Научно-техническая стратегия государства

§13. Закон повышения адаптивности

Развитие систем происходит путём улучшения их адаптации к изменяющейся в широких пределах среде.

Адаптивность – способность системы приспосабливаться, перестраиваться, менять свою структуру, состояние и функционирование для сохранения или достижения оптимального состояния при изменении внешних условий (или своего внутреннего состояния).

Необходимость адаптации возникает в результате изменения внешних условий, появления новых требований к системе или новых вредных факторов влияющих на систему, или среду её использования, появление новых применений, новых ресурсов или изменения доступности и цен на имеющиеся ресурсы, включение системы в новые надсистемы, изменение масштабов производства и потребления, переход к серийному или массовому производству со своими требованиями.

К основным путям повышения адаптивности систем относят согласование-рассогласование, повышение динамичности, управляемости и интеллектуальности систем.

В процессе развития происходит согласование – рассогласование системы и её подсистем между собой, с надсистемой и/или с другими системами для оптимизации её работы.

Согласование – это приведение основных параметров к определенным значениям, обеспечивающим наиболее эффективное функционирование, условия для лучшего прохождения нужных потоков и протекания нужных процессов. Например: согласование частот на которых работает передатчик и приёмник, настройка пианино, согласование входного и выходного сопротивлений в электронных устройствах.

Рассогласование – целенаправленное изменение отдельных параметров, обеспечивающее предотвращение вредных процессов и потоков, а также получение дополнительных полезных эффектов. Например: расположение пешеходного перехода выше или ниже автомобильной дороги,

Согласование проявляется уже при создании системы, когда идёт подбор необходимых подсистем, образующих основную функциональную цепочку. К подсистемам, помимо требования обеспечения минимальной работоспособности, предъявляется требование совместимости друг с другом, поэтому случается, что подсистема, наилучшим образом выполняющая свою функцию вне системы, оказывается не лучшей для создаваемой системы. При этом часто возникает типичное противоречие: согласование одних параметров приводит к ухудшению согласования других.

Согласованию—рассогласованию подлежат любые параметры технических систем, в том числе материалы, формы и размеры, ритмика действия, структура, энергетические, информационные и другие потоки и т. п.

Часто система должна обладать определёнными параметрами в одном режиме (например, при функционировании) и другими параметрами в другом режиме (например, при транспортировке). Это противоречие разрешается превращением прежде постоянного, неизменяемого параметра в переменный, изменяемый. Повышение динамичности даёт системе возможность сохранять высокую идеальность при значительных изменениях условий. Примеры: кресло с регулируемой высотой, крыло с изменяемой геометрией, печь с регулятором температуры. Идёт переход к системам с увеличенным числом степеней свободы, с повышением возможностей к изменениям. Например, использование микропроцессоров породило в приборах огромное количество настроек, задаваемых пользователем или автоматически.

Динамичность не может быть реализована без управляемости. Это предусматривает такие стадии, как принудительное управление, автоматическое управление, и, наконец – самоуправление. Системы эволюционируют от некоторых жёстких, стабильных, неизменяемых устройств для выполнения заданных ограниченных функций к более «умным», вплоть до моделирующих самих себя, своё окружение, и даже то, как воспринимает их интеллектуальное окружение.

§14. Закон развития отношений человек-техника

Развитие технических систем идёт в направлении их приспособления к человеку, и наоборот, приспособления к ним человека.

Это приспособление идёт в нескольких направлениях. Основным из них является передача технике функций, которые ранее выполнял непосредственно человек, используя свои органы. Происходит вытеснение человека из процесса труда, передача все большего количества все более важных функций непосредственно машинам и устройствам. В начале автоматизации какого-либо процесса деятельность человека часто заменяется устройствами, выполняющими те же операции и тем же человеческим способом. Затем происходит отказ от «человеческого» принципа работы, от технологии, рассчитанной на человеческие возможности и интеллект.

Технические системы постоянно развиваются в направлении все большего приспособления к человеку, все лучшего удовлетворения его потребностей. При этом в систему добавляется множество вспомогательных функций, например, защита системы от среды и защита среды от системы, безопасность, удобство, роскошь и т. п. Создаётся множество обратных связей, систем адаптации, настройки, самонастройки и т. п. Система становится все более «полной». Полная система не нуждается вообще в участии человека. Несмотря на локальные успехи автоматизации, подавляющее большинство существующих систем по сей день неполно. Недостающие части замещает человек, но по мере развития системы все большее количество функций передаётся системе, полнота её растёт.

В то же время, идёт и вовлечение человека в технику, расширение контактов между ним и техническими устройствами, их адаптация к человеку. Вытеснение человека из технической системы в роли исполнителя некоторых функций нередко сопровождается все более глубоким «втягиванием» человека в систему как разработчика. То есть, человек вытесняется из рутинной работы и втягивается в творческую. Техника вторгается в отношения между людьми, и, наконец, используется для усовершенствования естественных элементов и процессов в человеке. Нарастает физическое взаимопроникновение техники и человека, и, наконец, идёт переосмысление понятия о человеке с развитием техники.

В какой-то момент передача функций технике достигает такой полноты, что идёт обратный процесс – ранее адаптированные для человека элементы исключаются за ненужностью, уступают место элементам взаимодействия машина-машина. Примеры: значительное упрощение беспилотного самолёта по сравнению с пилотируемым, появление кумулятивных снарядов, противотанковых мин, электромагнитных бомб – бесполезных против человека, но ориентированных на противоборство машин.

Для существования любого живого организма необходимо выполнение многих функций, типа пищеварения, поддержания приемлемой температуры тела, защиты от врагов, перемещения и т. п. У всех существ, кроме человека это осуществляется за счёт органов. Только люди научились передавать большую часть этих функций созданным ими искусственным системам – и за счёт этого многократно форсировать результативность выполнения этих функций.

В частности, развито искусственное пищеварение – приготовление пищи с использованием различных механических, термических и химических процессов. Защита от действия окружающей среды происходит за счёт одежды, костров, домов, печей, кондиционеров, фильтров и т. п. Общение обеспечивается за счёт письменности, почты, телефонов, средств массовой информации, Интернета. Защита от болезней идёт за счёт развития санитарии и медицины. Развитие мышления происходит за счёт накопления, распространения и обработки информации – науки, баз знаний, компьютеров.

Появляются также устройства типа очков, слуховых аппаратов, кардиостимуляторов, робоскелетов и т.п., которые не замещают некоторые органы, но помогают им работать эффективнее. Появляются уже и полностью искусственные части организма – костыли, палки для опоры при ходьбе, позже – протезы органов, искусственные органы типа «искусственной почки» или протеза сердца.

Развитие техники меняет и само окружение человека от природного, случайного, неизменного к более адаптивному. На смену дикому, хаотическому, опасному окружению в котором жили наши предки, пришло на смену окружение, защищающее от наиболее опасных или неприятных внешних воздействий – изменений погоды, животных и паразитов, враждебных действий других людей и т. п. На сегодняшнем этапе техника формирует окружение, согласованное с индивидуальными требованиями конкретных людей.

Начинает появляться окружение динамично меняющееся, настраивающееся на оптимальное соответствие меняющимся требованиям людей (голосовые помощники, умные дома). Следующим шагом эволюции является окружение, активно «сотрудничающее» с людьми или конкретным человеком (например, компьютер, не только настраивающийся на человека, но и «угадывающий», что пользователь хочет и помогающий ему)

§15. Закон роста упорядочивающей способности

Развитие систем сопровождается увеличением их способности упорядочивать обрабатываемые изделия.

Всё, что нужно от техники – это порядок: чтобы все было так, как мы хотим. Нам нужны не еда, воздух и отопление, а определённый порядок в наших внутриклеточных растворах. Не столы, а определённый порядок в положении предметов, не станки, а определённый порядок атомов в продукции.

Способность к упорядочиванию является общим признаком живых и технических систем. Термодинамика позволяет делать это только ценой ещё большего разупорядочивания вокруг (роста энтропии). Системы потребляют порядок (измеримый в битах) и, с тем или иным КПД, сообщают его изделию.

Система сообщает изделию много информации, если параметры продукции на ее выходе являются очень стабильными, несмотря на большой разброс входных параметров (размер заготовок, температура, напряжение питания, точность сборки самой системы, квалификация персонала). Создание конкретной системы вообще становится возможным, когда «окошко» допустимых для ее работы входных параметров перестаёт быть «нулевым». Развитие происходит путём его расширения. Системы становятся все более всеядными и неприхотливыми. Но на выходе дают все более стандартные, чистые, точные, однородные продукты, что создаёт возможность для появления новых пока ещё капризных к входным параметрам систем. Например, без прогресса в области очистки полупроводников нельзя было создать транзисторы из-за их высокой чувствительности к малейшим примесям в материалах.

Повышение потока порядка к изделиям идёт путём последовательного устранения его неоправданных потерь. Например, в XIX веке русский изобретатель ракет К. Константинов смог добиться точности попадания, когда обнаружил и устранил «источники недостаточного порядка» – «разнобой» в ручном изготовлении корпусов и составе пороха.

В первую очередь, порядок поступает в систему с энергией. Но кроме этого, обязательно должно быть упорядоченным положение каждой ее части относительно других в пространстве и времени.

Например, станок, опирающийся ножками о пол цеха, благодаря действию силы тяжести и реакции опоры базируется в определённом положении. Это базирование (силовой отклик на перемещение по закону Гука) сквозь разные детали доводится до каждого мельчайшего элемента машины. Базированию заготовок на столах станков посвящено множество литературы. Там есть свои помехи – неточности изготовления, силовые нагрузки. Есть и свои барьеры к смещению деталей и заготовок под действием этих нагрузок. Ошибки, вызванные неопределённостью базирования, непосредственно сказываются на качестве изделий.

Другой поток порядка – работа системы управления, то есть синхронизации работы разных частей машины во времени или по состояниям. Сигналы управления могут содержать ошибки и даже злонамеренные фрагменты. Машины нуждаются в своего рода иммунной активности – способности отличать пользователя от взломщика, выбраковывать помехи и ложные данные.

В машину вместе с сырьём поступает и такой вид, «материальных помех», как брак, мусор, неадекватные виды сырья, посторонние предметы, вода, руки оператора, пыль, влажный воздух, насекомые – все это нужно не пускать в машину, а если попало внутрь, то организованно выводить. И наоборот: не создавать лишнего беспорядка вокруг себя, не выпускать из машины дым, излучения, шум, помехи.

Есть в технических системах и другие источники порядка: подача чистых растворителей и технологических жидкостей, действия связанные с ремонтом или регенерацией ее частей, проектированием, производством, диагностикой, отладкой, обслуживанием и утилизацией машины.

§16. Закон роста информационного КПД

Развитие систем идёт в направлении роста информационного КПД – отношения количества порядка (информации) сообщаемой системой изделиям к связанному с ее работой повышению энтропии во внешней среде.

Любая система принимает столько же энергии, сколько и отдаёт. Системы, принимающие энергию, и не выдающие столько же, будут неминуемо нагреваться (это происходит при коротком замыкании). Энергия служит лишь носителем порядка (или, что тоже самое, информации), часть которого машина оставляет в обрабатываемом изделии.

Техника возможна там, где возможны устойчивые состояния и целенаправленные переходы между ними. Но среди помех – вибраций, полей, пыли, вспышек, скачков давления и температуры устойчивыми являются только состояния, разделённые энергетическим барьером, достаточно высоким по сравнению с энергией помех. Для преодоления этих барьеров при работе системы используют соответствующие порции энергии. После каждого преодоления барьера порция энергии должна быть необратимо рассеяна чтобы сделать сам совершившийся переход необратимым. Так достигается целенаправленная смена состояний.

Отношение высоты энергетического барьера между состояниями системы к средней энергии помех имеет размерность информации. Таким образом, по существу, технические системы потребляют не джоули (ватты), а биты (биты в секунду). Бит пропорционален джоулю разделённому на кельвин. Обычно машины работают в узком довольно диапазоне масштабов температур и кельвины как константа сокращаются. Потому обычно полезно рассуждать и о джоулях, тогда как на самом деле идут потоки бит.

Упорядоченное вещество (электроны с разной концентрацией на контактах розетки), создаёт упорядоченное поле. Упорядоченное поле в свою очередь действует на вещество упорядочивающим образом. Цепочка заканчивается упорядочиванием изделия или какой-то его части. Изделием здесь может служить как вещество (для пилы) так и поле (для фонаря). Отслеживая такие цепочки, мы видим, как именно движется порядок, то есть информация, по технической системе.

Потоки энергии служат только носителем, который позволяет передавать информацию в заданном количестве при заданной температуре машины согласно уравнению Гиббса. Сама же энергия, сколько бы ее ни было, в состоянии равновесия (например, теплового) – для целесообразной деятельности не только бесполезна, но вредна, создавая помехи и заставляя нас повышать барьеры на путях переходов между состояниями машин.

В мире присутствует неравномерное распределение энергии по степеням свободы, и она самопроизвольно и необратимо распределяется равномерно. Только так и возможны целенаправленные переходы между состояниями систем. При этом расходуются конкретные объекты – пары степеней свободы системы с неравным наполнением энергией.

Каждой паре из энергетически богатой и бедной степеней свободы соответствует некоторое количество бит информации. Оно зависит от температуры, то есть фоновых помех. Фотон инфракрасного света с энергией, скажем, 0.1 эВ несёт много информации (Дж/К) при температуре жидкого гелия, но ничтожно мало при температуре кипящего вольфрама. Можно предположить, что техника будущего станет стараться работать при глубоко криогенных температурах, потому что при низком уровне тепловых помех (kt), на один джоуль мы можем сделать больше полезных шагов через барьеры, сформировав в изделии больше бит порядка. К счастью, в космосе достаточно холода для этого.

Таким образом, в машине обязательно присутствуют потоки материи и энергии, а по ним идут потоки информации. Если потоки материи и энергии проходят сквозь машину, то поток информации частично передаётся изделию, а частично рассеивается прочь.

Информационный КПД (ИКПД) – отношение информации, сообщённой изделию, к информации, принятой извне. Увеличивая ИКПД, мы доводим бОльшую часть информации до изделия. Тем самым, мы уменьшаем потребность в информации на входе машины. Таким образом она может нуждаться в меньшем количестве энергии при том же уровне помех. Либо потреблять столько же ватт, но стабильно работать и при гораздо более высоких уровнях помех, то есть быть надёжнее. Либо, при прочих равных, сообщать изделию больше информации, что напрямую связано с качеством продукции.

Наблюдаемое в истории техники снижение энергоёмкости, повышение точности, повторяемости, кучности боя, надёжности, информационной насыщенности изделий являются следствиями повышения их ИКПД.

Мы не видим обычно этих закономерностей: миллиардную долю трудно отличить от триллионной. ИКПД известных нам машин чудовищно мал, минус двадцатые степени, за исключением вычислительной техники и биотехнологии. Там уже ИКПД достигает миллионных, а то и тысячных долей процента. Закон повышения ИКПД свидетельствует, что и у других областей техники есть потенциал такого же грандиозного развития какое претерпели микрочипы.

Смену ламп накаливания на светодиоды мало кто предвидел. А с точки зрения данного закона этот переход самоочевиден. Как и следующие переходы: вообще не освещать поверхности, на которые в данный момент никто не смотрит, а если смотрит, то сканировать штучными количествами квантов и подавать в сетчатку глаза то изображение, которое при этом предполагается увидеть. Очевидно, это в миллиарды раз экономичнее светодиодов.

Везде, где мы сегодня что-то греем, можно почти не греть. Везде, где выделяется какое-то тепло, скорее всего, это происходит зря. Где что-то смешивается, рассыпается, – эти этапы, скорее всего, стоит исключить. Например, от современной медицины, которая лечит человека как целое, создавая хаос на уровне клеток (при хирургии, химио- и радиотерапии) можно предположить переход к «поклеточной» микромедицине, которая учитывает координаты каждой клетки и бережно их подвигает если надо сделать. И далее – к молекулярной наномедицине в стиле Р. Фрайтаса, где мы уже без необходимости не тревожим даже единичные молекулы белков.

То же можно сказать и об ИКПД человека. Чтобы написать статью в 10 килобайт, человеку нужно потратить некоторое число калорий, то есть превратить сотни грамм глюкозы в углекислый газ. Молекула глюкозы гораздо сложнее, чем образующиеся при ее окислении молекулы воды и углекислого газа. Атомы в ней имеют более или менее чёткие относительные координаты. А продукты реакции хаотически разлетаются во всех направлениях.

Энергия никуда не пропала – рассеявшись при работе нейронов она направилась на обогрев помещения. А вот информация, заключавшаяся в структуре молекулы утрачена безвозвратно. Как исчезает информация о том, в какой части цилиндра находилась конкретная молекула пара до того, как передвинула поршень.

Термодинамические расчёты свидетельствуют, что окисляя одну молекулу глюкозы мы бесповоротно уничтожает около 240 бит информации. Примерно столько, нужно чтобы описать взаимное положение всех 24 атомов глюкозы с учётом допусков, заданных длинами связей.

То есть, за день человек может выдать 10⁵, а погубить более 10²⁵ бит. Больше, чем создано человечеством за всю его историю! Притом, что наш организм – весьма продвинутая машина по меркам современной техники.

§17. Закон двухчастной структуры

Системы состоят из упорядочивающей и разупорядочивающей частей.

Рабочая часть системы упорядочивает один фрагмент окружающей среды (превращая сырье в продукт), а служебная – разупорядочивает ради этого другой (более крупный). Эти части сильно отличаются друг от друга по структуре и подходам к проектированию.

Рабочая часть из безликой заготовки делает продукт. Служебная часть всё «портит»: сжигает бензин, превращает электричество в тепло, чистые смазочные материалы в грязные – все ради того, чтобы обеспечивать функционирование рабочей части.

Рабочая часть состоит из подсистем ввода-вывода, преобразования и перемещения ресурсов. Служебная часть состоит из подсистем, подводящих к рабочим модулям информационные потоки и отводящих энтропийные, обеспечивающих поддержание структуры машины в пространстве и времени и постоянство (или нужную динамику) ее состава.

Подсистема менеджмента информационных потоков (содержащих высокоупорядоченные виды энергии или материи) – электричества, сжатого воздуха, топлива, пороха и др. обеспечивает их поставку каждому из рабочих модулей. К ней относятся также функции проверки качества, защиты от помех, преобразования, распределения каждого из этих потоков и питания им всех подсистем машины.

Подсистема менеджмента энтропийных потоков необходима потому, что после того, как мы упорядочили что-то в изделии, использованная при этом энергия стала беспорядочной (обычно – тепловой) и её нужно отвести из машины – через раму, обшивку, воздушное пространство, теплоотводящую сеть, и т. д. Сюда относится и удаление материальных отходов, брака, вышедших из строя компонентов, мусора, воды, посторонних предметов, пыли, заземление для сброса лишних зарядов и напряжений и др.

Подсистема менеджмента пространственной структуры обеспечивает базирование, фиксацию, т.е. пространственную (силовую) синхронизацию всех подсистем машины с надсистемой, в которую она входит. Это как бы скелет, куда крепятся все другие модули данного системного уровня, как служебные, так и рабочие.

Подсистема менеджмента временной структуры обеспечивает управление (приведение в действие частей машины в нужные моменты времени, в зависимости от определённых условий) и обмен сигналами с надсистемой, с отладчиком, оператором. Она обрабатывает данные с рабочих модулей, и выполняет всю информационную работу. Для неё рабочие модули – это чёрные ящики. Она также мониторит состояние служебной части, и, возможно, обесточивает её если есть аварийные признаки. На неё могут возлагаться функции статистики, диагностики, тестирования.

Подсистема менеджмента состава системы обеспечивает ее первоначальное изготовление, ремонт и утилизацию. На современном уровне развития техники она обычно включает в себя человека (с системой заводов), а также пространство, через которое он может подобраться к разным участкам машины с инструментами. Но не всегда: системы автоматической смены инструментов, автоматического залечивания пробоин создаются уже сегодня. В развитом виде она включает в себя функцию иммунитета: распознавание штатных и нештатных объектов, воздействий, ситуаций и реагирование на них. Это антивирусы, контрольные видеокамеры, распознаватели брака, детекторы несанкционированного вскрытия, диспетчеры паролей и обычные замки с ключами.

Полноценными частями этой системы являются поверхность обшивки и пустой внутренний объем, через который одни воздействия на машину избирательно проходят (ремонтные, диагностические, руки наладчика, свет сигнальных огней, свет отражённый от поверхностей для любующихся машиной зрителей) а другие нет: пыль, мусор, действия хакеров и вандалов… Пустота – важная деталь машины. Ей обычно надо быть проводимой для тепла, для света (чтобы было видно что происходит внутри), она должна быть проницаема для рук и инструментов.

К этой системе относятся места для доступа сборочных и контрольных инструментов, технологические отверстия, путей подвода фрез и сварочных электродов. Она обеспечивает возможность первоначально произвести и перестраивать техническую систему в зависимости от ситуации, расширять и развивать (слоты расширения, разъемы для перепрошивки, пустое место с крепёжными планками для дополнительных модулей, кронштейны для навесного оборудования).

Подсистемы служебной части самых разных систем часто бывает одинаковыми, типовыми для достигнутого обществом уровня техники. Например, система «розетка-вилка-шнур-предохранитель-блок питания», типична для многих тысяч технических систем – от пылесоса до лазера. Из-за того, что служебная часть мало зависит от конкретики рабочей части, она легко может адаптироваться к ней как при начальном проектировании, так и при внесении изменений.

Это позволяет использовать одну и ту же служебную часть для обслуживания всех рабочих модулей (как одна система кровообращения снабжает все органы). Она детально проектируется после рабочих модулей, так как обладает высокой адаптивностью и гораздо легче подстроить ее под рабочую часть, чем наоборот. Рабочие модули соединяются со служебными при помощи, типовых внутренних интерфейсов. Один и тот же интерфейс для рабочего модуля является служебным (приносит порядок), а для служебного – рабочим (уносит порядок). По ним, как по пуповине подаётся все нужное и отводится все ненужное.

При этом целесообразно, насколько это возможно, соединять рабочие модули только через служебную часть, которая изолирует рабочие модули от паразитных перекрёстных связей и необходимости согласования (инкапсуляция). Это обеспечивает лёгкую замену и модернизацию рабочих модулей. Их можно отдельно и независимо разрабатывать, собирать отлаживать, испытывать, перемещать. Конструкторам модулей не надо ни ждать друг друга, ни вообще обмениваться информацией.

Это позволяет избегать тупиков когда мы не можем спроектировать А потому что не знаем, каким будет Б и не можем спроектировать Б без готового А, а также избегать порочных кругов и разбегающихся по системе «волн исправлений»: доработали А, от этого поменялось Б, а это опять вызвало изменение в А.

В служебной части сосредоточена большая часть сложности системы, так как каждая ее подсистема взаимодействует с каждой: нужен и подвод электричества к вентилятору охлаждения, и теплоотвод от системы смазки и т. д. Получаются матрицы с сотнями связей.

Поэтому мысленное разделение рабочей и служебной части разгружает от этой сложности конструкторов рабочих модулей, давая им сосредоточиться на главных функциях машины. Затем, благодаря высокой адаптивности подсистем служебной части, справиться с ее типичной сложностью оказывается посильным.

У каждого рабочего и служебного модуля есть собственные рабочая и служебная часть – и так на каждом уровне архитектуры машины. Своими служебными частям дочерние модули подключаются к служебной части материнской системы, иерархически наследуя интерфейсы: охлаждения, управления, питания, базирования, отвода мусора и так далее – что обусловливает древовидную структуру машины.

В ходе развития систем каждый компонент не только рабочей, но и служебной части начинает обрастать собственной служебной частью, формируя иерархии произвольного уровня. То есть, скорее всего, в будущем мы увидим такие вещи как:

– Провода, потребляющие энергию чтобы активно охлаждаться, мониторить своё состояние, залечивать повреждения…

– Теплоотводы с активной защитой от взлома…

– Маслопровод, способный извиваться, избегая травм.

Сам этот шаблон довольно общий и применимый при создании самых разных машин. Он похож на классификацию систем организмов в биологии, на социальные системы. Большинство систем организма имеют аналоги в служебных подсистемах, а единственной рабочей является система размножения.