Текст книги "Информатика для медиков"

ГЛАВА 3
ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ В ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ О МИРЕ

Материальный мир имеет чрезвычайно сложную иерархическую структуру, хотя, по-видимому, существует и развивается по единым простым правилам. Его изучением занимаются различные, в том числе далекие друг от друга естественные науки.

Существует самостоятельная наука — общая теория систем. По сути, ее следует именовать метатеорией, поскольку в иерархии наук она занимает место между естественными (физическими, биологическими и т. д.) науками и такой общемировоззренческой наукой, которой является философия.

Автором общей теории систем принято считать Л. фон Берталанфи, однако на самом деле ее основоположником является наш соотечественник А. А. Богданов (Малиновский) (1873 – 1928) – врач, философ и общественный деятель. В 1989 г. выпущено двухтомное собрание его трудов за 1913 – 1928 гг. «Тектология (Всеобщая организационная наука)».

Общая теория систем изучает и описывает общие закономерности «устройства и изменения» (развития и распада), т. е. организации объектов нашего многообразного и сложнейшего мира.

Именно на базе общей теории систем возникли такие науки, как кибернетика – наука об общих законах управления в сложных системах, и синергетика – наука о путях их развития. Любые информационные технологии, в том числе и диагностические, также имеют четко выраженный системный характер.

Что же вкладывается в понятие системы? Существует много различных определений. Для целей данного изложения мне импонирует следующее: система – целостный иерархический объект, рассматриваемый как пространственно-временная совокупность взаимосвязанных элементов, в которой свойства системы как целого не сводятся к сумме свойств ее элементов.

Свойства молекул не сводятся к сумме свойств составляющих их атомов; свойства автомобиля не сводятся к сумме составляющих его деталей; свойства многоклеточных организмов не сводятся к сумме свойств их «биологических кирпичиков» – клеток;

ит.д.

Свойства заболевания как целостного явления, события (нозологической формы) не сводятся к сумме свойств составляющих его взаимосвязанных частных патологических процессов.

В целостной системе появляется новое качество – новая совокупность свойств, появляется то, чего ранее не было.

В. А. Энгельгард говорил, что если А и В образуют С, то причина этого заключается в связке «и».

«Секрет» возникновения нового качества кроется в формировании взаимосвязи. То, что мы рассматриваем в данный момент в качестве элементов, на самом деле не является «элементарным», а, в свою очередь, состоит из взаимосвязанных «субэлементов». Сложное состоит из простого. Но простое также не элементарно.

Молекула воды (системный объект) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Это ее элементы. Атом, в свою очередь, состоит из ядра и электронных оболочек. Это его элементы. При образовании молекулы воды элементом взаимосвязи становятся общие электронные оболочки. Происходит экзотермическая реакция: лишний элемент связи вышибается за пределы вновь образовавшейся системы, приобретающей новое качество, отличное от свойств исходных элементов. Для того чтобы произошел обратный процесс (разложение воды на водород и кислород), необходимы затраты энергии, электролиз, «внедрение элементов связи по линиям дезингрессий» (по А. А. Богданову).

И так во всем материальном мире, снизу доверху в его иерархическом устройстве. То обстоятельство, что элементы связи лежат в этой иерархии глубже рассматриваемого уровня, где видны только элементы, а связи часто не просматриваются, создает серьезнейшие гносеологические трудности. Иллюстрацией сказанного служит простой формальный пример:

A = (a & b), B = (b & c), A & B = C, C = (a & b & c) + b,

где A, B – элементы; a, b, c – их составные части (субэлементы); С – вновь образованный более сложный системный объект; b – элемент связи между А и В; & – обозначение объединения, взаимосвязи.

«Лишний» в данном пространственно-временном интервале системного объекта С субэлемент b (по сумме в А и В их было два) «вышибается» за пределы новой системы. Отсюда: формирование связи возможно только при наличии одноименных субэлементов. Вышибленный субэлемент становится сигналом о происшедшем событии для принимающей системы, располагающей одноименным субэлементом, иначе этот сигнал не будет принят. Это информационный процесс. Иными словами: сигнал b может быть принят, только если приемник располагает своим субэлементом b, и соответственно, сигнал a – при наличии у приемника субэлемента a. Сказанное относится и к волновым процессам, к резонансу (в частности, к настройке приемника на определенную волну).

Замечание. Новый, более сложный системный объект верхнего иерархического уровня образуется при объединении по меньшей мере двух объектов более низкого уровня (атом & атом = молекула). При объединении любого системного объекта с другими «своими» элементами получается системный объект того же самого уровня, но более «громоздкий» [атом H & (2 нейтрона) & протон & электрон = все-таки атом (водород гелий)].

Весь известный материальный мир может быть удобно описан таким образом. Это касается «вещественных» объектов и объектов «событий», т. е. того, что происходит с вещественными объектами. События также имеют свою системную иерархию, элементы и связи. При этом является очень важным тот факт, что сама связь «располагается» в системной иерархии глубже того уровня, который рассматривается в данный момент. Поскольку каждый элемент на самом деле является достаточно сложным, хотя и рассматривается как целостная структура, связь реализуется через общие их части. Это обстоятельство является причиной многих познавательных трудностей, в том числе и в диагностическом процессе.

Системные событийные связи являются пространственно-временными. Во временной шкале – от прошлого к будущему через настоящее – они становятся причинно-следственными связями, имеющими детерминистский или вероятностный характер. Вне системных объектов, в «куче событий» предшествующие события могут не быть причиной последующих («после этого не значит вследствие этого»). Это очень важный элемент системного анализа.

Различают системы: материальные естественные и созданные искусственно и идеальные (абстрактные), реализующие как мысленные представления о мире, так и лингвистические, и формальные их описания. Число иерархических уровней материальных систем, учитывая неизвестную глубину дифференциации материи, практически может считаться бесконечным, однако при их описании избирается некоторый уровень, принимаемый за базовый (например, кварк, молекула, биологическая клетка, деталь машины и т. д.). Число элементов и число связей на каждом иерархическом уровне системы конечно. Верхний уровень сложной системы определяет ее наименование, в соответствии с которым она и рассматривается как самостоятельный объект. Наивысшим уровнем материальных систем, вероятно, следует считать саму Вселенную. Число иерархических уровней идеальных систем определяется как нашими знаниями о мире, так и избранными масштабами при его описаниях. В свою очередь, выбор масштаба зависит от поставленных задач и определяется мерой достаточности для их решения. Элемент системы есть объект, рассматриваемый как целостный на данном иерархическом уровне сложной системы. Учитывая же, что на самом деле каждый такой элемент, в свою очередь, имеет иерархический системный характер, можно считать, что на более глубоком уровне по отношению к данному он также представлен в виде взаимосвязанных «субэлементов» и т. д.

Таким образом, любой элемент описывается в виде целостного, «элементарного» только на том иерархическом уровне системы, который рассматривается в данный момент. Следовательно, простейшая система состоит по меньшей мере из четырех объектов: системы как целого, минимум двух элементов и хотя бы одного (суб)элемента связи (взаимосвязи) между ними. Такая гипотетическая система («системный квант») рассматривается на трех иерархических уровнях: уровень целого, уровень элементов и уровень связи. Объект в данном контексте понимается как некая целостная структура (открытая, полуоткрытая или замкнутая относительно иных структур окружающей среды), характеризующаяся своим качеством (структурой и функцией) в некотором пространственно-временном интервале. Качество как совокупность свойств проявляется только во взаимодействии, в связях с окружающим миром. Поэтому, говоря о степени открытости или замкнутости объекта, имеют в виду только локальные свойства «верхнего системного уровня» рассматриваемого объекта, тем более что абсолютно замкнутых объектов, вероятно, не существует.

Следует подчеркнуть, что хотя в любой системной иерархии возникает новое качество со своими свойствами, общее число этих новых свойств может быть существенно меньше суммы свойств элементов нижележащих уровней.

Ниже будем различать системные объекты и объекты, являющиеся невзаимосвязанной совокупностью (конгломератом) множества однородных или неоднородных составных частей. Будем называть такие несистемные объекты «кучей». Простое увеличение числа составных частей «кучи» не приводит к возникновению системы, к новому системному уровню, к новому качеству.

Количественные изменения переходят в качественные только в результате возникновения (или разрыва) взаимосвязи и формирования нового системного уровня.

Куча кирпичей может быть небольшой и огромной. При этом она сама не может преобразоваться в качественно новый объект. Если же использовать в качестве связи, например, известковый раствор, то можно построить дом, собор или тюрьму – качественно новые более сложные и разнообразные объекты, в основе которых находятся те же элементы – кирпичики.

В данном контексте куча не обязательно предполагает наличие большего или меньшего множества обычно одноименных объектов, и к ней неприменим формальный парадокс отсутствия четкой границы между «кучей» и «не кучей», например, песка, зерна и т. п. С системных позиций можно назвать кучей в том числе и кучу причинно-следственных невзаимосвязанных событий.

Сказанное относится не только к материальным, но и к идеальным объектам. Так, например, множество букв какого-либо алфавита, не складывающихся в слово, или множество различных слов какого-либо языка, лишенных в совокупности какого бы то ни было смысла, можно рассматривать как бессистемный конгломерат, кучу.

Учитывая реальную неоднородность материальных объектов, заметим, что тождественность является правомерным отношением лишь идеальных объектов и служит предпосылкой построения абстрактных образов и их классификаций. Каждый материальный объект обладает собственными пространственно-временными характеристиками. Пространственно-временная характеристика есть атрибут объекта. Общий пространственно-временной интервал присущ только взаимосвязанным объектам, т. е., по сути, одному объекту. Сказанное не относится к абстрактным объектам.

Объекты, высвобождаемые в процессе объединения, могут рассматриваться как сигналы, несущие информацию о соответствующих событиях. Будучи поглощены другими системными объектами, располагающими одноименными данным сигналам элементами, и вызвав при этом интерпретированные изменения (события) в соответствующих структурах этих объектов, сигналы передают информацию о событиях в их источнике.

Аристотель говорил, что, ответив на несколько вопросов, в принципе можно описать любые объекты.

Для полноты описания объекта-«вещества» достаточно ответить на вопросы: что? (кто?), какой?, сколько?, чей (с кем?, с чем?), а для объекта-«события», – помимо что? и какой? – где? (куда?, откуда?), когда? как?, почему? и зачем? Понятно, что последний вопрос не всегда правомерен, так как ответ на него предполагает наличие цели. Отвечая на вопросы какой? и как?, мы выражаем свои представления и об устройстве объекта, иохарактере его изменений. Ответы на эти вопросы формируют наши знания о системных объектах.

Эти ответы включены в разрабатываемую мной новую системную иерархическую структуру компьютерной базы знаний (БЗ).

На одну часть вопросов можно дать наиболее адекватные и полные ответы содержательным языком, а на другую – формальным. Следует заметить, что средствами нижнего системного уровня адекватно описать объекты верхнего уровня невозможно. Это относится к любым способам описания.

Системный взгляд на реальный мир и происходящие в нем процессы в полной мере применим к структуре информационных процессов.

Таблица 3.1

Системная структура организма животного (снизу вверх)

Рис. 3.1. Территориальная система (строительные материалы → населенные пункты)

Таблица 3.2

Система строительных событий

Таблица 3.3

Системная структура языка

Следует заметить, что человеческий мозг в каждый данный момент способен сосредоточиться только на каком-либо одном уровне, поэтому каждый системный уровень следует описывать раздельно, что не исключает целесообразности описаний межуровневых связей. Сказанное также относится к вербальному и математическому моделированию.

Дополнение

Можно определить системный анализ как раскрытие структурно-функционального состояния иерархического объекта, а системный синтез — как логическое заключение о причинно-следственных связях тех или иных событий. Можно дать прямо противоположноеопределение, и оно также не будет ошибочным. Это, на первый взгляд, парадоксальное утверждение обусловлено тем, что и анализ, и синтез являются звеньями одного и того же процесса системного мышления, т. е. построения «мысленного сценария», отображающего сложные динамические процессы (события), происходящие со сложными иерархическими «вещественными» объектами реального мира в конкретных пространственно-временных интервалах.

Системный анализ и системное мышление являются достаточно надежными универсальными инструментами. Естественно, каждым инструментом надо уметь пользоваться. Попытке объяснить общие правила использования этих интеллектуальных инструментов посвящен ряд последующих глав.

ГЛАВА 4
СИСТЕМНАЯ ИЕРАРХИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Прежде чем приступить к непосредственному изложению материала этой главы, целесообразно ответить на вопрос: в чем принципиальное отличие информационных технологий человека от информационных технологий высших животных? Не количественное, а качественное. Конечно, мы считаем себя умнее животных, хотя в некоторых сферах интеллектуальной деятельности это и не так. Ответ очевиден. Все не наследуемые, а приобретенные за время жизни любой особи знания безвозвратно утрачиваются со смертью индивида. Человек же научился эти знания отчуждать, абстрагировать и фиксировать на внешних носителях в условной символической форме, сохраняя их для передачи другим людям, другим поколениям. Ни одно животное этого не умеет. Вероятно, это один из путей очеловечивания наших эволюционных предшественников.

В развитии таких информационных технологий человечество прошло большой путь: от наскальных рисунков, папируса, пергамента, иероглифов, клинописи, алфавита – до бумаги, книгопечатания, массовой прессы, современных произведений искусства, радио, телевидения, видеотехники и т. д. Компьютер существенно расширил возможности информационного обеспечения, а с возникновением сетевых технологий появилось понятие глобализации информационного пространства.

При этом следует заметить, что практически все древние способы сохранения и передачи приобретенных знаний сохранились в той или иной форме. Например, традиционные пиктограммы в виде различных указателей и дорожных знаков являются прямыми наследниками первобытных наскальных рисунков.

В то же время имеет место отчетливая тенденция к символизации и стандартизации этих технологий. Не говоря уже о специфических языках математики, химии, нотных записей, сам по себе алфавит является комплексом согласованных условных знаков, которые, сочетаясь по согласованным же грамматическим правилам, дают возможность передавать сколь угодно сложные мысли.

Система иерархического усложнения информационных процессов, развивающаяся соответственно усложнению всех материально-энергетических видов взаимодействия в природе, может быть схематически представлена следующим образом.

Микромир – типичная картина «вышибания – поглощения» одноименных элементов связи в качестве сигналов, что обусловливает избирательность любого физического и информационного взаимодействия.

Как только в раннем периоде образования Вселенной частицы типа a стали объединяться с частицами типа b (не конкретная a с конкретной b, а тип с типом) и начали образовываться частицы типа с, тем самым было положено начало физическому обобщению, классификации, что и явилось в итоге материальной основой абстрактного мышления.

Неорганический макромир — появление валентностей, вакансий с жесткими вариантами выбора связей (по типу «ключ – замок»). Органический мир — возникновение переносчиков (трансляторов) – поэтапный процесс передачи сигналов.

Биологический мир — появление феномена реактивности: 1) стимул – реакция (однозначная); 2) выбор реакции на основании интерпретации сигналов и формирования памяти.

Возникновение генетического аппарата, обеспечивающего жесткие информационные программы сохранения, функционирования и воспроизведения индивидов.

Стандартизацияивтожевремя пластичность всех информационных процессов. Множество трансляторов, обеспечивающих также сортировку и отбор необходимой информации.

Возникновение катализаторов, обеспечивающих необходимую системность биохимических, и в том числе информационных процессов, а также реализующих их структур (сигналов, зафиксированных источников и приемников информации).

Животные: возникновение проблемы активного передвижения в пространстве для удовлетворения потребностей в материальных, энергетических и информационных ресурсах, в целях самосохранения и продолжения рода. Новый информационный аспект – выбор решения (как, куда и зачем двигаться).

Нервная система: Потребности, ощущения (сенсорное восприятие), эмоции, управление, обратная связь. Рефлексы (безусловные → условные), обучаемость. Анализ.

Мозг. «Мозг – это не орган мышления, а орган выживания, – такой же, как зубы, когти и ногти», – это высказывание принадлежит крупнейшему нейрокибернетику У. Р. Эшби. Мозг – орган, дающий его обладателю колоссальные преимущества в борьбе за существование.

Связанная с мозгом специализация биологических приемников информации — органы чувств.

Специализация мозговых структур: подкорка, мозжечок, кора. Возникновение принципиально новых информационных функций — самосознания и мышления (специфическое корковое «мыслеощущение»).

Мышление человека. Дальнейшая качественно новая социализация. Возникновение и развитие принципиально новых информационных технологий.

Информационные технологии человека

Как уже было сказано в начале этой главы, человек стал тем, что он есть, когда научился отчуждать приобретенные (ненаследуемые) знания и записывать их в абстрагированной форме на внешних носителях для передачи другим людям и другим поколениям.

Такая новая информационная технология стала необходимым (и ранее отсутствовавшим) элементом для перехода от чисто биологического системного уровня организации сообществ и популяций к социальному уровню. По наследству мы получаем инстинкты и врожденные рефлексы, обеспечивающие самосохранение и продолжение рода. Все остальные знания приобретаются в процессе обучения и самообучения. Так формируются условные рефлексы, обеспечивающие практически подсознательный автоматизм простых реакций и сложных действий в типичных повторяющихся (изученных) ситуациях. В нетипичных или незнакомых ситуациях необходим их анализ и рациональный (осмысленный) выбор. Нигде и никак не отчуждаемые приобретенные знания безвозвратно утрачиваются со смертью индивида. Изустная передача этих знаний другим людям является одним из способов их сохранения и распространения, но без поддержки технических средств оказывается недостаточно эффективной.

Эволюция способов представления (передачи) отчуждаемых знаний и их носителей. Общая тенденция: условность для части способов; стандартизация и унификация форм и методов.

Каждая новая форма революционна.

Речевое общение . Внешние технические источники — электронные синтезаторы речи. Внешние носители: валики фонографа → грампластинки → магнитофонные ленты → магнитные и лазерные диски.

Звуковое общение . Внешние источники: барабаны (там-тамы) → индивидуальные музыкальные инструменты → оркестры → электронные синтезаторы звуков. Внешние носители – те же, что и для речевого общения.

Непосредственное контактное мануальное общение, в основном иногда дополняющее некоторые виды звукового, речевого и зрительного. Внешних источников и носителей не имеет.

Зрительное общение. Внешние источники — любые, в частности, традиционные для животного мира мимика и жестикуляция. Внешние носители: различные материалы; естественные мягкие плоские материалы (кора и листья деревьев) и искусственно созданные (все, что угодно), фотобумага, кинопленка, видеопленка, магнитные и лазерные диски, компьютерная графика.

Письменность (ручная): условные рисунки → условные знаки (пиктограммы) → иероглифы → клинопись → алфавит (как технология передачи сколь угодно сложных знаний ограниченными согласованными стандартными средствами по согласованным грамматическим правилам). Азбука Брайля – вариант контактного общения. Внешние источники — компьютерные генераторы текстов. Внешние носители: любые твердые материалы (камень, глиняные пластинки, металл, дерево), мягкие материалы (листья, береста, папирус, пергамент, шелк, бумага).

Дополнение: специфический вненациональный алфавит используется в языке математики, химии, музыки и некоторых других сферах представления знаний. Внешние источники и внешние носители – те же, в том числе и для печатной продукции.

Книгопечатание (способ дешевого, быстрого и широкого тиражирования знаний при возникшей социальной необходимости в обучении рабочей силы в период возникновения машинного труда) и печатные средства массовой информации. Внешние источники: полиграфическая и компьютерная техника. Внешние носители: бумага, затем магнитные ленты, диски и лазерные диски.

Компьютерная информационная технология, о которой много написано, поэтому от дополнительных комментариев я воздерживаюсь. Добавлю только, что с появлением компьютерных сетей связи, в частности Интернета, передача знаний существенно упростилась.