Паттерны и примитивы эмпирико-метафизической общей теории систем

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва, Россия, ,

Введение . Одним из важнейших направлений развития общей теории систем является повышение ее инструментальности, позволяющей расширять ее практическое использование. Существенную роль в достижении цели повышения инструментальности может сыграть использование таких инструментов познания как паттерны и примитивы.

Понятие паттерна используется при исследовании объектов существенно различающейся природы. В частности, паттерны используются: в программировании, где под ними понимаются

часто встречающиеся решения определённых проблем при разработке программ1; в биологии – как последовательность определенных информационных нервных импульсов; в психологии – как устойчивое, контекстно обусловленное повторение человеком собственного поведения или мышления для достижения определенных результатов2; в теории коммуникации – тип эмоционального общения, который складывается в отношениях, где параметр «отношений» по каким-либо основаниям доминирует над параметром «содержания» (Сучкова, 2010), в распознавании образов (Duin, 2021) и др.

Согласно предлагаемому нами определению паттерн – схематическое системное представление совокупности элементов, наделенных свойствами и действующих друг на друга, имеющее универсальный характер.

Для однозначного понимания приведенного выше определения необходимо дать формулировки используемым понятиям:

• –    системное представление объекта предполагает определение его среды (надсистемы, в которую входит объект), подсистем объекта (групп элементов внутри объекта, объединенных общностью свойств или действий), изменений объекта;

• –    универсальный характер системного представления означает, что, во-первых, представление формируется безотносительно предметной области (физические, химические, биологические, социальные, экономические, психологические и др. объекты), к которой относится исследуемый объект, и, во-вторых, данное представление соответствует многим объектам из разных предметных областей;

• –    под элементами мы будем понимать части бытия, из которых формируются системы.

Понятие примитивов широко используется в сфере компьютерной графики, где графический примитив определяется как элемент множества геометрических фигур, лежащих в основе всех графических построений (Войтиховский и др., 2017). Примитивы используют и в других областях: в программировании – данные, которые не являются объектом и не имеют методов; в криптографии – низкоуровневые алгоритмы, которые часто используются для построения криптографических протоколов и т.д.

Предлагаемое нами определение примитивов, соответствующее их применению в общей теории систем, выглядит следующим образом: примитивы – множество элементов, лежащих в основе формирования всех систем. В результате любая система может быть представлена схематически в виде совокупности примитивов.

Наши исследования (Грибков, 2023) показали, что приоритетным для построения общей теории систем является эмпирико-метафизический подход, согласно которому для познания мира можно использовать дедуктивный подход, отталкивающийся от первичных свойств бытия, которые могут быть заданы «чистым разумом» (априорно) либо определены индуктивно и тра-дуктивно исходя из эмпирических знаний о мире. Следствием реализации данного подхода является признание, что существует ограниченное число первичных свойств бытия и вытекающих из них базовых законов бытия, а все более сложные свойства и законы определяются ими и несут в себе их «следы». Именно по этой причине в мире имеет место изоморфизм свойств и выявляются паттерны организации систем.

Систематизация выявленных паттернов и формирующих их примитивов – задачи, решаемые в данной статье. Методология решения этих задач основана на определении: паттернов – в соответствии с законами систем; примитивов – в соответствии с законами свойств и законами действий. Указанные законы сформулированы в рамках разрабатываемой автором эмпирикометафизической общей теории систем (Грибков, 2023: 18–19).

Определение паттернов . Основная часть паттернов, определяемых в настоящее время в результате исследований в различных предметных областях, не может рассматриваться как паттерны в том определении, которое было нами сформулировано в начале статьи.

В частности, анализ известных работ в области паттернов программного проектирования3 (Паттерны объектно-ориентированного проектирования …, 2020) показывает, что под паттернами (порождающими, структурными, поведенческими) понимаются организационные формы, которые следует квалифицировать не как паттерны, а как их структурные элементы.

Наряду с программированием, существенный прикладной и теоретический задел в исследовании паттернов имеется в антропологии и психиатрии, где основополагающие работы принадлежат Г. Бейтсону (Бейтсон, 2016). Среди наиболее интересных (для целей нашей работы) его предложений можно выделить представления о связующем паттерне, паттерне контекста (набора правил истолкования информации), ритмическом паттерне, паттернах взаимодействия

(применительно к психиатрической практике). В данном случае, как и в случае паттернов программного проектирования, необходимо критически оценить, соответствуют ли эти паттерны нашему определению либо их следует квалифицировать как структурные элементы паттернов.

Большое значение изучению паттернов также уделяется в исследованиях по морфогенезу биологических организмов (Turing, 1952), кристаллографии (Галиулин, Имангазиева, 2005), в теории солитонов (Гапонов-Грехов, Рабинович, 1987). Работы в данных областях охватывают широкий спектр систем, различающихся как по степени реальности, так и по другим характеристикам. В результате выявляются такие универсальные структурные элементы паттернов, как фракталы, логарифмические спирали, структуры Тьюринга, круговые конвективные ячейки, шестигранные конвективные ячейки Бенара и осесимметричные ламинарные вихри Тейлора (Аржаник и др., 2000), рябь Фарадея (Александров и др., 2019), вихревая дорожка Кармана (Алексюк и др., 2012) и др.

Существенный интерес также представляют исследования паттернов на основе кластерного подхода (Анализ паттернов в статике и динамике, часть 1: Обзор литературы и уточнение понятия …, 2013), согласно которому паттерны представляются как отдельные кластеры либо в соответствии с методами построения их разбиения, либо исходя из подходов к построению иерархий. На основе данного подхода выявляются паттерны в различных предметных областях, в том числе в социально-экономической сфере для реализации макроэкономического анализа, анализа банковских систем в различных странах, профилирования электорального поведения, прогнозирования инновационного развития и др. (Анализ паттернов в статике и динамике, часть 2: Примеры применения к анализу социально-экономических процессов …, 2013).

В рамках разрабатываемой нами эмпирико-метафизической общей теории систем существование паттернов регламентируется законами систем (Грибков, 2023: 19): «образование систем происходит из-за действий элементов друг на друга или присущих этим элементам свойств» (закон образования систем); «система является устойчивой если взаимное действие элементов системы и элементов за пределами системы недостаточно для ее необратимых изменений» (закон устойчивости систем), «вследствие действий элементов системы друг на друга и действий на них элементов из-за пределов системы возможно изменение системы» (закон изменений систем). Каждый из законов систем порождает изоморфизм систем, причем проявления изоморфизма для каждого закона будут специфичными. В результате каждый из законов будет порождать свой набор паттернов.

Несомненно, что каждый из паттернов обладает своей спецификой, которая должна стать предметом детальных исследований. На текущей стадии исследования представляется достаточным ограничиться рассмотрением множества обобщенных паттернов с минимальной детализацией характеристик. Указанное сформированное нами множество, вероятно, не является окончательным. Оно будет расширяться и корректироваться. При этом положенные в его основу подходы достоверны, поскольку опираются на классификацию объектов, законы систем, а также анализ различных частных примеров паттернов.

Обобщенные паттерны в соответствии с определяющими их базовыми законами бытия делятся на паттерны образования, устойчивости и изменения систем.

Группа обобщённых паттернов образования систем включает в себя следующие варианты:

• –    «паттерны структурообразования», предполагающие пошаговое построение структур, при котором одни и те же элементы могут использоваться многократно. Такие паттерны соответствует естественно развивающимся физическим, химическим, биологическим, общественным системам, росту знаний, развитию наук и др.;

• –    «паттерны дублирования», позволяющие копировать системы, не конкретизируя их внутреннего содержания. Такие паттерны широко распространены в биологических системах в механизмах наследования, регенерации и др., в массовом индустриальном производстве, в строительстве, в сфере общественного сознания и др.;

• –    «паттерны корреляции», определяющие общую структуру системы, конкретная реализация которой зависит от свойств связанной с ней системы. Такие паттерны реализуется в экономике (корреляция финансовой системы страны с мировой финансовой системой), в средствах массовой информации (корреляция масс-медиа с системой государственной власти), в научном познании (корреляция прикладных наук с фундаментальными) и других областях;

• –    «паттерны аналогии», определяющие общую структуру системы и позиции элементов, свойства которых задаются в процессе синтеза. Данная группа паттернов находит применение в научном познании и других предметных областях, оперирующих теоретическими моделями.

Группа обобщенных паттернов устойчивости систем включает в себя следующие вари- анты:

• -    «паттерны баланса» действий внешних и внутренних элементов. Это наиболее распространенные паттерны устойчивости, основанные на допустимости существенных и многообразных действий в системе при условии их взаимного уравновешивания с отклонениями, не приводящими к необратимым изменениям системы. Паттерны реализуются на уровне физических систем (например, баланс сил давления газа и гравитации в звездах), в биологии (ограниченный масштаб изменчивости видов), в демографии (баланс рождений/смертности), в экономике (баланс спроса и предложения) и др.;

• -    «паттерны дополнительных степеней свободы». Это паттерны, повсеместно реализующиеся в реальном мире, основанные на превышении размерности комплекса свойств системы над размерностью комплекса действий на нее (или в ней). Необходимость устойчивости таких паттернов объясняется аналогично закону необходимого разнообразия для управления системами (Эшби, 1959: 181-185, 293-302). Примером практического применения таких паттернов является метод устранения родовых связей в рычажных механизмах для предотвращения заклинивания (Дворников и др., 2007) снижение социальной напряженности в обществе за счет расширения экономических и политических свобод и др.;

• -    «паттерны фиксации и минимизации действий». Они используются в технике, в государственном управлении, военном деле и др., основаны на противодействии разрушению системы за счет фиксации (отключения) отдельных свойств, элементов и связей внутри нее либо на минимизации всех или отдельных действий. Для успешной реализации данных паттернов необходима также минимизация внешних воздействий (чувствительность системы к которым резко повышается), что трудно реализуемо;

• -    «паттерны сепарации процессов», основанные на сепарации обменных (круговых, циркуляторных) процессов, обеспечивающих функционирование системы, вследствие чего достигается устойчивость на уровне отдельного обменного процесса, а также (в меньшей степени) на уровне взаимодействия обменных процессов между собой. Данные паттерны широко распространены в биологии, экономике, общественных и семейных отношениях, в технических системах. Примером применения паттернов сепарации процессов в биологии является сепарация процессов в организмах животных (два круга кровообращения, лимфатическая система, система дыхания, пищеварительная система и др.); в области финансов - двухконтурная система обращения денежных средств (Особенности и перспективы построения двухконтурной валютно-финансовой системы на национальном и региональном уровне ..., 2020);

• -    «паттерны внешней стабилизации», предполагающие сохранение устойчивости системы за счет постоянного внешнего воздействия. Паттерны широко распространены: от физических систем (например, положение оси вращения Земли, стабильность которой поддерживается гравитационным действием Луны) до межгосударственных отношений (поддержка крупными странами стран-сателлитов) или экономической политики стран (государственная поддержка отдельных предприятий или отраслей, значимых для технологической безопасности или обороноспособности страны вне зависимости от их экономической эффективности);

• -    «паттерны устойчивого неравновесия», реализующие принцип устойчивого неравновесия (Бауэр, 1935: 32), определяющий форму развития динамических систем и развития живого вещества. Системы, в которых реализуется паттерн устойчивого неравновесия, устойчивы за счет внутренних процессов, перманентно выводящих систему из состояния равновесия.

Группа обобщенных паттернов изменения систем включает в себя три подгруппы: паттернов устойчивого изменения, паттернов разрушения и паттернов трансформации.

Устойчивое изменение системы - это изменение, при котором баланс (сумма с учетом направления) взаимодействий системы с элементами вне системы сохраняется или изменяется вследствие взаимодействий внутри системы. Подгруппа паттернов устойчивого изменения включает в себя следующие варианты:

• -    «паттерны устойчивого прогресса», определяющие устойчивое изменение системы, сопровождающееся увеличением ее сложности (Уемов, 1978: 200) в соответствии с заданным алгоритмом. Данные паттерны являются наиболее распространенными среди всех паттернов изменения и характерны для большей части развивающихся физических, химических и биологических систем, общества, экономики, системы знаний, искусства и науки;

• -    «паттерны устойчивого регресса», определяющие устойчивое изменение системы, сопровождающееся снижением ее сложности в соответствии с заданным алгоритмом. Данные паттерны широко распространены в биологическом мире, где организмы в процессе приспособления или для минимизации расхода ресурсов лишаются части свойств, элементов и внутренних связей между элементами. Некоторое распространение данные паттерны также получили в организации общества, где целью реализации алгоритма снижения сложности является повышение управляемости и ужесточение эксплуатации нижних общественных страт;

• -    «паттерны устойчивого развития», определяющие устойчивое изменение системы, сопровождающееся ее изменением по заранее не определяемому алгоритму. В одних случаях паттерны развития характеризуют прогресс системы, в других - регресс или последовательность сменяющих друг друга периодов прогресса и регресса. В отличие от паттернов прогресса и регресса, служащих для описания изменений систем, паттерны развития могут быть использованы для описания состояния устойчиво изменяющейся системы.

Подгруппа паттернов разрушения систем включает в себя:

• -    «паттерны разрушения извне», в которых разрушение происходит вследствие известного внешнего воздействия на систему. Примером реализации таких паттернов является снос здания, разорение предприятия вследствие изменения конъюнктуры рынка, разрушение инфраструктуры страны вследствие войны и др.;

• -    «паттерны спонтанного разрушения», в котором определяющую роль играют внутренние процессы. Примером реализации таких паттернов является скоропостижная смерть (например, от отказа какого-либо органа и т.д.), разрушение семьи вследствие применения насилия или иных недопустимых действий, сбой программы при наступлении непредусмотренной ошибки выполнения и т.д.;

• -    «паттерны деградации», в которых разрушение является результатом процессов внутренней деградации системы вследствие потери свойств, разрыва связей и т.д. Примерами реализации таких паттернов являются: моральная деградация, связанная с утратой нравственных и поведенческих ограничений, разрывом дружественных, семейных и/или родственных связей, физическая деградация наркомана или алкоголика, вызванная нарушением работы его организма и потерей нормальной среды существования и др.;

• -    «паттерны самоуничтожения», предполагающие наличие в системе механизмов самоуничтожения, запускаемых после конечного числа циклов обновлений системы, либо при существенных отклонениях состояния системы от устойчивости. Паттерн такого типа, в частности, реализуется в живых клетках, обеспечивая ликвидацию «бракованных» клеток, предотвращая тем самым возникновение серьезных заболеваний организма, в том числе рака (Цыган, 2004).

Подгруппа паттернов трансформации систем включает в себя следующие варианты:

• -    «паттерны замещения», в которых предполагается замещение имеющихся элементов или комплексов элементов на иные, характеризующиеся другими наборами свойств, в результате которого происходит существенное изменение системы в целом. При этом в процессе замещения элементов система не разрушается и сохраняет определенность свойств. Примером реализации паттерна замещения является замена на производстве старого оборудования на новое с сохранением характера взаимодействия единиц оборудования;

• -    «паттерны переконфигурации», в которых предполагается перенаправление связей между элементами внутри системы, разрыв старых связей и формирование новых, в результате чего происходит существенное изменение системы в целом, но при этом система не разрушается. Примером реализации данного паттерна является реорганизация команды управленцев (например, правительства), перепланировка помещения или перестановка мебели и т.д. При этом незначительные изменения связей могут приводить к существенным изменениям свойств системы в целом, в частности, к повышению ее устойчивости;

• -    «паттерны превращения», в которых происходит изменение свойств элементов и их связей. Примером реализации такого паттерна является цифровизации производства, при которой единицы оборудования и их связи могут остаться прежними, но их интеграция осуществляется в цифровом двойнике, а на единицы оборудования поступают только конечные управляющие команды из цифровой системы управления производством.

Определение примитивов . Для примитивов могут быть выделены две группы определяющих их базовых законов: законы свойств и законы действий (Грибков, 2023: 18).

Законы свойств формулируются следующим образом: «существуют первичные свойства бытия» (1-й закон свойств); «все свойства, кроме первичных, являются комплексами первичных свойств и имеют ограничения и особенности, обусловленные первичными свойствами» (2-й закон свойств). Если исходить из представлений механического детерминизма и дискретности материи, то к первичным свойствам бытия относятся: протяженность материи и пустоты; телесная непроницаемость, инертность, дискретность, исчисляемость и движение материи.

Законы действий включают в себя 3 закона: «действия частей бытия друг на друга порождаются их свойствами» (1-й закон действий), «действия частей бытия друг на друга противоположны, а направление действия одной части бытия на другую совпадает с направлением ее движения» (2-й закон действий).

Все множество примитивов может быть разделено на две группы: примитивы свойств, определяемые законами свойств, и примитивы действий, определяемые законами действий.

Все разнообразие свойств, очевидно, не исчерпывается первичными свойствами, однако наша цель - определить множество наиболее простых примитивов, из которых можно получить любые свойства. Поэтому должны быть примитивы как наделенные первичными свойствами бытия, так и более сложные, представляющие собой их совокупности.

Мысленные опыты конструирования примитивов «чистым разумом» на основе базовых законов бытия, верифицированные сопоставлением с примитивами, фиксируемыми в существующих паттернах в различных предметных областях, позволили сформировать предварительный набор универсальных примитивов, которые, как уже было сказано, делятся на две группы.

• 1.    Примитивы свойств:

• -    «нулевой примитив», свойства которого не указываются и не предполагаются;

• -    «первичные примитивы», наделенные только первичными свойствами бытия;

• -    «вложенные примитивы», представляющие собой иерархические многоуровневые структуры, где на каждом уровне появляются дополнительные вторичные свойства;

• -    «вторичные примитивы», обладающие заданным набором вторичных свойств, генезис которых не определяется;

• -    «среда из примитивов», представляющая собой совокупность действующих друг на друга примитивов, выступающая в качестве посредника при действии друг на друга примитивов (обычно более высоких уровней);

• -    «периодические примитивы», направление действия которых на среду из примитивов периодически изменяется на противоположное.

• 2.    Примитивы действий:

• -    «элементарные примитивы», обеспечивающие перенос свойств от одних примитивов свойств к другим, следствием которого является их количественное изменение;

• -    «дифферентативные примитивы», обеспечивающий разделение различных частей или ипостасей объекта (системы) в виде абстрактных подсистем, связанных между собой, но обладающих определенной автономностью;

• -    «интегративные примитивы», обеспечивающие структурную интеграцию множества разнородных элементов в одну систему (или подсистему), далее характеризующуюся общим набором внешних свойств;

• -    «инструментальные примитивы», строго определенным образом изменяющие свойства системы при добавлении к ней;

• -    «рамочные примитивы», предоставляющие для формирования системы рабочее поле с установленными правилами по типам и действиям элементов (примитивов свойств);

• -    «примитивы рефракторинга», обеспечивающие оптимизацию (по заданным критериям: упрощения, упорядочивания и др.) внутренней структуры системы при сохранении ее внешних свойств;

• -    «примитивы замещения», обеспечивающие действие по замене элементов системы, приводящее к декларируемым изменениям свойств.

Реализация всех указанных примитивов действий имеет следующие варианты:

• -    «прямое действие», соответствующее 2-му закону действия;

• -    «действие через среду», при котором действие первого объекта (или примитива свойств) на второй происходит посредством действия первого объекта на среду, приводящего к ее изменению, которое влечёт за собой действие окружающей среды на второй объект;

• -    «действие через посредника», при котором действие от одного объекта (или примитива свойств) к другому передается через посредника - третий объект или объекты (частным случаем данного примитива является «адаптер», в котором параметры действия первого объекта на посредника отличаются от параметров действия посредника на второй объект).

Заключение . На основе проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы.

• 1.    Для расширения прикладного использования общих теорий систем целесообразно использовать понятия паттернов и примитивов, существенно упрощающих представление систем.

• 2.    Базой для разработки общей теории систем, использующей паттерны и примитивы должна стать разрабатываемая нами эмпирико-метафизическая общая теория систем, согласно которой для познания мира можно использовать дедуктивный подход, отталкивающийся от первичных свойств бытия, которые могут быть заданы «чистым разумом» (априорно) либо определены индуктивно и традуктивно, исходя из эмпирических знаний о мире.

• 3.    Несмотря на большое разнообразие свойств систем в различных предметных областях, определение ограниченных наборов паттернов и примитивов возможно и практически реализуемо. Собранные наборы паттернов и примитивов обеспечивают охват основной части существующих систем.