Текст книги "Человеческий риск (системные основы управления)"

1.3. Свойства и параметры состояния человека как биосистемы

Принято считать, что «в природе все гармонично». Это не совсем так, но, вероятно, высказывающие данную мысль интуитивно понимают некоторую «завершенность», гомеостатическую включенность любого вида живых существ в биоценозы. Разумеется, на практике, время от времени, это равновесие нарушается тем или иным «преуспевающим» видом. Но, поглотив изрядное количество энергетики биоценоза, новый вид сворачивает экспансию. Равновесие восстанавливается. Так реализуются циклы жизни и смерти в природе.

Человек представляет собой динамическую систему, которая функционирует в среде жизнедеятельности (рис. 1.1). При этом между этой средой и человеком возникает взаимосвязь, которой необходимо управлять. С этой целью человек, погруженный в среду, контролирует свое состояние и состояние среды. В качестве контролируемых величин выступают параметры состояния человека, которые при некоторых значениях могут являться причинами потерь в процессе жизнедеятельности.

Каждая последующая жизненная ситуация, как правило, неадекватна предыдущей. При этом необходимо каждый раз контролировать и ограничивать новые параметры. Таким образом, мы должны рассматривать человека как динамическую систему, погруженную в среду жизнедеятельности, в том числе природную.

В общем случае среда жизнедеятельности человека включает его внутренний мир – эгосферу [24]. Каждая среда характеризуется своими процессами. В свою очередь каждый процесс характеризуется своими параметрами, изменяющимися во времени, контролируемыми человеком. Контролируя параметры входных процессов, он одновременно контролирует свое состояние в этих средах и принимает решение по управлению своим состоянием. Так как человек погружен в среду жизнедеятельности, то все необходимые понятия и определения введем с учетом этого. В дальнейшем будем использовать такие понятия, как свойство, качество, состояние, параметры состояния, эффективность, комфортность. Наиболее общим понятием для динамической системы, представляющей человека, погруженного в среду жизнедеятельности, является свойство.

Любая объективная особенность динамической системы (человека), которая получена при создании (например, при рождении человека) и проявляется при ее функционировании, называется свойством динамической системы.

В процессе жизнедеятельности человека реализуются его психические, физиологические, биохимические, антропологические свойства. При этом различные проявления свойств связаны с различной степенью развития интеллектуальных способностей. Свойства существуют только в связи с эмпирическими объектами: человек, самолет, автомобиль, каждый из которых обладает различными свойствами. Совокупность свойств динамической системы, обусловливающих пригодность ее для выполнения поставленной цели, будем называть качеством. При этом будем различать качества, полученные человеком при рождении, и те, которые созданы им в процессе жизнедеятельности, связанные с его обучением, опытом. Так как качества и свойства динамической системы, в том числе биоэнергетической системы (человека), проявляются в процессе ее функционирования, то для оценки системы введем понятие эффективности процесса ее функционирования. Под эффективностью динамической системы будем понимать возможность достижения поставленной цели.

Так как каждая динамическая система обладает совокупностью свойств, определяющих ее качество, то она может оказаться эффективной не только в одной области, но и в нескольких. Так, один и тот же человек может быть и математиком, и художником одновременно. Однако, как правило, свойства каждого человека ограничены, и поэтому эффективная жизнедеятельность возможна в одной области среды.

В процессе функционирования динамическая система, обладающая некоторыми свойствами, будет иметь вполне определенное состояние, характеризуемое вектором параметров х = (х₁, х₂, …, х_n), где х_i – i-й параметр состояния динамической системы.

Нужное качество s динамической системы выбирается из условий достижения заданной цели. Эти условия называются критериями оценки качества, а проверка их выполнимости – оцениванием качества динамической системы.

Отметим, что заданные свойства динамической системы обеспечиваются на начальном этапе ее создания (например, при выборе человека из заданного множества), а заданное качество – на этапе функционирования (жизнедеятельности). Свойства системы характеризуются интенсивностью и характером их изменения [36]. В соответствии с таким подходом их делят на точечные, линейные и многомерные.

Точечные свойства характеризуют качественную определенность объектов, которая в процессе функционирования динамической системы, как правило, не изменяется в количественном отношении. В общем случае, например, количество рук, пальцев и т. д.

Такие свойства, как температура, масса, имеют интенсивность, которая в процессе функционирования динамической системы может изменяться. Эти свойства всегда определяются с помощью начального значения. Характерным для свойств является невозможность перехода одного свойства в другое путем изменения количественного значения. Так, температура или масса не могут перейти в объем или плотность. Математически эти свойства описываются скалярными величинами – числами.

К двухмерным (плоскостным) относятся все те свойства, которые характеризуются двумя параметрами. Сюда относятся сила, ускорение, скорость, т. е. векторные величины. Как известно, векторы характеризуются величиной (модулем) и направлением.

В общем случае свойства динамической системы могут изменяться в n-мерном пространстве. Это особая категория, которая, как правило, относится к сложным системам, например человеко-машинным системам (ЧМС). Для описания таких свойств, т. е. представления их в виде математической модели, используют вектора вида ā = (а₁, а₂, …, а_n). При этом говорят, что ā имеет n координат. Иногда вместо вектора используют матрицы или тензоры различных рангов, в зависимости от решаемой задачи. В качестве примера такого свойства можно рассмотреть надежность человеко-машинных систем.

Свойства динамической системы находятся в определенных отношениях. Классификация отношений может осуществляться по многим признакам:

– числу относящихся свойств (бинарные, тройные и т. д.);

– направленности;

– интенсивности (относительной), так, например, рефлексивности, симметричности и транзитивности;

– функциональности.

Каждое отношение, имеющее место между n свойствами, образует новое (n + 1)-е свойство. При решении прикладных задач из общей совокупности свойств s = (s₁, s₂, …, s_n) динамической системы, как правило, используются те, которые обеспечивают достижение рассматриваемой цели Ц_к из некоторого множества В_ц. При этом для анализа риска рассматривают не сами s_i, а их отклонения δs_i от номинальных, расчетных или заданных значений s_i, при которых осуществляется достижение цели:

δs_i = s_i(t) – s*_i(t).

Совокупность значений δs = (δs₁, …, δs_n) характеризуют факторы рисков реальной динамической системы и ее состояние в процессе функционирования. Соотношение между моделью возможных состояний системы и ее свойствами устанавливается чаще всего с помощью математических моделей, например системы линейных или нелинейных, алгебраических или дифференциальных уравнений. При построении математических моделей рассматриваемого класса динамических систем, включая человеко-машинные системы, в дальнейшем будем учитывать следующие их особенности:

– свойства и качества принадлежат многомерному пространству и изменяются в процессе функционирования динамической системы, т. е. являются функциями времени;

– многофункциональность системы, когда переключение от одной функции (цели) к другой осуществляется автономно с помощью мотивации;

– ведущая роль в контроле и управлении принадлежит человеку;

– система обладает ошибками в процессе функционирования.

Для контроля человек использует рецепторы:

– зрительные;

– слуховые;

– кожно-механические и вибрационные;

– температурные;

– статико-акселерационные;

– обонятельные;

– вкусовые.

Отметим, что при формировании управления и его реализации человек допускает следующие ошибки:

– сенсорные (восприятие сенсорной и приборной информации);

– логические;

– моторные (ошибки реализации решений).

1.4. Области состояний параметров жизнедеятельности

В процессе жизнедеятельности параметры природной среды, в которую помещен человек, существенно изменяются. Обозначим эти параметры через у_i . При некоторых их значениях человек чувствует себя комфортно, при других значениях он вообще не может существовать.

Среди всех параметров природной среды выделим следующие:

1) физические: климатические параметры (температура, влажность, подвижность воздуха); электромагнитные излучения различного волнового диапазона (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, тепловое, лазерное, микроволновое, радиочастотное, низкочастотное); статическое, электрическое и магнитное поля; ионизирующие радиоактивные излучения; шум; вибрация; ультразвук; освещенность;

2) химические: антибиотики, витамины, гормоны, ферменты;

3) биологические: патогенные микроорганизмы; микроорганизмы-продуценты; препараты, содержащие живые клетки и споры микроорганизмов; белковые препараты.

Параметры состояния среды у, в которой человек осуществляет свою деятельность, разделяются на четыре области по степени воздействия их на человека.

Область комфортных (оптимальных) для человека условий связана прежде всего с климатическими параметрами.

Область допустимых условий жизнедеятельности характеризуется такими уровнями у, при которых возможные изменения функционального состояния организма проходят и не оказывают неблагоприятного воздействия на состояние здоровья человека.

Область вредных условий жизнедеятельности характеризуется тем, что внешние факторы оказывают отрицательное воздействие на организм человека, например, условия труда шахтеров, металлургов. При этом загрязненность воздуха, шум, вибрация, тепловые излучения могут достигать опасных значений.

Критическая область условий жизнедеятельности характеризуется такими параметрами среды, которые угрожают жизни или приводят к возникновению тяжелых форм профессиональных заболеваний. Например, экстремальные условия возникают при превышении предельно допустимого уровня шума более чем на 50 дБ, а предельно допустимой концентрации вредных веществ – более чем в 20 раз.

Кроме параметров у_i состояние человека в среде жизнедеятельности характеризуется его внутренними параметрами x_i . К ним относятся:

1) параметры, характеризующие состояние человека как биосистемы, так, например, температура тела; частота сердцебиения; кровяное давление; умственные способности;

2) параметры, характеризующие состояние его подсистем (органов тела);

3) параметры, характеризующие состояние его клеток.

В качестве примера рассмотрим умственный труд. Это труд оператора, управленца, преподавателя, врача, студента. Он связан с приемом и переработкой информации, требует напряжения внимания, памяти, активизации мышления, вызывает повышенную эмоциональную нагрузку. При этом значительное нервно-эмоциональное напряжение приводит к повышению кровяного давления, температуры тела, изменению кардиограммы и другим изменениям.

Параметры x_i, как и у_i, подлежат ограничению. В некоторых случаях для обеспечения жизнедеятельности допустимо ограничивать только x_i, в других – у_i. По этой причине введем обобщенный вектор состояния z_j, , т. е. вектор z = (z₁, z₂, …, z_k), , z_i = (x_i, y_i). Области состояний параметров жизнедеятельности z_i введем с помощью нижеследующих определений [17].

Совокупность параметров Z, характеризующих состояние человека в процессе жизнедеятельности как динамической системы, назовем пространством состояния системы и обозначим Ω. Критическая область Ω_кр параметров – это часть пространства состояний системы, в которой человек как динамическая система перестает функционировать (уничтожается) или переходит в новое состояние, например инвалидность, в котором он неспособен выполнять свои функции (рис. 1.5). Границу области критических состояний обозначим через S_кр. На рис. 1.5 рассмотрено двумерное состояние динамической системы. Штатное или допустимое состояние человека (динамической системы) – это область Ω_доп параметров z_i или х_i, при которых обеспечены его жизнедеятельность (функционирование) и, соответственно, достижение поставленной цели. Как правило, области Ω_доп и Ω_кр не соприкасаются, между ними есть опасная область Ω_оп состояния человека (динамической системы) – это область, в которой возможно наступление события х Ω_кр под действием внешних неконтролируемых возмущений.

Рис. 1.5

Границу области штатного или допустимого состояния обозначим S_доп. Как правило, S_доп представляет собой многопараметрическую функцию. При этом будем говорить, что человеческий риск равен нулю, если его параметры х постоянно находятся в области допустимого состояния, и записывать х Ω_доп.

Движение на границе области штатного состояния или вблизи нее иногда является требуемым режимом динамической системы. Последствия возникновения нештатного режима, т. е. выход из области Ω_доп, часто называют катастрофой. При этом говорят, что динамическая система сменила базис своего состояния. Как правило, динамическая система переходит из одного установившегося состояния в другое по завершении переходного процесса. В связи с тем, что новое состояние не отвечает ее целевому назначению, его необходимо предотвратить. В общем случае область Ω_доп и ее границы s_доп зависят от следующих управлений-возмущений, действующих на человека со стороны внешней среды:

– государства с его законами и исполнительными органами (ν₁);

– семьи с ее финансовыми проблемами (ν₂);

– общества, в том числе трудового коллектива, требующего от человека подчинения своим законам, (ν₃);

– космоса и окружающей природной среды, требующих вложения сил для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека, (ν₄);

– культуры, образования, создающих определенный интерес к другой жизни и другим взглядам на жизнь, желания изменить свою жизнь согласно своему разуму, (ν₅);

– политики, без которой сегодняшнее общество не существует и которая проникает в семьи и души людей, (ν₆);

– финансов – стимула для развития творчества согласно своему разуму, (ν₇);

– личных потребностей, прежде всего физиологических, (ν₈);

– души – основного «инструмента» человека в подавленном, возбужденном или психически нормальном состояния, (ν₉).

Каждое из этих управлений-возмущений непрерывно изменяется как во времени, так и в пространстве состояния человека. Таким образом, Ω_доп = Ω_доп(ν₁, …, ν₉), Ω_кр = Ω_кр(ν₁, …, ν₉).

Величина, равная х_кр – х_доп = Δ, представляет собой запас на непредвиденные изменения свойств, качеств, состояния динамической системы в процессе ее функционирования, приводящие к неконтролируемым изменениям х. Отметим, что комфортная область Ω_ком включает в себя те значения х = х_ком, к которым стремится человек. Области Ω_доп и Ω_ком в общем случае не совпадают. Однако по некоторым параметрам человек стремится достичь х_доп и там удержаться. Так, например, скорость движения автомобиля, как правило, находится не в области безопасных значений км/ч (80–90), а в области максимальных значений скоростей V_доп.

1.5. Модели окружающего мира и их достоверность

Человеческий риск связан прежде всего с жизнедеятельностью человека в окружающей среде, в том числе в социальной, государственно-правовой, финансовой средах.

Обратимся к истории создания моделей отдельных подсистем окружающего мира и возможности применять их для целей жизнедеятельности с позиции их достоверности. В чем состоят проблемы достоверности, как они решаются? Возможна ли истинная модель? И нужна ли она?

Наиболее образно по этому поводу сказал А. Эйнштейн: «В нашем стремлении понять реальность мы подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но не имеет средств открыть их. Если он остроумен, он может нарисовать себе картину механизма, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения. Он никогда не будет в состоянии сравнить свою картину с реальным механизмом, и он не может даже представить себе возможность и смысл такого сравнения» [43].

Согласно сказанному, наука изучает явления, происходящие в окружающем мире, которые представляют собой процессы, порожденные некоторой системой, включенной в общий комплекс систем мироздания. По известным состояниям процесса Z(t) в некоторые моменты времени мы хотим знать его предысторию и будущее. С этой целью нам нужна истинная модель М_и подсистемы, породившей процесс Z(t), т. е. нам нужна модель М_и(Z(t)). В приведенном примере мы знаем Z(t) – перемещение стрелки, но как воспроизвести этот процесс, с помощью какого механизма – не знаем, т. е. не знаем модель М_и. Тогда наука поступает так: строит модель М_р (расчетную или оценочную M_o = M_p) таким образом, чтобы отличие истинного процесса Z(t) от реализованного Z_р(t) на выходе модели М_р(Z_р(t)) было в каком-то смысле минимальным. При этом сразу же предполагается: в силу отличия М_и от М_р процессы Z_и(t) и Z_р(t) отличаются, т. е. модель работает с погрешностью δ(t). В зависимости от способности человека, создавшего модель М_р, погрешность δ(t) будет иметь различные значения. Итак, модель М_р зависит от человека θ_ч, создающего эту модель, от его возможностей, в том числе состояния или уровня научных знаний З_н, накопленных человечеством, информационного обмена между людьми и других факторов. В результате имеем Z_р = f (М_р, М_и, θ_ч, З_н, δ).

О том, как же наука строит Z_р(t) или М_р, хорошо сказал крупнейший американский физик Р. Фейнман: «Вот почему наука не достоверна. Как только Вы скажете что-нибудь из области опыта, с которым непосредственно не соприкасались, Вы сразу же лишаетесь уверенности. Но мы обязательно должны говорить о тех областях, которые мы никогда не видели, иначе от науки не будет проку… Поэтому, если мы хотим, чтобы от науки была какая-то польза, мы должны строить догадки. Чтобы наука не превратилась в простые протоколы проделанных опытов, мы должны выдвигать законы, простирающиеся на еще не известные области. Ничего дурного тут нет, только наука оказывается из-за этого недостоверной, а если Вы думали, что наука достоверна, Вы ошибались» [16]. Итак, задача науки – открывать новое, формировать новые законы, объяснять, почему в данный момент времени на выходе системы возникло именно это значение Z(t), а не другое.

Чем дальше мы проникаем в суть явления, тем сложнее становятся модели М_и, тем тоньше явления, а сами процессы Z(t) более чувствительны к погрешностям, вносимым при построении М_р. При этом необходимо каким-то образом обнаруживать эти погрешности, не имея возможности вскрывать часы, а также испытывая ограничения в точности существующих средств измерения. По этому поводу один из творцов квантовой механики В. Гейзенберг писал: «Микромир нужно наблюдать по его действиям посредством высоко совершенной экспериментальной техники. Однако он уже не будет предметом нашего непосредственного чувственного восприятия. Естествоиспытатели должны здесь отказаться от мысли о непосредственной связи основных понятий, на которых он строит свою науку, с миром чувственных восприятий. Наши усложненные эксперименты представляют собой природу не саму по себе, а измененную и преобразованную под влиянием нашей деятельности в процессе исследования… Следовательно, здесь мы также вплотную наталкиваемся на непреодолимые границы человеческого познания» [16].

Как много сказано о границах человеческого познания! Такие границы существуют и зависят от состояния науки на текущий момент времени; от финансовых возможностей человечества; от ограниченности срока жизни ученых и т. д. Об ограниченности познания можно говорить не только в микромире, но и в такой области, как авиация. Так, модель, описывающая движение самолета, существует, как правило, в эксплуатационной области состояния параметров движения и редко на границе критических значений этих параметров. Как только параметры движения или часть их превышают критические значения и самолет переходит, например, в штопор, надежные модели отсутствуют. При этом возникают чрезвычайно тонкие аэродинамические процессы, описать которые и тем более измерить в полете, т. е. предсказать полную картину движения самолета в таком режиме, сложно, как правило, невозможно.

Истинная модель М_и и порожденный ею процесс Z_и(t) скрыты от нас и непостижимы. Как только мы не учтем факт ограниченности научных знаний, мы потеряем много: окажемся в области риска и соответствующих потерь. При этом, как и во всем нашем мире, наука простирается между истинными знаниями и незнанием. Между этими границами расположены знания и, в частности, модели, построенные при различных допущениях.

По поводу последнего в коллективном труде «Логика научного исследования», созданном под руководством директора Института философии П.В. Копнина, сказано: «К идеалу научного знания всегда предъявлялись требования строгой определенности, однозначности и исчерпывающей ясности. Однако научное знание всякой эпохи, стремившееся к этому идеалу, тем не менее не достигло его. Получилось, что в любом самом строгом научном построении всегда содержатся такие элементы, обоснованность и строгость которых находились в вопиющем противоречии с требованиями идеала. И что особенно знаменательно: к такого рода элементам принадлежали зачастую самые глубокие и фундаментальные принципы данного научного построения. Наличие такого рода элементов воспринималось обычно как просто результат несовершенства знания данного периода. В соответствии с такими мнениями в истории науки неоднократно предпринимались и до сих пор предпринимаются энергичные попытки полностью устранить из науки такого рода элементы. Однако эти попытки не привели к успеху. В настоящее время можно считать доказанной несводимость знания к идеалу абсолютной строгости. К выводу о невозможности полностью изгнать даже из самой строгой науки – математики – «нестрогие» положения после длительной и упорной борьбы вынуждены были прийти и «логицисты»… Все это свидетельствует не только о том, что любая система человеческого знания включает в себя элементы, не могущие быть обоснованными теоретическими средствами вообще, но и о том, что без наличия подобного рода элементов не может существовать никакая научная система знания» [30].

Итак, мы должны признать наличие двух моделей системы мироздания и ее подсистем, с которыми имеет дело человек в процессе жизнедеятельности. Одна из них есть истинная модель М_и, другая модель – расчетная М_р, полученная в процессе научных изысканий.

Построив модель М_р с погрешностями, которая создает процесс Z_р также с погрешностями, мы проводим эксперимент с целью подтвердить правильность построенной модели М_р, сравнивая процессы Z_р и Z_и (истинный).

При этом мы наблюдаем ситуации, создаваемые моделью М_и изучаемого объекта А и построенной нами моделью, делая вывод о достоверности модели М_р.

Изучаемый объект А и процесс Z_и может как принадлежать области допустимых состояний Ω_доп, так и не принадлежать ей. В последнем случае модель М_р теряет свое прикладное значение.

В процессе испытаний, на основе которых делаются выводы о правильности М_р, возможны различные ситуации, которые в силу случайных свойств Z_р, Z_и будем характеризовать численно вероятностями вида:

Р₁ = Р₁{Z_u Ω_доп, Z_p Ω_доп};

Р₂ = Р₂{Z_u Ω_доп, Z_p Ω_доп};

Р₃ = Р₃{Z_u Ω_доп, Z_p Ω_доп};

Р₄ = Р{Z_u Ω_доп, Z_p Ω_доп}.

При этом вероятность Р₁ характеризует ситуацию, когда верная модель включается в число достоверных знаний; Р₂ характеризует ошибки знаний, когда верная модель отклоняется; Р₃ – неверная модель принимается за верную; Р₄ характеризует ситуацию, когда неверная модель отклоняется.

При этом можно условно выделить в области знаний крайние значения: верхнее значение x = x^в_кр, когда научные знания, которых чрезвычайно мало, являются истинными или действительными; нижнее значение x = x^н_кр, когда случайная погрешность δ(t) настолько велика, что мы о том или ином процессе, явлении не имеем достоверной информации. Таким образом, область значений между (x^н_кр, x^в_кр) заполнена моделями с допущениями, включающими в себя различные предположения, «догадки», подтвержденные кем-то и когда-то, гипотезы, находящиеся в процессе осмысления. При этом значимость «абсолютных» или истинных знаний для процессов жизнедеятельности невелика. В основном мы используем все, что расположено внутри (x^н_кр, x^в_кр).

По мере развития науки, усложнения решаемых ею проблем возрастает область (x^н_кр, x^в_кр) и порождаются новые проблемы, увеличивая наши незнания.

В.И. Вернадский так оценивал процесс познания истины, развития науки: «Создается единый общеобязательный, неоспоримый в людском обществе комплекс знаний и понятий для всех времен и для всех народов. Эта общеобязательность и непреклонность выводов охватывает только часть научного знания – математическую мысль и эмпирическую основу знаний – эмпирические понятия, выраженные в фактах и обобщениях. Ни научные гипотезы, ни научные модели в космогонии, ни научные теории, возбуждающие столько страстных споров, привлекающие к себе философские мысли, этой общеобязательностью не обладают. Они необходимы и неизбежны, без них научная мысль работать не может. Но они преходящи и в значительной, непреодолимой для современников степени неверны и двусмысленны» [12].

В чем же причины такого состояния науки, которая развивается вместе с человеком? Почему человек, коллективы людей – в современном понимании школы – допускают ошибки? Приведем одну мысль по поводу развития науки, принадлежащую современному русскому ученому В.В. Налимову: «Рост науки – это не столько накопление знаний, сколько непрерывная переоценка накопленного – создание новых гипотез, опровергающих предыдущие. Но тогда научный прогресс есть не что иное, как последовательный процесс разрушения ранее существующего незнания. На каждом шагу старое незнание разрушается путем построения нового, более сильного незнания, разрушить которое в свою очередь со временем становится все труднее (по многим причинам, и прежде всего – сложности и экономической стоимости).

И сейчас невольно хочется задать вопрос: не произошла ли гибель некоторых культур, скажем, египетской, и деградация некогда мощных течений мысли, например древнеиндийской, потому, что они достигли такого уровня незнания, которое уже не поддавалось разрушению?» [16]

Итак, научные знания, в том числе модели мироздания и его отдельных подсистем, никогда не были идеальными, они всегда несли ошибки, которые не позволяли осуществлять процессы жизнедеятельности без потерь, без риска.