глобального критерия управления.

Такое управление и подобное взаимодействие управляющих подсистем встречается не столь уж редко. Для иллюстрации этого утверждения приве­дем несколько поучительных примеров.  

§ 1.3. Несколько поучительных примеров

 1. По-видимому, каждый из читателей посещал колхозный рынок. На рынке, если исключить лиц, зашедших туда из любопытства или в поисках случайного заработка, все остальные посетители делятся на два класса: покупателей и продавцов. Основной операцией, совершаемой на колхозном рынке, является единичный акт купли — продажи. В результате этого акта некоторое количество опре­деленного товара переходит из рук продавца в руки покупателя. Мы не хотели бы пока вдаваться в тон­кости, связанные с совершением этого акта, ибо многие из них должны исследоваться не в данной книге, а в литературе иного направления (от юриди­ческой и психологической до художественной). По­этому, обедняя процесс, мы будем каждый единич­ный акт купли — продажи характеризовать тремя параметрами: С₁, С₂ и С. Смысл этих параметров следующий: C₁ характеризует опорную цену про­давца, т. е. ту цену, ниже которой ему невыгодно продавать свой товар; С₂ — предельную цену, за который покупатель может приобрести товар, отка­зываясь его покупать по более высокой цене;

С — цену, которая была реализована в акте купли — продажи. Конечно, если этот акт совершился, то C₁ £С £ С₂. Будем считать, что продавцы и поку­патели не договариваются заранее о величине C₁ по всему множеству продавцов (что иногда явно наблюдается на рынке) и о величине С₂ но всему множеству покупателей. Конкретное значение С в этом случае будет появляться в результате некоторого процесса, протекающего в конкретной паре покупатель — продавец. Но никто не заставляет покупателя не получать информацию о ценах, кото­рые требуют за свой товар различные продавцы, а продавца — не анализировать готовность назначить ту или иную цену множеством отдельных покупате­лей. Никто не заставляет покупателя выбирать именно этого продавца, а продавца — именно этого покупателя. С помощью изменения цен на товары и тот и дру­гой как бы управляют процессом купли—продажи.

Будем для определенности считать, что класс покупателей есть объект управления, а класс про­давцов — управляющая система, цель которой — продать весь имеющийся у продавцов товар (пред­полагается, что запросы покупателей и количество товара, имеющегося на рынке у продавце», сбалан­сированы). Эта общая цель как бы разлагается на индивидуальные цели отдельных продавцов—про­дать тот товар, который они привезли на рынок. Общая цель мало интересует конкретного продавца. Она интересует скорее местный горисполком» получающий от продажи товаров на рынке определен­ный процент от количества проданного товара. В реальной жизни этот процент получается не не­посредственно, а косвенным образом, с учетом таких показателей, как обеспечение населения города необходимыми продуктами питания, но нас устраи­вает подобная очень грубая модель.

Если теперь зафиксировать закон изменения цен в процессе торговли между покупателями и продав­цами и учесть, что цель продавца — максимизиро­вать С при ограничении С ³ C₁ и продать как можно больше товара, то эта цель может быть достиг­нута при замене каждого продавца устройством, изменяющим по заданному закону величину назна­чаемой за товар цены, начиная с некоторой цены С*, определяемой начальным состоянием продавца' при приезде на рынок (например, значением про­дажной цены, которое было установлено перед выездом на рынок на семейном совете), до величины его опорной цены C₁. При этом отказ очередного покупателя от покупки товара по запрашиваемой цене в простейшем случае снижает эту цену на основании заложенного в устройство закона изменения цен. Каждое устройство-продавец действует как бы автономно. Множество покупателей и другие устройства-продавцы выступают для него как не­которая среда, подающая ему сигналы о необходи­мости снижения или повышения цен. Как показы­вает анализ процессов, протекающих в такой рыноч­ной модели, децентрализованное управление, совер­шаемое множеством устройств-продавцов, приводит к выравниванию цен С на рынке. При этом дости­гается и общая цель всего коллектива продавцов — количество продаваемого товара стремится к макси­муму. Если же увеличить количество информации, поступающей к продавцам, сообщая им, например, среднее значение величины С в данный момент по всем уже совершенным актам купли — продажи или полную информацию о значениях С по всем уже реализованным актам купли — продажи, то сходи­мость процесса выравнивания цен на рынке будет иметь значительно большую скорость.

Что мы должны особенно выделить в этом при­мере? Прежде всего децентрализованный характер управления. Управление происходит с помощью коллектива почти автономных устройств (продав­цов), получающих информацию о действиях друг друга только через среду. И тем не менее, как эта ни парадоксально, такое управление приводит к удовлетворению всех локальных целей продавцов и обеспечивает   некоторый   глобальный   выигрыш, отражающий интересы системы управления более высокого уровня, которая, однако, не оказывает не­посредственного влияния на локальные процессы во взаимодействии продавцов и покупателей.

2. Второй наш пример относится к пчелиному улью и описывает ситуацию, хорошо известную на­блюдательным пчеловодам. Наступило похолодание. Оно грозит неприятностями расплоду. Он может по­гибнуть. И рабочие пчелы собираются на сотах с расплодом плотной массой, тесно прижавшись друг к другу. Температура в районе расплода поднимает­ся и опасность исчезает. А когда жара такова, что температура в улье начинает катастрофически под- ниматься, рабочие пчелы приносят в улей воду и покрывают ячейки с расплодом тонкой водяной плен­кой. После этого каждая из рабочих пчел, находя­щихся в улье, начинает выполнять роль своеобразно­го вентилятора. Она быстро работает крыльями, по­могая испарению воды и охлаждению ячеек с рас­плодом.

В описанных процессах все пчелы действуют индивидуально, независимо друг от друга, децентра­лизованно, ибо каждая из них своими органами чувств ощущает критические перепады температуры в улье и включает программы ликвидации нежелательных последствий.

3. Рассмотрим грубую модель конвейерного про­изводства автомобилей. Некоторые цеха или группа цехов выпускает отдельные узлы будущего автомо­биля; они поступают на главный конвейер и соби­раются в готовое изделие. В отдельных производст­вах также могут существовать свои «главные кон­вейеры», узлы для которых готовятся во вспомога­тельных подразделениях второго порядка и т. д.:

«я гайки делаю, а ты для гаек делаешь болты». Это приводит к взаимной увязке работы всех частей сложного производственного процесса. И если соот­ветствующий участок, производящий гайки, еже­месячно выполняет план на 200 %,  а  участок, произ­водящий болты — на 150 %, то радости от этого не­много. И если нельзя увеличить выпуск болтов до 200 %, то необходимо снизить выпуск гаек до 150 %.,

Таким образом, основной заботой для автозавода в целом должен быть комплекс мероприятий, обес­печивающих ритмичность и бесперебойность работы главного сборочного конвейера, а не максимизацию выпуска каких-либо вспомогательных узлов (если только не удается использовать их для снабжения автохозяйств дефицитными запасными частями). Руководители вспомогательных подразделений мо­гут действовать автономно и децентрализованно лишь в пределах решения основной задачи, подчиняя свои локальные цели общей цели завода.

4. Всякий житель большого города имел дело с радиофицированными такси. Водители этих машин могут принимать информацию о поступающих в дис­петчерскую заказах. Давайте вспомним, как про­исходит их распределение. Диспетчер может при­держиваться различных .стратегий распределения. Во-первых, он может просто сообщить всем автома­шинам, находящимся на линии, условия поступив­шего  заказа. Если у кого-то из водителей этот заказ встретит интерес (например, данный водитель про­стаивает и находится недалеко от места, где надо брать пассажира, или он заинтересован в перемеще­нии к конечному пункту, указанному в заказе), то он может взять заказ на себя, сообщив об этом диспетчеру. Во-вторых, диспетчер может назначить того или иного водителя для выполнения заказа, исходя из своего понимания обстановки или из каких-либо личных соображений. Однако второй путь оказывается гораздо менее эффективным как для парка, так и для заказчика, у которого в сред­нем растет время ожидания исполнения заказа. Особенно это проявляется в том случае, когда зака­зы поступают не для незамедлительного выполнения, а с указанием срока их выполнения. В этом случае децентрализованное управление,   осуществляемое водителями такси (здесь диспетчер выполняет роль информационного, а не управляющего звена), ока­зывается более эффективным, чем централизованное.

§ 1.4. Обсуждение примеров 

Нам кажется, что приведенных примеров уже достаточно для того, чтобы можно было сделать не­которые выводы. В последующих главах читатель встретит еще немало примеров объектов из того множества естественных и искусственных систем, которые обладают теми же специфическими свойст­вами, что и телефонная сеть, пчелиный улей, колхоз­ный рынок или большое автохозяйство.

Выше мы ввели такие характеристики систем управления, как I, Q и R. Попробуем теперь, опи­раясь на приведенные примеры, дать самую общую классификацию систем управления, причем мы за­ранее предупреждаем читателя, что цель этой клас­сификации весьма узка. Она нужна нам для пояс­нения идей, развиваемых в данной книге, а не для исчерпывающей классификации централизованных и децентрализованных систем управления. Вторая за­дача неизмеримо труднее и серьезнее, чем та клас­сификация, которая будет дана в этом параграфе.

Рассмотрим сначала управление температурой в улье. Каждая рабочая пчела имеет полную  информацию о состоянии улья. И эта информация одина- кова для всех рабочих пчел, находящихся в улье.

Она сводится к знаниям о текущей температуре в улье. Каждая рабочая пчела обладает не только одинаковой I, но и одинаковым Q. Цель управления — приведение температуры около сот с расплодом в допустимый интервал, а в качестве дополнительного требования выступает время, в течение которого это необходимо сделать. Кроме того, и R у всех рабочих пчел одинаковы. Все они умеют махать крыльями с одинаковой скоростью, повышать. температуру своего тела на 10 градусов но сравнению с температурой воздуха, приносить и распылять воду. Таким образом, в случае регулирования тем­пературы в улье мы имеем управляющую систему, состоящую из однотипных подсистем управления, каждая из которых характеризуется одними и теми же значениями I, Q и R. Кроме того, локальные интересы таких подсистем согласованы с глобальной целью управления (попросту cовпадают с ней), что не требует от них каких-либо действий по согласо­ванию интересов.

Подобные системы можно отнести к простейшим децентрализованным системам управление. В них отсутствует какая-либо специализация подсистем управления, и если управление не может быть осу­ществлено отдельной подсистемой, то, увеличивая их число, мы получаем систему управления, способную решить поставленную перед вей задачу («не умом, так количеством»—вот девиз подобных систем),

Когда пожарная команда прибывает к месту ту­шения пожара, то картина несколько отличается от ситуации в улье. Хотя все пожарные подразделения имеют одинаковую глобальную цель — потушить по­жар с минимальными затратами и в минимально возможное время — и одинаковую исходную инфор­мацию, средства их различны, а значит, различны и индивидуальные локальные цели, которых они мо­гут достичь. Одни из них баграми и топорами взла­мывают крышу, под которой находится очаг пожара, а другие с помощью специального раствора пытаются сбить пламя. Здесь наблюдается не только чисто структурная децентрализация системы управления (пожарной части), но и специализация подсистем по средствам. Системы такого класса иаиболее часто встречаются в технических системах, обра­зующих техноценозы. Если же при этом на пожаре нет начальника, ставящего подразделениям задачи и разумно координирующего их действия, то мы имеем дело с типичной децентрализованной по средствам системой управления.

Конвейерная система автомобильного завода дает нам пример того, что подсистемы системы управления могут и не обладать полной и однотипной информа­цией. Средства, имеющиеся в руках отдельных под­разделений завода, и их локальные цели могут также различаться между собой (во всяком случае, в условиях принятой системы стимулирования про­изводства). И лишь административное подчинение всех заводских подсистем управления главному дис­петчеру завода и ряду других лиц вносит в эту си­стему ту централизацию, которая необходима для согласования этих локальных целей. Если же центра­лизация будет отсутствовать, то автомобили все равно будут собираться, если зарплату платить только за собранные автомобили. Как это сделать, по-видимому, представляют все читатели.

Таксопарк дает нам пример системы, где водите­ли автомобилей, обладая однотипной информацией и одинаковыми средствами достижения целей, при­нимают различные решения из-за различных крите­риев достижения своих целей. Роль диспетчерской сводится к тому, чтобы эти личные цели не вступили в противоречие с целью таксопарка (например, вы­полнением спущенного ему плана). При необходи­мости диспетчер может навязать тому или иному водителю свою волю, отражающую стремление к достижению глобальной цели всего коллектива.

Наконец, ситуация на рынке, где отсутствует опо- вещение о сделках между продавцами и покупателя- ми, дает нам пример децентрализованного управле­ния, в котором из-за взаимного влияния подсистем управления друг на друга происходит принудитель-ное согласование личных целей продавцов, приво­дящее к равновесным ценам в актах купли — про­дажи.

Сказанное означает, что понятие децентрализации в системе управления может быть весьма различным. Обязательно лишь наличие отдельных подсистем в системе   управления, которые должны выбирать средства воздействия на объект управления, не по­лучая информации о том, какое решение в тот же момент времени принимают другие подсистемы. Корректировка действий подсистем происходит толь­ко через информацию, получаемую подсистемами от объекта управления. Весьма часто подсистемы мо­гут быть таковы, что они «не знают» о существова­нии других подсистем или имеют весьма ограничен­ную информацию об их функционировании.

Рис. 1.1.

На рис. 1.1 приведена классификационная струк­тура, использующая значение трех классификацион­ных параметров: I, R, Q. Звездочка означает, что. в данной системе управления для разных под­систем нет совпадения по множеству значений этого параметра. Около каждой позиции классификацион­ной структуры указан пример системы управления, для которой выполнены соответствующие условия. Пояснения нужны только для двух случаев, так как остальные примеры мы уже проанализировали. Для случая (I*, R*, Q) можно рассматривать систему управления   движением   городского   транспорта. В такой системе происходит естественная декомпо­зиция системы управления на подсистемы по видам транспорта  (троллейбусно-трамвайное управление,  управление метрополитеном и т. п.). В распоряжении каждой такой подсистемы имеются свои средства достижения однотипной цели — максимизации коли­чества перевозимых пассажиров при обязательной экономии энергии и ресурсов. Для случая же (I*, R*, Q*) примером может служить система управления ходом спектакля в театре. Ведущие спектакль согласуют между собой различные под­системы (систему освещения сцены, систему музы­кального сопровождения, систему смены декораций и т. п.). Все подсистемы имеют свои средства и свои цели, согласованные с помощью режиcсерского плана с глобальной целью максимизации эстетиче­ского наслаждения, которое испытывают зрители.

Приведенные нами иллюстративные примеры в ряде случаев упрощены, но нам хотелось, чтобы они были несложны и ненадуманы. И если читатели по­чувствовали смысл классификации, приведенной на рис. 1.1, то авторы достигли своей цели полностью.

§ 1.5. Зачем нужна децентрализация? 

Возникает вполне законный вопрос: не является ли децентрализация в системе управления следствием нашего плохого знания поведения объекта управ­ления или того, как надо строить системы управле­ния? Мы хотим привести ряд соображений в пользу того, что во многих случаях децентрализованное управление есть не ухудшенный вариант централи­зованного или иерархического, но вполне законный, а часто и единственно возможный вид управления. Кое-какие мысли по этому поводу мы уже высказы­вали выше. Здесь же мы суммируем их оконча­тельно.

1. Не все технические, а особенно экономические и организационные системы, возникли на основании единого проектировочного замысла. Многие системы в их современном виде «никто не изобретал, не про­ектировал и не создавал». Они возникли из более простых систем в результате своеобразной техни­ческой эволюции, о которой мы будем говорить в заключительной части книги. Выражение, которое мы взяли в кавычки, является метафорическим. Конечно, в создании этих систем принимали участие и изобретатели, и проектировщики, и ученые. Но мы хотим подчеркнуть, что ни один из них не создал всю систему «целиком». Были люди, которые проек­тировали автоматические телефонные станции или локальные сети связи, но нет единого создателя Мировой телефонной сети или Мировой транспортной сети или Всемирного сообщества филателистов. В системах такого типа централизованное управление возможно лишь на уровне соглашений о путях развития системы, договоров о стандартах и основных ограничениях на пользование системой и т. п. Оперативное же управление самим процессом в них возможно, по-видимому, лишь децентрализованным образом.

2. Сложность тех систем, которыми в настоящее время пытается управлять человечество, достигла такого порядка, что централизованное управление ими становится невозможным из-за огромного пото­ка информации, подлежащей переработке централь­ным управляющим органом и передаче по каналам связи. Время, затрачиваемое на это, делает, как правило, дальнейшую работу по управлению в ди­намическом режиме бесполезной. Иллюстрацией может служить положение, сложившееся в метеоро­логии при решении задачи краткосрочного прогноза погоды. Наземные метеостанции и метеоспутники поставляют сейчас такое количество оперативной информации, которое просто невозможно обработать в нужные сроки. Это породило остроумное и печаль­ное замечание одного из крупных специалистов по прогнозу погоды, сказавшего, что «сегодня мы можем с абсолютной точностью предсказать погоду на завтра, но для этого нам нужен месяц работы».

3. С ростом сложности больших систем падает их надежность. При числе контактов порядка 10¹⁰, что примерно соответствует числу контактов в современ­ной мировой телефонной сети, наличие отказов практически постоянно. Другими словами, система должна выходить из строя с вероятностью, весьма близкой к единице. Тем не менее, практика использо­вания телефонной сети показывает, что этот фено­мен нами не наблюдается. Причиной такого пара­докса является все та же децентрализация, которая обеспечивает в системе избыточность по управлению, необходимую для нормального функционирования системы. Нормальное функционирование таких систем, как мировая сеть связи или большая энерго­система, обеспечивается за счет локальных решений по изменению коммутации каналов или по пере­броске энергии из одной точки энергосети в другую. Если бы эти решения принимались централизованно, то время, затрачиваемое на передачу необходимей информации, сделало бы функционирование таких систем абсолютно ненадежным и неэффективным.

4. В ряде случаев очень трудно сформулировать на том уровне точности, который необходим для централизованного управления, цель существования объекта управления и критерий управления. Но даже если это и можно сделать для сложной системы, то, к сожалению, почти, никогда не удается указать, как, исходя из них, осуществлять само управление объек­том. Однако весьма часто такую информацию можно указать для подсистем управления и увязать их функционирование через, ограничения, формируемые из цели существования и критерия управления всем объектом в целом. Примером подобной ситуации могут служить различные автоматизированные си­стемы управления региональными объектами (типа города, области и т. п.).

5. При создании межнациональных и межгосу­дарственных систем децентрализация в условиях современного состояния мира просто неизбежна, хотя отдельные межгосударственные органы управ­ления и могут быть созданы в результате специальных соглашений.

Все сказанное заставляет весьма серьезно отнес­тись к самой идее децентрализованного управления в сложных системах. Исторически первые интересные модели такого управления были созданы М. Л. Цет-линым, чей вклад в это направление трудно пере­оценить. Он был создателем целого направления исследований, получившего название «коллективное поведение автоматов». Им были сформулированы основные принципы, лежащие в основе подобных мо- делей, и способы их реализации. Последующие иссле­дования в этой области позволили создать ряд оригинальных и интересных моделей децентрализо­ванного управления типа (I, R, Q*), а впоследствии и других типов.

Итак, объектами наших дальнейших исследований будут децентрализованные системы управления разных типов (см. рис. 1.1). При этом, как правило, мы будем рассматривать системы управления, в ко­торых подсистемы однотипны. Децентрализация в таких системах достигается за счет согласования действий подсистем через объект управления (среду, в которой функционируют подсистемы), что позволяет всей системе достигать поставленной перед ней цели в результате действий подсистем, направленных на достижение своих локальных целей.

Такое  ограничение  рассматриваемых  систем управления связано с тем, что в противном случае нам пришлось бы говорить о столь широком классе систем, что никакие результаты, кроме тривиальных, мы бы получить не смогли. Кроме того, однотипность подсистем управления резко облегчает задачу ком­пановки самой системы управления и значительно снижает сложность ее проектирования.

Чаще всего мы будем рассматривать такие под­системы управления, работу которых можно описы-вать моделью конечного или вероятностного автомата. Хотя читатель встретит в дальнейшем и другие модели. Такое наше пристрастие определяется двумя фактами: хорошей разработанностью теории именно для таких подсистем и широким спектром приложе­ний, в которых автоматные модели управления на­ходят свое применение.

План нашего дальнейшего изложения таков. В следующей главе мы рассмотрим модель отдель­ной подсистемы, представляющей собой или детер­минированный, или вероятностный автомат, функцио­нирующий в случайной среде. Мы покажем, что, несмотря на весьма простую конструкцию, устрой­ство этого типа могут с успехом приспосабливать свое поведение к априорно неизвестным условиям функционирования. Затем в гл. 3 и 4 мы опишем различные способы организации взаимодействия таких подсистем и приведем много разнообразных примеров решения задач управления, успешно решае­мых таким образом. В гл. 5 мы обсудим проблемы, относящиеся к однородным структурам, в которых протекают параллельные и асинхронные процессы. Такие распределенные системы децентрализованного управления обладают многими важными для техники сегодняшнего дня свойствами, позволяющими исполь­зовать их в тех случаях, когда централизованным управлением воспользоваться невозможно. В заклю­чительной главе книги мы проанализируем эволю­ционный путь развития технических объектов и систем управления ими, который, как нам представ­ляется, начинает играть все большую роль в техни­ческом прогрессе человечества. Для систем такого типа децентрализованное управление оказывается единственно возможным.

В тексте книги, учитывая ее популярный (на­сколько это нам удалось) характер, почти нет ана­литических выкладок и доказательств. В ней господ­ствует качественный характер изложения. Какие-либо ссылки на источники отсутствуют. Однако крат­кий комментарий (библиография), завершающий книгу, позволит заинтересованным читателям найти работы, в которых строго доказаны все результаты, упомянутые в этой книге, а также те работы, кото­рые были использованы авторами в качестве источ­ников примеров и моделей. И последнее. Кое-что читатель должен знать (например, азы теории вероят­ностей или математического анализа). Если бы мы этого не могли потребовать от читателя, то ничего, кроме вводной главы, нам бы написать не удалось,

[Главы 2-3, убраны по требованию правообладателя. Книга переиздана издательством URSS.]

Г л а в а 6 ДИАЛЕКТИКА ПРОСТОГО И СЛОЖНОГО

 «Дороги,  которые мы  выбираем, следует отличать от дорог, которые выбирают нас».

Феликс Кривин

 § 6.1. Синтезогенез и интеграция усилий

«Все эти создания обладали тройственной симмет­рией и напоминали формой греческую букву гамма с тремя остроконечными плечиками, соединяющимися в центральном утолщении. В падающем свете они казались черными, как уголь, в отраженном — пере­ливались синим и оливковым цветом, как брюшки некоторых земных насекомых. Наружные их стенки состояли из очень мелких пластин, напоминающих грани бриллианта, а внутри «мушки» содержали од­ну и ту же микроскопическую конструкцию. Ее эле­менты, в сотни раз меньшие, чем зернышки песка, образовывали что-то вроде автономной нервной си­стемы, в которой удалось различить две частично независимые друг от друга цепи.

Меньшая часть, занимающая внутренность плеч, представляла собой микроскопическую схему, заве­дующую движением «насекомого», нечто вроде уни­версального аккумулятора и одновременно трансфор­матора энергии. В зависимости от способа, каким сжимали кристаллы, они создавали то электрическое, то магнитное поле, то переменные силовые поля, ко­торые могли нагревать до относительно высокой тем­пературы центральную часть; тогда накопленное тепло излучалось наружу однонаправленно. Вызван­ное этим движение воздуха, .как реактивная струя, делало возможным движение в любом направлении. Отдельный кристаллик не столько летал, сколько подпрыгивал, и не был, во всяком случае во время лабораторных экспериментов, способен точно управ­лять своим полетом. Несколько же кристалликов, со­единяясь кончиками плеч друг с другом, образовы­вали систему с тем лучшими аэродинамическими показателями, чем больше их было.

Каждый кристаллик соединялся с тремя; кроме того, он мог соединяться концом плеча с централь­ной частью любого другого, что давало возможность образования многослойных комплексов. Соединения не обязательно требовали соприкосновения, кристал­ликам достаточно было сблизиться, чтобы возникшее магнитное поле удерживало все образование в рав­новесии. При определенном количестве насекомых система начинала проявлять многочисленные законо­мерности, могла в зависимости от того, как ее «драз­нили» внешними импульсами, менять направление движения, форму, вид, частоту внутренних пульса­ций; при определенных внешних условиях менялись знаки поля, и, вместо того, чтобы притягиваться, ме­таллические кристаллики отталкивались, переходили в состояние «индивидуальной россыпи».

Эта длинная цитата из повести Станислава Лема «Непобедимый» приведена нами не случайно. На планете «Регис-III» люди столкнулись с необычным явлением. Из примитивных кристалликов, обладаю­щих примитивным поведением, при определенных условиях возникал сверхорганизм — туча. И эта туча обладала почти неисчерпаемыми возможностями по адаптации своего поведения, ибо хранила в огром­ной памяти, складывающейся из памятей-песчинок отдельных кристаллов, необъятный запас знаний.

Однако столь ли уж необычен этот способ возник­новения сложного из простого? После того, что чи­татель прочитал в предшествующих главах, подобный путь организации сложного поведения должен ка­заться ему весьма привычным; Наблюдения за био­логическими организмами также не противоречат идее польского фантаста. Такое объединение более простых организмов в более сложный —один из пу­тей эволюции в органическом мире. К. М. Завад­ский, много лет занимавшийся проблемами эволюции, назвал такой путь синтезогенезом. Переход от одно­клеточных водорослей к многоклеточным был решаю­щим шагом на пути прогресса органического мира; сообщество рабочих пчел в улье или рабочих мура­вьев в муравейнике—примеры того же типа.

Но простое скопление однородных подсистем или организмов—это еще не новая система или орга­низм. Множество рабочих пчел, встретившихся на цветущем лугу и относящихся к разным пчелиным семьям,—это совсем не то, что множество рабочих пчел из одного улья. И совокупность пассажиров, оказавшихся одновременно в трамвае, резко отлича­ется от множества покупателей и продавцов на кол­хозном рынке.

В чем же состоит это отличие? В самом общем виде можно сказать, что некоторая совокупность элементов является единой системой, если эти эле­менты обладают потенциальным свойством образо­вывать статические или динамические структуры, необходимые для «выживания» элементов и всей их совокупности, т. е. обладают свойством устанавли­вать взаимодействие друг с другом для достижения локальных и глобальной целей. Это, конечно, не определение, а скорее рассуждение о чрезвычайно сложном вопросе. Исчерпывающий ответ на него — предмет специального исследования, выходящего да­леко за границы возможностей авторов. Но, как нам кажется, суть всех моделей коллективного поведения и взаимодействия в этом и состоит. Отметим еще, что когда речь идет о биологических совокупностях, то в реальных ситуациях эти потенциальные свойства проявляются лишь частично, а остальные — ждут своего часа. Хорошо- известны, например, опыты с некоторыми бактериями, которые всегда обитали в средах, где отсутствуют определенные виды углево­дов. При искусственной пересадке их в среды, где эти непривычные углеводы были единственной до­ступной для бактерий пищей, они начинали выраба­тывать фермент для их расщепления. Возможность этого была заложена в их генную структуру «на вся­кий случай» и реализовалась именно тогда, когда в этом возникла необходимость. Другой пример — огромные потенциальные возможности любого чело­века, подавляющее большинство которых никогда не проявляется у индивида, а возможно, и у человече­ского сообщества.

Таким образом, синтезогенез—это путь увеличе­ния числа потенциально возможных свойств, которые могут пригодиться системе при встрече с непривыч­ными для нее ситуациями и средами.

Рассмотрим простую модель, иллюстрирующую возможности синтезогенеза. На рис. 6.1 показан то­роидальный мир — совокупность клеток, размещен­ных на внешней поверхности тора (обычная сушка или баранка дают превосходное представление о тороидальной форме). Предположим, что в клетках этого мира может находиться пища, которой могут питаться «организмы», обитающие в них. В качестве таких «организмов» будем рассматривать автоматы с линейной тактикой. Простейшая форма подобного автомата — автомат с од­ним действием, показанный на рис. 6.2, а. В состоянии 1 при получении сигнала штраф автомат «умирает» (на рисунке это отмечено крестиком). Действие, кото­рое может совершать ав­томат,— перемещение в не­котором фиксированном на­правлении на одну клетку тора.   Обозначим   четы­ре возможных направления перемещения, показанные на рис. 6.1, через А, Б, В, Г. Тогда простейшие ав­томаты будут делиться на четыре типа — будем обо­значать их теми же буквами. Допустим, что автоматы, находящиеся в одной клетке, могут объединяться. Если объединяются два автомата одного типа, то это приводит к увеличению длины лепестка (т. е. глуби­ны памяти для этого действия). При объединении же автоматов различного типа новый автомат имеет уже не один лепесток, а два. На рис. 6.2,6 показан ав­томат, который возник в результате объединения четырех автоматов, два из которых относятся к типу А, а оставшиеся два — к типу В и Г. Для удобства будем обозначать такой автомат как А²ГВ.

В отличие от классического автомата с линейной тактикой наш автомат не может накапливать нака­зания безгранично и «умирает», когда число подряд действующих штрафов (пунктирные стрелки) превы­шает число состояний, имеющееся у автомата (для автомата, показанного на рис. 6.2, б, оно равно четы­рем). Кроме того, смена лепестков происходит равно­вероятно.

Сигналы наказания и поощрения формируются средой следующим образом. Если автомат в данной клетке съедает пищу, то он получает сигнал поощре­ния, в противном случае—сигнал наказания. После того как автомат съест пищу (на что в модели тре­буется один такт) и уйдет из клетки, то пища может в ней одномоментно восстановиться или клетка оста­нется пустой до того момента, когда по закону, ха­рактеризующему среду, пища снова восстановится.

Если в одну и ту же клетку попадает несколько автоматов, то они принудительно объединяются и образуют новый более сложный «организм».

Рассмотрим несколько ситуаций в эволюционном процессе на торе.

На рис. 6.3 показано несколько простейших ситу­ация на некотором участке тороидальной поверхно­сти. Клетки, в которых имеется пища, отмечены точками. Предполагается, что пища, съеденная в клетках, полностью восстанавливается, как только автомат уйдет из нее. На рис. 6.3, а показаны два простейших автомата. Автомат Л съедает пищу в клетке, где он находится, и идет наверх. Но на этом кольце пищи нигде больше нет. В результате он по­гибает в клетке, помеченной крестиком. Иная судьба у автомата Г. Если пища имеется на всем кольце, то этот автомат, двигаясь по замкнутому кольцу вправо, будет все время поддерживать свое сущест­вование. Он живет вечно, не беспокоясь ни о чем.

На рис. 6.2, б показана еще одна очень простая си­туация. Автоматы А и Г встречаются в клетке с пи­щей, объединяются и начинают движение. Каким оно будет? Это зависит от того, какое именно состояние окажется начальным. Ели это состояние, соответст­вующее состоянию 1 автомата А, то объединенный автомат сначала сделает шаг наверх. В этой клетке пищи нет и автомат получит наказание. Это заставит перейти его в состояние 1 бывшего автомата Г и сделать шаг на одну клетку вправо. Там пища есть. Съев ее, автомат сделает еще один шаг вправо. По­лучив наказание, он, как автомат А, сделает шаг вверх и получит пищу. Далее процесс будет повто­ряться циклически, если пища размещается на по­верхности тора регулярным образом. Автомат будет двигаться по «диагональной линии» и жить вечное Если бы начальным состоянием объединенного ав­томата было состояние 1 автомата Г, то движение было бы аналогичным. Пунктирные стрелки показы­вают оба возможных пути автомата АГ.

Усложнение структуры далеко не всегда приводит к улучшению функционирования. Это положение ил­люстрируется рис. 6.3, в. В клетке с пищей образует­ся автомат АБГ. Пусть начальным его состоянием является состояние 1 автомата Г. Сдвинувшись на одну клетку вправо и получив сигнал штраф, авто­мат переходит (путем равновероятного выбора) в состояние автомата Б. Он сдвигается вниз, но пищи там нет. Опять следует равновероятный переход, и автомат снова попадает в состояние автомата Г. Происходит сдвиг вправо. Но так как пищи в этой клетке нет, объединенный автомат погибает, исчер­пав все свои ресурсы. Если бы объединения не про­изошло, то при том распределении пищи, которое показано на рис. 6.3, в, все три простейших автомата могли бы жить вечно.

Наши забавные автоматы на тороидальной по­верхности можно исследовать с разных точек зрения. Но, к сожалению, это увело бы нас весьма далеко от основной канвы книги. Те, кому понравился этот мир, могут придумать много занимательных и интересных историй, полных драматизма и неожиданных метаморфоз, которые могут развернуться на поверхности тора.

Для нас же важно отметить, что синтезогенез мо­жет приносить как пользу, так и вред, ибо иногда лучшее — враг хорошего.

Тем не менее путь синтеза, своеобразной полиме­ризации, часто встречается в эволюционирующих технических системах. Этот путь сыграл большую роль в создании мировой сети связи и транспортных сетей. При образовании комплексов резервированных устройств мы также сталкиваемся с явлением, подоб­ным синтезогенезу.

Выскажем еще раз одну весьма важную мысль, связанную с синтезогенезом. В процессе такого объ­единения возникает особое явление, сходное (чисто внешне) с полимеризацией в химии. Элементы, всту­пая в объединение и не меняясь по своей структуре, как бы приобретают новые качественные возможно­сти. И эти новые возможности зависят от механизма объединения. В гл. 4 мы уже столкнулись с этим явлением. Когда два автомата объединялись чисто механически (так, как объединяются автоматы в нашей модели эволюции на горе), число их состоя­ний растет, как п², если каждый из автоматов имел п состояний. Когда же они объединяются за счет случайного парного взаимодействия, то это дает им возможность функционировать как автоматам, обла­дающим памятью глубины 2ⁿ. В гл. 5 мы также столкнулись с явлением «полимеризации». Автомат всего с восемью состояниями, объединившись в ше­ренгу стрелков, как бы приобретал возможность работы с памятью всей совокупности автоматов, ста­новился богаче по своим возможностям, не меняя своей структуры. Это явление кажется нам весьма любопытным.

Но, наряду с этим процессом в биологической и технической эволюции, идет и другой важный про­цесс, связанный с ростом неоднородности в организ­ме с появлением специализированных подсистем.

§ 6.2. Сегрегациогенез и его последствия

Термин сегрегациогенез, как и термин синтезоге­нез, принадлежит К. М. Завадскому. Его смысл сво­дится к тому, что в процессе развития биологических

особей идет не только их усложнение путем объеди-нения более простых организмов в более сложные, но и процесс дифференциации функций, выполняе­мых отдельными подсистемами, и ведущий затем к изменению структуры этих подсистем для лучшего осуществления своих специфических функций. Про­гресс требует отказа от универсальности, однотипно­сти. Универсальный элемент делает все одинаково плохо. Если пища на торе в примере, рассмотренном в предыдущем параграфе, всегда расположена так, что для обхода клеток с пищей нужен ход шахмат­ным конем, то имеет смысл, чтобы специфическая функция автомата позволяла бы ему прямо выпол­нять это движение в течение одного такта. Но если пища расположена иным образом, то подобное дейст­вие и не нужно.

Коллизия между универсальностью и специфич­ностью, между однородностью и разнородностью есть явление всеобщее, встречающееся всюду. Биоценозы и техноценозы также демонстрируют эту кол­лизию.

Количество рабочих пчел в улье может колебать­ся в довольно широких пределах, и они образуют подсистему, способную прожить самостоятельно, но самка пчелиного улья должна быть всегда одной единственной, и она быстро погибнет, если лишить ее рабочих пчел. Дифференциация здесь зашла уже весьма далеко, и отдельные подсистемы перестали уже быть способными к автономному функциониро­ванию вне той системы, в состав которой они входят.

Однако польза от появления подобных подсистем очевидна. Мы уже говорили в гл. 3 о пользе разно­родности в коллективе автоматов. Ранги рефлексии, уровни пессимизма—оптимизма были первыми по­казателями различий, намечавшихся в подсистемах, которые позволяли неоднородному коллективу более успешно решать стоящую перед ним задачу, чем од­нородному коллективу. Правда, любой из автоматов такого коллектива мог бы функционировать и в оди­ночку. Но это просто означает, что специализация еще не дошла до того рубежа, за которым самостоя­тельное существование отдельной подсистемы стано­вится невозможным. Однако специализация — непре­менный спутник прогресса, ибо только с ее помощью можно уменьшать затраты времени на дости­жение тех или иных целей, стоящих перед ор­ганизмом.

В качестве иллюстрации сказанного рассмотрим, например, эволюцию в области ЭВМ. На первом эта­пе каждая вычислительная машина представляла собой некоторое единое и неделимое целое. Ее про­цессор, память, устройства обмена с внешним миром и управляющая система находились в столь жестких связях, что не могли не только функционировать, но и анализироваться отдельно друг от друга. Все про­цессы в ЭВМ протекали строго последовательно под контролем центрального устройства управления. Та­кую ЭВМ мы можем уподобить некоторой «клетке» в мире вычислительной техники.

Как же происходила эволюция ЭВМ в последую­щие годы? Один путь был связан с усложнением структуры ЭВМ, введением в ее состав новых подси­стем, обеспечивающих для нее возможность выполне­ния новых функций*) (например, графопостроите­лей, которые сделали возможным выводить из ЭВМ не только текстовую, но и графическую информацию, или появление в составе ЭВМ датчиков случайных чисел, позволяющих использовать при решении задач методы, опирающиеся на случайные распределения). Эти подсистемы, увеличивая сложность «клетки», не меняли принципиально условий ее существования. Но это усложнение вело к усложнению управляющей системы, на плечи которой падало все больше задач. И наступил момент, когда операционные системы ЭВМ (а именно они, как правило, выполняют роль центрального блока управления всеми процессами, протекающими в ЭВМ) стали самым узким местом. Появились грозные признаки того, что усложнение структуры ЭВМ приведет в тупик. Все чаще и чаще возникали ситуации, которые специалисты по опера­ционным системам называют дедлоками (ловуш­ками). Это такие состояния, когда требования раз­личных процессов, протекающих в машине, предъяв­ляют к операционной системе разноречивые требова­ния, и она не знает, что ей делать.

*) Эти подсистемы могут быть реализованы и в виде про­грамм.

Стало ясно, что при централизованном управле­нии дальнейшее усложнение структуры ЭВМ и улуч­шение ее функционирования уже невозможно.

Переход к комплексированию ЭВМ был тем сле­дующим шагом в эволюции, который надо было не­избежно сделать. Синтезогенез сработал. Вместо «одноклеточного» вычислительного устройства появи­лись «многоклеточные». Эти образования могли иметь различную структуру. На рис. 6.4 показаны некоторые типы структур комплексов ЭВМ. На рис. 6.4, а приведена структура с центральной ЭВМ 1, которая выполняет роль центрального управляю­щего устройства для ЭВМ 2, 3, 4, на рис. 6.4,6 мы видим смешанную структуру, а на рис. 6.4, в — де­централизованную, в которой все ЭВМ равноправны. Важно отметить, что даже в централизованной струк­туре возникает некоторая децентрализация. Цент­ральная ЭВМ не все время ведет процессы в подчи­ненных ей машинах. Она лишь инициирует в них начало некоторых процессов, синхронизует протекаю­щие процессы между собой и производит обмен ин­формацией между процессами. А в остальном маши­ны, входящие в систему, действуют самостоятельно. И это направление эволюции подтверждает правильность отказа от пути йогов, о котором говорилось в гл. 5.

Интересно отметить, что децентрализованная структура, показанная на рис. 6.4,в, демонстрирует возможность введения в структуру «организма» не­специфического централизованного управления. По­казанный на этом рисунке пунктиром блок синхро­низации К. может по специальной кольцевой шине передавать сигнал одновременно всем ЭВМ, образую­щим систему. Это может быть, например, сигнал пре­рывания всех вычислений для приема новой внешней информации, или для повторения вычислений, или для тестовой проверки. Но такой центральный уп­равляющий блок может и отсутствовать. Тогда син­хронизация работы децентрализованной системы бу­дет осуществляться по типу кольца стрелков, о чем было рассказано в гл. 5.

Кроме этого основного пути эволюции ЭВМ при­близительно в те же годы развивался и еще один путь — создание ЭВМ на основе однородных клеточ­ных структур, о которых мы также говорили в гл. 5. Этот путь был связан с идеей синтезогенеза в чистом виде. Предполагалось, что однородность и универ­сальность отдельных подсистем (автоматов, находя­щихся в клетках однородной структуры с потенци­ально однотипными связями между ними) позволят улучшить характеристики ЭВМ. Однако этого не произошло. Ибо сегрегациогенез оказался куда более эффективным в отношении этих характеристик.

И следующий шаг в эволюции ЭВМ — комплексирование не однотипных, а узкоспециализированных подсистем, причем для каждой из них четко опреде­лены те функции, которые она реализует. Сначала это привело к структурам того же типа, что и пока­занные на рис. 6.4. Отличие состояло лишь в том, что ЭВМ, входящие в систему, стали специализиро­ванными. Например, они могли быть специально со­зданы для обработки символьной информации, рабо­ты с матрицами, предварительной обработки и преобразования сигналов, поступающих от объекта управления, и т. п. Но при этом, как в автоматных моделях с рефлексией или уровнями пессимизма — оптимизма, все такие ЭВМ могли действовать и вне системы, автономно.

При дальнейшем сегрегациогенезе это свойство исчезло. Дифференциация коснулась даже той исход­ной ячейки — ЭВМ, которую мы уподобили клетке. Ее составляющие как бы обрели самостоятельность, и возникла структура, показанная на рис. 6.5. Про­цессоры, блоки памяти, блоки обмена и управляю­щие блоки как бы плавают в некоторой вычислитель­ной среде. Их объединение в структуру происходит динамически, управляющие блоки, получив задание, ищут исполнителей, свободных от работы, и органи­зуют процесс. На рис. 6.5 показан такой момент, когда управляющий блок У1 объединил для решения задачи два процессора П1 и П4, один блок памяти 3₂ и три блока обмена O₁, О₃ и О₅. Одновременно  управляющий блок У2 организовал другой процесс, объединив для этого в структуру процессор Пз, за­поминающее устройство 3₁ и обменное устройство O₁. Задачи управляющие блоки получают из внешней среды. Из той же среды обменные устройства полу­чают исходную информацию. Результаты решения также возвращаются во внешнюю среду. После окон­чания решения задачи структуры «рассыпаются».

В этой структуре сегрегациогенез зашел настолько далеко, что отдельные подсистемы автономно не могут существовать. Лишь объединившись в струк­туру, где обязательно наличие одного управляющего блока и хотя бы одного обменного устройства, свя­занного с процессорами или запоминающими устрой­ствами, наш «организм» сможет функционировать. Способность образовывать структуры под задачи демонстрирует его адаптационные возможности, а специализация отдельных подсистем позволяет реа­лизовать связанные с ними функции параллельно и максимально быстро.

Анализируя прогресс в эволюции, К. М. Завад­ский предложил следующую наглядную схему, пока­занную на рис. 6.6. Есть как бы три возможности в эволюционном развитии биологических организмов. При первом из них арогенезе идет расширение адап­тационных возможностей организма. Он как бы рас­ширяет набор сред, в которых он будет выживать и давать потомство. Этот процесс может идти либо за счет синтезогенеза (как в нашей модели эволюции на тороидальной поверхности), либо за счет сегрега-циогенеза (как, например, в вычислительной среде, дающей возможность решать любые задачи, для ко­торых у системы хватает ресурсов). Заметим, что при наличии тех же ресурсов в рамках единой си­стемы типа, показанной на рис. 6.4, а, не удалось бы, например, организовать одновременное протека­ние двух процессов, показанных на рис. 6.5.

Если арогенез есть расширение адаптационных возможностей системы, то аллогенез есть смена неко­торых функций, реализуемых организмом, на новые, экологически равноценные. Другими словами, при аллогенезе происходит как бы смена одной экологи­ческой ниши на другую, более выгодную для выжи­ваемости организма. Такое явление можно наблю­дать не только в биологии, но и в технике. В эпоху клавишных вычислителей, предшествующую появлению ЭВМ, они использовались в основном в научных расчетных бюро. ЭВМ вытеснили их оттуда, но они нашли свою экологическую нишу в бюро технико-экономических расчетов, которым невыгодно пользо­ваться услугами ЭВМ. Самолеты в свое время вы­теснили дирижабли, но похоже, что горячие поклон­ники дирижаблей нашли для них новую подходящую нишу в современном техноценозе, и в ближайшее время мы, возможно, вновь увидим в небе их непо­вторимые силуэты.

Наконец, телогенез — это как бы обратная сторо­на арогенеза. При телогенезе происходит очень глу­бокая адаптация к заданному состоянию экологиче­ской среды, которая достигается глубокой специали­зацией организма. Примеры телогенеза в технических системах очевидны. Практически все узкоспециализи­рованные системы могут рассматриваться с этой точ­ки зрения. Первобытное рубило, пригодное для всех случаев жизни, постепенно породило огромное количе­ство рубящих инструментов, многие из которых при­годны для выполнения очень конкретных работ, но не могут использоваться для чего-либо иного (например, колун, если только не использовать его обуха для за­бивания чего-либо).

Арогенез, аллогенез и телогенез — это не альтер­нативные пути эволюции. Они действуют согласован­но и одновременно. Доминирование любого из них может оказаться в развитии некоторого организма временным и преходящим. Но все эти пути направ­лены на единственную цель — улучшение адаптации .организма к данной среде и, как следствие этого, .увеличение его выживаемости в ней. И сказанное .вполне можно перенести на технические системы.

§ 6.3. Эволюция в городе Едгин

Странное название города есть обратное прочтение слова «нигде». Город этот придумал английский пи­сатель С. Батлер во второй половине XIX века. В ан­глийском написании название этого города, совпада­ющее с названием романа, выглядит как «Erehwon».

Роман С. Батлера утопический. Герой романа, молодой человек по имени Хиггс, путешествуя в го­рах, попадает в необычный город. Его жители живут по законам, противоречащим нормам морали и юриспруденции, которые господствовали в Европе того времени. Например, болезни и несчастья, кото­рые случаются с жителями Едгина, приравниваются к преступлениям. И за это судят и наказывают. Рож­дение ребенка также не является радостным собы­тием, и дети, когда они вырастают, вовсе не благо­дарны своим родителям за то, что те даровали им жизнь. Но зато все жители города Едгин красивы, веселы и жизнерадостны. Хиггса они принимают с распростертыми объятиями, но вскоре сажают в тюрьму,

Причина столь странного поступка — наличие у Хиггса часов. Почему часы испугали местных жите­лей, Хиггс узнает существенно позже, из рассказа дочери начальника тюрьмы Ирем. И эта причина имеет непосредственное отношение к теме нашей книги.

Но прежде чем говорить об этом, необходимо не­сколько слов сказать о самом Самуэле Батлере. В его богатой событиями жизни, наполненной разнообраз­ными интересами и пристрастиями, было одно мно­голетнее увлечение. И это увлечение — попытка по­нять суть эволюционного процесса. Чарльз Дарвин и его фундаментальная теория происхождения видов сыграли в этом огромную роль. Сначала С. Батлер принял его теорию целиком, но позже наступил пе­риод, когда его стали одолевать сомнения. Наиболее сомнительным положением дарвиновской теории для Батлера было то, что течение такого процесса, как биологическая эволюция, возможно только за счет случайного взаимодействия и случайных мута­ций. Он был глубоко убежден, что процесс этот дол­жен быть целенаправленным*). Но кем он направ­ляется? С. Батлер был рационалистом, он критиче­ски относился к религии, неоднократно высмеивал в своих произведениях церковные порядки и религиоз­ные догмы. Но в своих книгах, посвященных модели эволюции («Жизнь и привычка», 1877, «Старая и новая эволюция», 1879, «Бессознательная память», 1880 и «Случайность или хитрость как главный ис­точник органических изменений», 1886), С. Батлер выступал против идеи Дарвина о вероятностном ха­рактере эволюции. И одним из его аргументов была принятая им концепция технической эволюции. По­жалуй, впервые эта концепция появилась в статье С. Батлера «Дарвин среди машин», опубликованной в 1863 г. Уже в ней он указывает на то, что чело­век выступает в технической эволюции как звено, привносящее в эволюционный процесс цель и рацио­нальность. В романе «Едгин» эта идея раскрывается во всей своей глубине.

*) Идею о направленности эволюции, ее рациональности рбосновывал и академик Л. С, Берг, создавший теорию номо­генеза.

Герой романа постепенно узнает, что раньше в Едгине существовал богатейший техноценоз, создан­ный учеными и техниками для обслуживания жите­лей города, облегчения их труда и дальнейшего раз­вития науки и техники. Но, возникнув, техноценоз стал подобен раковой опухоли. Из «Трактата ма­шин», попавшего к нему в руки, Хиггс узнает, что развитие техноценоза шло так быстро, что люди по­степенно из хозяев положения стали превращаться в рабов созданной  ими машинной  цивилизации. С точки зрения машин люди превращаются в насеко­мых, опыляющих и оплодотворяющих технические устройства, живущие своей независимой жизнью. И, верный своей задаче критики современного ему общества, С. Батлер восклицает: «Сколько людей и теперь живут, как рабы у машин? Сколько людей проводят всю жизнь от колыбели до могилы, служа машинам и днем и ночью?»

Так происходит и в Едгине. Все развивающееся множество машин прекрасно приспосабливается к функционированию в создаваемой специально для них среде. Они поглощают массу энергии, которую для них необходимо производить, требуют постоян­ного ухода за собой. Все большие массы жителей города должны отдавать свое время машинам, об­служиванию их, конструированию новых машин, подготовке для них рабочих мест. Чем бы это кончи­лось для города, возникшего в воображении С. Батле­ра, неизвестно. Писатель своей волей обрывает ла­винообразную техническую эволюцию в Едгине. Находится ученый, который строго доказывает, опи­раясь на теорию Дарвина об естественном отборе и идею целенаправленности эволюции Батлера, что жители города весьма скоро будут полностью поко­рены машинами и в результате сегрегациогенеза потеряют возможность существовать самостоятельно. Результатом этого выступления было уничтожение всей техники в Едгине и запрещение создавать в будущем какие-либо механизмы. И лишь в музее хранятся остатки некогда уничтоженных порождений эры техногенеза, напоминая жителям города о ми­нувшей опасности.

Для нас интересно отметить те особенности тех­нических систем, возникших в процессе эволюции по воле человека, которые отмечает С. Батлер. Во-пер­вых, это достижение цели любыми средствами. Ло­гика действий технического устройства отлична от логики действия человека. Во-вторых, развитые тех­нические системы требуют от человека, участвующе­го в управлении ими, узкой специализации, при ко­торой коллектив управленцев связан между собой только информацией, выдаваемой ему технической системой. Первое положение мы уже обсуждали в гл. 5, когда говорили о трудностях, связанных с со­зданием общих законов управления, которые могли бы компенсировать логику «машинных рассуждении». Что же касается второго положения, то тут писатель был бы совершенно прав, если бы не возникала воз­можность заменить человека-управленца соответст­вующим техническим устройством. А именно эта идея и была обсуждена в гл. 3 и 4 (а отчасти и в гл. 5) книги. Образ рабочего на конвейере, столь ярко сыгранный в бессмертном фильме Чарли Чап­лина, показывает, что опасения С. Батлера были не­безосновательны.

В чем-то писатель оказался прав. И когда в кни­ге Р. К. Баландина, изданной в 1978 г., мы читаем: «Но даже техника — наше создание, над которым мы безраздельно господствуем,— одновременно имеет над нами значительную власть. Мы сейчас столько же зависим от нее, сколько от остальной природы. Мы употребляем в пищу техногенные (искусственно вы­веденные и взращенные) виды животных и сорта растений, причем после обязательной кулинарной, техногенной обработки. Мы существуем среди техни­ки и за счет техники. Мы, безусловно, вынуждены обслуживать технику, заботиться о ней, в какой-то степени к ней приспосабливаться, вынуждены учиты­вать ее возможности и запросы (нередко в ущерб собственным, личным интересам), максимально содействовать ее прогрессу и постоянной работе в оп­тимальном режиме...»*, и тень города Едгин вита­ет перед нами.

*) Баландин Р. К. Геологическая деятельность человече­ства. Техногенез. —Минск: Вышэйшая шкода, 1978, с. 256.

И тем не менее мы, конечно, не можем пойти по пути жителей города, придуманного английским пи­сателем. Технический прогресс нельзя повернуть вспять. Никто из нас не откажется от тех завоева­ний, которые он дал человечеству. Но необходимо очень четко и точно понимать, что в условиях лавин­ного нарастания элементов в различных техноценозах, появления глобальных техноценозов, охватываю­щих практически всю деятельность человека, пробле­мы управления ими становятся самыми главными. И идея децентрализации управления, создания ко­оперированных и коалиционных систем управления — основное направление в управлении техническими сверхсистемами.

§ 6.4. Вместо заключения. Эволюция продолжается

Наша книга подошла к концу. Мы постарались, насколько это возможно в популярной книге, пред­назначенной для широкого круга читателей, расска­зать о путях построения децентрализованных систем управления различного типа. Нам кажется, что ана­логии в этой области, которые нетрудно заметить. между биологическими, организационными и техни­ческими системами, не случайны. Похожее управление возникает из-за сходных условий, складывающихся на объекте управления. И эволюционный путь раз­вития больших технических систем —.одно из ярких свидетельств этого. Поэтому в заключение книги мы приведем еще один пример эволюционного развития технической системы, который идет сейчас на наших глазах.

ЭВМ возникли менее 40 лет назад. В одном из предшествующих параграфов данной главы мы уже говорили об их эволюции. Сейчас в этом процессе реализован еще один шаг, имеющий огромное значе­ние как для самих ЭВМ, так и для человечества. Этот шаг — появление всемирной сети обработки данных. 

Сначала ЭВМ объединялись друг с другом непо­средственно, кабелем. Но потом возникла идея вое-пользоваться для этого каналами связи, которые су­ществуют во всемирной сети связи. Такое решение дало качественный скачок. Если раньше человек, который собирался использовать вычислительную машину для решения интересующей его задачи, знал, какая именно ЭВМ ее решает, непосредственно вза­имодействовал с ней, то теперь он потерял эту информацию. Задача, введенная в сеть, может решать­ся на любой ЭВМ, входящей в нее. И зачастую эта ЭВМ находится территориально весьма далеко от пользователя. Пользователь становится как бы обла­дателем всего ресурса сети, что делает его возмож­ности почти безграничными. Его задача может ре­шаться одной машиной в сети или одновременно не­сколькими машинами. Возможен и такой режим, при котором задача пользователя решается последова­тельно по частям на различных ЭВМ сети. А учиты­вая неоднородность ЭВМ, входящих в сеть, и неод­нородность отдельных частей решаемых задач, такая организация решения может привести к существенно­му повышению эффективности решения.

Первая территориальная сеть обработки данных стала функционировать в 1969 г. в США. Это сеть ARPA, ставшая прообразом многих последующих се­тей. В ней имеется подсеть, состоящая из коммута­ционных процессоров, которая обеспечивает обмен между всеми ЭВМ, входящими в сеть. В отличие от телефонной сети, в которой два абонента связывают­ся друг с другом через коммутацию каналов, в сети обработки данных заявки на связь поступают от ЭВМ в коммутационные процессоры. В заявках указан адресат и абонент. Иногда адресат не указывается, а указываются лишь требования к нему (макисимально допустимое время решения и необходимый объем оперативной памяти для решения задачи). Коммута­ционный процессор при наличии адресата пересыла­ет заявку либо непосредственно ему (если имеется прямой канал связи между этим коммутационным процессором и адресатом и последний способен при­нять заказ), либо в другой коммутационный процес­сор, чье положение на сети обеспечит передачу за­явки на решение нужному адресату. Ели же адресат не указан, то коммутационный процессор сам определяет ту ЭВМ, которой можно передать поступив­шее задание. Таким образом, в сети обработки данных вместо коммутации каналов возникает коммутация сообщений, циркулирующих в сети. Сами сооб­щения в каждом коммутационном процессоре, в ко­торый они попадают, получают как бы транзитную визу. Эти визы помогают потом коммутационным процессорам и сообщениям «вспоминать» свой путь по сети и не терять абонента, который ввел сообще­ние в сеть.

Для облегчения функционирования коммутацион­ных процессоров в сети имеются еще терминальные коммутационные процессоры, задача которых сводит­ся к тому, чтобы служить своеобразным буфером между ЭВМ и подсетью коммутационных процессо­ров. Каждый терминальный коммутационный процес­сор обеспечивает выход к другим ЭВМ — не одной, а целой группе ЭВМ, каждая из которых через свои оконечные устройства — терминалы обслуживает де­сятки и сотни пользователей. На рис. 6.7 показан фрагмент такой сети. На нем зачерненные кружки — оконечные терминалы, большие круги—отдельные ЭВМ. Терминальные коммутационные процессоры ТК. показаны прямоугольниками, а коммутационные про­цессоры К—параллелограммами.

Сеть ARPA развивалась очень быстро. В корот­кий срок она охватила всю территорию США, а вскоре через английский и норвежский узлы связи дотянулась до Европы. В последующее десятилетие стали появляться и другие сети. В США стала функ­ционировать сеть TYMNET, которая предоставляет своим пользователям услуги не только для обработ­ки данных, но и позволяет им черпать информацию из банков данных, где хранится огромный объем ин­формации по самым различным отраслям знаний. Создатели этой сети предполагают, что со временем она сможет оказывать такие же услуги, как и биб­лиотеки. Требование читателя будет поступать в сеть, и читателю на экран дисплея будет высвечи­ваться текст книги. При желании пользователь может заказать этот текст для хранения дома. Тогда он будет выдан ему через печатающее устрой­ство.

Вообще, появление сети обработки данных поро­дило и продолжает порождать новые функциональ­ные возможности использования ЭВМ. Так, одно время в сети ARPA «печаталась газета» по пробле­мам искусственного интеллекта и робототехники. Корреспонденты вводили тексты статей в память сво­их ЭВМ. Далее эти статьи собирались на одной из ЭВМ, которая формировала «газету». Каждый чита­тель мог вызвать себе «газету» на экран дисплея, прочитать ее и при желании отпечатать всю целиком или некоторые особенно интересные для него статьи.

Другое неожиданное применение сеть получила, когда в США происходила одна из конференций по проблемам искусственного интеллекта. В ней участ­вовали ученые не только США, но и ряда европей­ских стран. Необычным было то, что европейские участники при этом находились у себя дома и нику­да не выезжали. Да и американские специалисты не покидали своего места жительства. Все доклады, присланные на конференцию, были введены в сеть, каждый участник мог ознакомиться с наиболее инте­ресными для себя сообщениями и выступить в дис­куссии или задать докладчику вопросы. Выступления и вопросы просто вводились с терминальных уст­ройств в сеть. Докладчики получали их и вводили в сеть свои ответы на вопросы. Самое приятное заклю­чалось в том, что любой участник конференции мог отдыхать в любое время, не рискуя что-либо упус­тить. Более того, из-за различий во времени между США и Европой часть участников конференции активно работала, а другая спокойно спала, чтобы утром включиться в работу с новыми силами.

Но мы несколько отвлеклись от основной канвы. Вернемся к анализу процесса эволюции сети обра­ботки данных. Кроме нескольких сетей в США по­явились общегосударственные территориальные сети в ряде европейских стран. В 1974 г. вступила в строй первая очередь сети CYCLADES во Франции. В 1971 г. был подписан протокол между восемью странами Европы о создании европейской сети обра­ботки данных. В 1976 г. эта сеть начала функциони­ровать в составе пяти узлов коммутации (Лондон, Цюрих, Париж, Милан, Испра). Через Лондон эта сеть соединилась с американскими сетями, возникли узлы в Вене и многих других городах. Некоторые страны Восточной Европы также установили каналы связи с европейской сетью. А сейчас имеется канал, соединивший Москву с несколькими сетями обработ­ки данных в Европе. Ведутся активные работы по созданию территориальной сети СССР. Так происхо­дит эволюция этой новой технической системы, кото­рая сулит человечеству невиданные ранее возможно­сти использования ЭВМ.

И как во всякой системе, возникающей эволюци­онным путем, в системе обработки данных всемирно­го масштаба нет и не может быть какого-либо цент­рального пункта оперативного управления. Все тер­риториальные национальные и межнациональные сети функционируют автономно, независимо от ос­тальных. Согласованное управление достигается де­централизованным способом, подобным тому, кото­рый уже много лет используется в телефонных сетях. Плата за услуги по использованию вычислительных мощностей и каналов связи, а также банков инфор­мации скореллирована с платами за время ожидания обслуживания таким образом, что пропускная спо­собность сети становится весьма высокой и в ряде случаев приближается к максимальной. Вся служеб­ная информация, которая циркулирует между цент­рами коммутации, оформляется специальным образом в виде протоколов обмена стандартного типа, что облегчает подсоединение к сети новых участков и сетей.

Пока еще синтезогенез в мировой сети обработки данных явно доминирует. Но начинают появляться признаки того, что и сегрегациогенез заявляет о сво­их правах. Некоторые участники сети начинают спе­циализироваться на обработке задач определенного типа и создавать технические средства, которые по­зволяли им решать такие задачи наиболее эффектив­но (а значит, и увеличивать свою прибыль). Эта тенденция, по-видимому, будет развиваться и может со временем привести к тому, что отдельные участки сети (прежде всего на территории одной страны) будут терять свою автономность и способность к са­мостоятельному функционированию.

А впереди намечается слияние сети обработки данных с всемирной телевизионной сетью, что даст новые еще даже не предугадываемые возможности. Люди сами творят техническую эволюцию, но в отличие от природы они делают это целенаправленно. И только от них зависит будущее техногенной сферы.

И все слаженнее звучит оркестр систем, порож­денных человеком. Звучит, хотя и не управляется одним дирижером. Ибо нет такого дирижера, кото­рый мог бы управлять столь сложным оркестром. И нам кажется, что прав был поэт Константин Фофанов, который еще в конце прошлого века писал:

«Сильней и глубже век от века
 Земли и мысли торжество.

Все меньше веры в Божество.

 И больше веры в Человека».

 

 ЛИТЕРАТУРА И КОММЕНТАРИЙ

Для тех читателей, которые хотели бы более подробно ознакомиться с моделями коллективного поведения и децентрализо­ванного управления, можно рекомендовать следующие четыре книги.

1. Цетлин М. Л. Исследования по теории автоматов и моделированию биологических систем.—М.: Наука, 1959, 316 с.

2. Варшавский В. И. Коллективное поведение автома­тов.—М.: Наука, 1973. 407 с.

3. Срагович В.  Г. Теория адаптивных систем.— M.I Наука, 1976, 319 с.

4. Цыпкин Я. 3. Адаптация и обучение в автоматиче­ских системах.—М.: Наука, 1968, 399 с.

Все они специально посвящены проблемам, обсуждавшимся нами, хотя авторы двух последних книг и пользуются зачастую другой терминологией для описания моделей и методов, состав­ляющих суть теории коллективного поведения. В этих книгах приведена обширная библиография работ в данной области, ко­торая может послужить отправным пунктом для дальнейших поисков.

Кроме этих основных источников мы бы хотели указать еще на несколько книг, посвященных смежным областям с той, которая исследовалась на предшествующих страницах.

5. Поспелов Д. А. Игры и автоматы.—М.: Л.: Энергия, 1966, 134 с.

6. Поспелов Д. А. Вероятностные автоматы. — М.: Энер­гия, 1970, 87 с.

7. Буш Р., Мостеллер Ф. Стохастические модели обу­чаемости. — М.: Физматгиз, 1962, 483 с.

8. фон Нейман Дж. Теория самовоспроизводящихся авто­матов.—М.: Мир, 1971, 382 с.

В этих книгах читатели найдут многие модели, тесно свя­занные с коллективным поведением и решением задач на одно­родных структурах.

При написании гл. 6 мы использовали ряд работ биологов, специалистов в области теории эволюции. Укажем эти источ­ники.

9.Брайнес С. Н., Свечинский В. Б. О соотноше­нии принципов централизации и децентрализации в биологиче­ских системах управления.— В сб.: «Бионика», Научный Совет по комплексной проблеме «Кибернетика».—М.: 1973, т. 3, с. 17—19.

10. Завадский К. М. К проблеме прогресса живых и технических систем.—В сб.: «Теоретические вопросы прогрес­сивного развития живой природы и техники».—Л.: Наука, 1970, с. 3—28.

11.Рашевский Н. Организмические множества: очерк общей теории биологических и социальных организмов. — В сб. «Исследования по общей теории систем».—М.: Прогресс, 1969, с. 442—461.

Трактат о машинной эволюции С. Батлера, о котором мы говорили также в гл. 6, включен в состав его утопического ро­мана «Едгин». Этот роман на русский язык никогда не перево­дился. Поэтому мы приводим его оригинальные выходные дан­ные, а также указываем современное исследование, специально посвященное сравнительному анализу концепций Батлера и Дар­вина по вопросам эволюции.

12. Butler S. Erewhon. — London: Penguin Books, 1970.— 170 p.

13. Wile у В. Darwin Сh., Butler S. Two versions of evolution.—London: Chatto a. Windus, I960.—130 p.

И, наконец, укажем на ряд работ, из которых мы заимство­вали те или иные модели и результаты и которые не использо­вались еще в основных книгах [1—4].

14. Алексеев М. А.,  Залкинд  М.  С., Кушнарев В. М. Решение человеком задачи выбора при вероятност­ном подкреплении двигательных реакций.— В сб.: «Биологиче­ские аспекты кибернетики».—М.: Изд-во АН СССР, 1962, с. 198—209. (Результаты использованы в § 2.4 при описании опытов с людьми, производящими альтернативный выбор.)

15. Вайсборд Э. М., Розенштейн Г. Ш. О вре­мени «жизни» стохастических автоматов.—Изв. АН СССР:

Сер. Техн. киберн. 1965, № 4, с. 52—59. (В этой работе приве­дена точная модель максимизации «жизни» автомата, которая на уровне внешней интерпретации описана нами в § 2.6.)

16. Филоник С. А., Солнцев С. В. Реализация арифме­тических функций на однородных структурах. — Изв. АН СССР:

Сер. Техн. киберн. 1974, № 4, с. 114—126. (Наш пример умно­жения в столбик, обсуждавшийся в § 5.4, заимствован из этой работы. Кроме того, в данной работе приведен метод умножения, дающий результат существенно быстрее, а также методы деле­ния на однородных структурах.)

17. Варшавский В. И., Мараховский В. Б. и др. Однородные структуры. Анализ. Синтез. Поведение.—М.: Энер­гия, 1973, 140 с. (В этой книге читатель найдет многочисленные примеры использования однородных структур для решения са­мых разнообразных задач.)

Модели голосования, рассмотренные в § 4.6, были исследо­ваны С. Б. Котляр, чьими результатами мы и воспользовались.

  

ОГЛАВЛЕНИЕ

Вместо предисловия ................  3

Глава 1. Как возникает децентрализованное управление?   5

1.1. Искусственный мир ..........   5

1.2. Системы, которые в полном объеме никто не создавал   9

1.3. Несколько поучительных примеров . ...... 13

1.4. Обсуждение примеров ............ 17

1.5. Зачем нужна децентрализация? ......... 21

Глава 2. Просто ли существовать в сложном мире? ... 26

2.1. Парадоксы целесообразности  .  ........ 26

2.2. «Маленькая зверушка» . . . ........ 29

2.3. Линейная тактика—залог успеха  ....... 33

2.4. «Личные» качества автоматов ......... 36

2.5. Как жить в динамическом мире? ........ 40

2.6. «Доживем до понедельника» . ........ 51

2.7. От индивида к коллективу . ......... 55

Глава 3. Согласованность без договоренности . .... 58

3.1. История начиналась в Арбатове ........ 58

3.2. Когда все одинаковые ............ 69

3.3. Распределение ограниченного ресурса . ..... 80

3.4. Что дает случайное взаимодействие ....... 85

3.5. «Он думает, что я думаю...» .......... 94

3.6. Оптимисты и пессимисты в мире автоматов . . . 100

3.7. Еще три простые модели . . ........ 103

Глава 4. Когда «все по справедливости» . ...... 115

4.1. Прав ли был Остап Бендер? . ........ 115

4.2. Дилемма парикмахера и приоритеты . ..... 121

4.3. Как мастер распределяет наряды .  ...... 128

4.4. Проблема нескольких арен . ......... 132

4.5. Задача о жилищной комиссии и родственные ей за­дачи ................... 137

4.6. «Упрямые» автоматы и голосование . ..... 144

Глава 5. Коллектив во времени  ........ 152

5.1. Что такое синхронизация? . . . ....... 152

5.2. Управление стрелками . . . . ....... 155

5.3. Синхронизация и асинхронность . ....... 160

5.4. Гимн однородным структурам  . . ...... 164

5.5. Почему йога — не наш путь? . ........ 173

Глава 6. Диалектика простого и сложного . ..... 178

6.1. Синтезогенез и интеграция усилий  ....... 178

6.2. Сегрегациогепез и его последствия . .    .... 184

6.4. Вместо заключения. Эволюция продолжается . . . 195

Литература и комментарий .......    ..... 201

Предметный указатель   .............. 203