Эволюция сложности технических систем

В. Г. Горохов

Сложность машины как конгломерат простых машин – от античной механики до «театров машин» XVIII в. Сложные машины как целостность: анализ и синтез машин в теории механизмов и машин XIX–XX вв. Сложные технические системы в системотехнике: от технических систем к человеко-машинным системам (деятельность человека-оператора как сложная система) и социотехническим системам (сложные социотехнические проекты второй половины XX в.), сложность как комплексность – попытки редукции, сложность процесса создания больших (многоразмерных) технических систем. Сложность и простота многоразмерных и одновременно безразмерных наносистем в наносистемотехнике. Эволюция сложности в условиях роста технологических рисков.

Ключевые слова: сложность и простота, технические системы, макро– и нано– системотехника, социотехника, технологические риски.

Простота и сложность – две стороны одной исследовательской стратегии, уходящей корнями в Античность. Об этом писал еще Аристотель: «Мы только тогда полагаем, что познали сложную вещь, когда узнаем из каких и из скольких начал она состоит»[336]. Однако особое значение эта проблематика приобретает в технике. Первоначально упор делался на анализ простых машин, из которых собирались и к которым сводились сложные машины. Однако постепенно сформировался иной подход – проектирование сложных систем как целостных уникальных образований, не сводимых к конгломерату простых частей. Именно формированию этого подхода и посвящается данная работа.

От античной механики до «театров машин» XVIII в.

Античная механика разложила по полочкам так называемые простые машины, из которых собраны все сложные. Каждой из этих машин (блок, винт, полиспаст и т. п.) соответствовали определенные методы расчета. Но сборка из них сложных машин оказывалась уже в Новое время не такой простой[337]. Над этой проблемой бились многие инженеры и ученые, в том числе и Галилей. Однако по-настоящему эта проблема возникла перед наукой о машинах в конце XVIII века, когда количество машин и механизмов стало настолько большим, что их описание заняло несколько объемистых томов различных «театров машин», наиболее известным из которых является десятитомный труд германского механика Якоба Леопольда[338]. Уже тогда стало ясно, что редукция сложных машин к простым не дает в руки механиков надежного инструмента не только для их создания, но и для анализа и описания.

К более поздним таким описаниям машин и механизмов можно отнести Энциклопедию Дидро, вышедшую в свет в 1762–1777 гг. и включившую в себя 35 томов со сведениями из самых различных областей науки и искусства. Наряду с так называемыми, свободными искусствами, важное место в энциклопедии отводится прикладным или механическим искусствам, включая технику[339], которые не только явно демострируют свою полезность, но и особую «философию»: они «обеспечивают людям то господство над природой, которое восхваляют прекрасные искусства. Господство, которое реализуется через комбинирование практики вместе с опытом и теории вместе с размышление»[340].

Разработка разнообразных машин (подъемных, паровых, прядильных, ткацких, мельниц, часов, станков и т. п.) к концу XVIII века превращается в самую развитую областью инженерной деятельности. Реально существующие и замышляемые механизмы и машины становятся предметом описания и предварительного исследования, которое, однако, основывалось первоначально все на той же известной со времен Античности теории простых машин. Герои Александрийский перечисляет пять таких простых механизмов: ворот, рычаг, блок, клин и винт. Галилей добавляет к ним еще наклонную плоскость. Эти простые машины становятся теперь теоретическими конструктами, из которых составляются более сложные конструкции (например, соединение колеса, винта и ворота дает более сложную машину – бесконечный винт, или червяк). Чтобы применить теорию простых машин в инженерной деятельности, необходимо было так схематизировать сложные машины, чтобы их части можно было представить в виде сочетания нескольких простых машин, с которыми были связаны типовые расчеты. Однако многочисленные машины, построенные к этому времени, не укладывались в статическую схему, основанную на изображении передачи сил. В инженерной практике все более требовалось осуществить передачу движения с изменением его характера, направления, скорости. Это было обусловлено особенностями машинного производства, где множество станков должны были приводиться в движение одной машиной-двигателем, например, паровой машиной. Для проведения инженерных расчетов, без которых невозможно создание сложных машин, требовалась определенная схематизация проектируемой технической системы – машины. Уже не ведутся дебаты о том, должна ли техника развиваться вместе с математикой или без нее, а лишь о том, какие математические методы должны в ней применяться и каким специфическим образом. В то же время математика еще не была готова для такого применения.

Решающий шаг от чистой математики в сторону ее приложения к описанию конкретных машин сделал Гаспр Монж, разработавший особую начертательную геометрию, которая, оставаясь строгой математической наукой, давала средства для такого описания. Начертательная геометрия давала инженерам математически точную систему графических изображений, позволяющую схематизировать пространственные структуры в виде плоскостного изображения, проводить на нем необходимые расчеты с помощью стандартизованных математических преобразований, а затем переносить полученные результаты на реальные условия. Такого рода задачи постоянно возникали и решались в инженерной практике в области архитектурного проектирования, строительства, геодезии и картографии. Монж попытался перенести этот математический инструмент в область проектирования машин и механизмов, дающий инженеру графический метод решения инженерных задач с помощью бесконечного множества преобразований плоских фигур.

По предложению Монжа курс построения машин, введенный им впервые в Парижской политехнической школе, должен был составить часть курса начертательной геометрии. Машина теперь рассматривалась не с точки зрения равновесия ее частей, как это делалось прежде, а сточки зрения движения частей в соответствии с требованиями инженерной практики. Элементарные составные части машины стали тогда описываться как приспособления, с помощью которых можно получить из движений одного вида движения другого вида. Такого рода идеализированное представление машины было необходимо инженеру, создающему проект, во-первых, для проведения расчетов и, во-вторых, для ее описания в виде последовательности преобразований естественного процесса – движения. Для применения графических и аналитических методов расчета необходимо было сначала особым образом изобразить, схематизировать техническую систему (машину). Начертательная геометрия как раз и описывала геометрические средства и законы такой схематизации.

Работы последователей Монжа были направлены на адаптацию выбранной им исходной теоретической схемы в соответствии с обширным новым эмпирическим материалом, накопленным к этому времени в практике создания машин. В этом смысле является показательной книга И. Ланца и А. Бетанкура «Курс построения машин»[341], которая представляет собой одну из первых попыток теоретической систематизации и объяснения всех основных машин того времени. Они составили обширную таблицу элементарных машин, дав ее описание в своей книге. В предисловии к английскому изданию их книги говорится, что она дает массу важной практической информации и может рассматриваться как грамматика науки о машинах.

Создать обобщенную теоретическую схему сложных машин, которая позволила бы не только объяснять принцип действия существующих, но и облегчить создание новых механизмов, поставил своей целью немецкий инженер Франц Рело.

Сложные машины как целостность: анализ и синтез машин в теории механизмов и машин

Задача, которую поставил перед собой Франц Рело, заключалась в том, чтобы разработать общие методы анализа и синтеза сложных машин, не привязанные более к теории простых машин античности. Рело разлагает машину в соответствии с кинематическим принципом передачи движения на кинематические стандартные звенья и пары.

В своей книге «Теоретическая кинематика»[342], опубликованной в 1875 году, Рело развивает представление о кинематической паре. Составляющие ее тела он называет элементами пары. С помощью двух таких элементов можно осуществить различные движения. Несколько кинематических пар образуют кинематическое звено, несколько звеньев – кинематическую цепь. Механизм является замкнутой кинематической цепью принужденного движения, одно из звеньев которой закреплено. Поэтому из одной цепи можно получить столько механизмов, сколько она имеет звеньев. Любые механизмы могут быть представлены как состоящие из иерархически организованных цепей, звеньев, пар и элементов, т. е. они сконструированы, во-первых, с помощью фиксированного набора элементов и, во-вторых, ограниченного и заданного набора операций их сборки.[343] Это обеспечивает, с одной стороны, соответствие абстрактных объектов конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой создает возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне. Им задается представление технической системы как иерархической упорядоченности. Машина теперь может быть представлена в виде совокупности единиц, составляющих системную иерархию. Поскольку же все механизмы оказываются собранными из одного и того же набора типовых элементов, то остается задать лишь определенные процедуры их сборки и разборки из идеальных цепей, звеньев и пар элементов, т. е. синтеза и анализа сложных машин.

Франц Рело следующим образом формулирует задачи анализа и синтеза кинематических схем в теории механизмов и машин.

Кинематический анализ заключается в разложении существующих машин на составляющие их механизмы, цепи, звенья и пары элементов, т. е. в определении кинематического состава данной машины. Конечным результатом такого анализа является выделение кинематических пар элементов (предел членения). Системная иерархия, таким образом, замыкается снизу предельной единицей, которая все еще сохраняет основные черты данной системы, но не может уже больше быть разложенной на единицы, а только на элементы. Глубину же системной иерархии от системы как целого до элементов характеризует уровень анализа, который выражает предел делимости данной системы на подсистемы.

Рис. 1. Элементарные пары механизмов по Рело: а) цилиндрическая пара С, b) призменная пара Р, с) винтовая пара S, d) е) f) жесткая кинематическая связь, g) h) i) k) I) m) n) o, p) q) – рис. слева. Элементарные пары механизмов по Рело: a) b) с) d) е) f) g) h) i) k) I) m) n) о) – рис. справ[344].

Кинематический синтез – это подбор кинематических пар, звеньев, цепей и механизмов, из которых нужно составить машину, производящую требуемое движение. И хотя Рело не применял математику, развиваемые им представления были весьма «геометричны» (см. рис. 1). Рело пытается построить особую «кинематическую» геометрию, называя ее «чистой кинематикой», описывающую различные приемы решения задач. Если Герои Александрийский рассматривает «комбинации однородных «простых машин» – сочетания по нескольку блоков, воротов и рычагов» и «комбинации неоднородных «простых машин» – сочетания ворот-винт, блок-рычаг-ворот-винт»[345], то у Рело, напротив, речь идет от расчленения сложных машин на составные элементы. То есть задача была сформулирована принципиально иначе, чем в античной механике и науке Нового времени: найти способы разложения сложных машин на части, которые составляют единое целое. В данном случае именно сложность выступает исходным пунктом исследования и проектирования, а не простые машины, из которых потом комбинируются в новые сложные. Такое сведение сложных машин к элементарным простым становится с развитием технической практики не только нецелесообразным, но и невозможным. Это диктует, с одной стороны, инженерная практика, которая, с другой стороны, стимулирует развитие новой технической теории.

Развитие теории механизмов и машин задало образцы рассмотрения сложных технических систем и в других областях техники. Исходным в этом процессе движения к выработке общей теории технических систем были попытки обобщенного описания электрических цепей. Задача их теоретического описания была связана с усложнением инженерных задач по их расчету и проектированию, где оказалось недостаточно тех средств, которые были развиты в классической электродинамике и теории электричества.

Теория электрических цепей имеет дело не с огромным разнообразием конструктивных элементов электротехнической системы, отличающихся своими характеристиками, принципом действия, конструктивным оформлением и т. д., а со сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений, представляющих эти идеальные элементы на теоретическом уровне. К таким элементам относятся, прежде всего, емкость, индуктивность, сопротивление, источники тока и напряжения. Следующим уровнем идеализации в теории электрических цепей стали схемы, отображающие электромагнитный процесс, протекающий в электротехническом устройстве при его функционировании. Сама цепь на них представляется совокупностью элементов и связей, образующих путь для электрического тока, основными параметры которого для синусоидального тока – напряжение, сила, мощность, амплитуда, фаза и частота. Элементы электрической цепи образуют ветви, которые соединяются в узлы и контуры при помощи идеальных электрических связей, т. е. связей, не обладающих сопротивлением, индуктивностью и емкостью, хотя реальные проводники ими, конечно, обладают. Это описание аналогично разложению механизма на элементарные пары. Любой элемент электротехнической цепи рассматривается как идеальный двухполюсник, действие которого на проходящий через него ток описывается линейным уравнением. К таким двухполюсникам относятся линейные пассивные элементы электрической цепи, могущие быть постоянными и переменными, – омическое, индуктивное и емкостное сопротивления, а также идеальный диод, ключевой элемент цепи, проводящий токтолько в одном направлении. Кроме того, в них включаются обязательно активные двухполюсники – идеальные источники тока и идеальные источники напряжения. Несколько сложнее обстоит дело с нелинейными элементами, которые сначала замещаются эквивалентными схемами, содержащими линейные элементы. В данном случае, фактически, продолжается линия, заданная Рело, разложения сложной технической системы на элементы, которая дополняется, также как и в теории механизмов и машин, развитием методов их теоретического синтеза.

В дальнейшем формируются еще более общие для всех видов цепей методы их представления в теории четырехполюсников, которая постепенно становится достаточно абстрактной и уже содержит в себе некоторые черты системных представлений. Эта теория стала основой представления о «черном ящике» в кибернетике, т. е. о системе, изучаемой извне, не интересуясь ее внутренней структурой. Четырехполюсник представляет собой обобщенную систему, имеющую два входа и два выхода, к которой приводятся многочисленные конструктивные идеальные блоки: фильтры, контуры, усилители и т. д. Представление о четырехполюснике вводится для перехода к математическим соотношениям, позволяющим уравнения, составленные на основе законов Кирхгофа (описывают движение тока в контуре с четырехполюсником) представить в матричной форме. Решая данные уравнения с помощью теории матриц можно определить искомые конструктивные параметры четырехполюсников: входное сопротивление, мощность на входе и выходе, вносимое затухание и т. д. В теории четырехполюсников доказывается ряд теорем (обратимости, об эквивалентном генераторе и т. д.), что позволяет не только упростить расчеты, но и синтезировать новые схемы путем дедуктивного эквивалентного преобразования четырехполюсников. Два четырехполюсника называются эквивалентными, если в электрической цепи они вызывают одинаковое действие, т. е. распределение токов и напряжений во внешней цепи, подключаемой к четырехполюснику, не изменяется при замене одного четырехполюсника другим. При анализе сложных электрических схем их предварительно преобразуют в соединение более простых четырехполюсников, параметры которых берутся из специальных таблиц. Затем по матрицам каждого из них производятся математические операции над ними в зависимости от типа соединения. Такое преобразование позволяет найти наиболее экономичные и эффективные инженерные решения.

Таким образом, уже в теории электрических цепей наметилось обобщение, приведшее к выработки системного представления сложных технических систем.

К середине двадцатого столетия в теории цепей формируется новый этап, связанный с междисциплинарным исследованием различных типов цепей не только электрических и кинематических, но и гидравлических, пневматических и т. п. В результате такого расширения области исследования происходит обмен методами и представлениями различных дисциплин, их изучающих, и обобщение этих технических теорий в теории автоматического регулирования (следящих систем). Первоначально все они исследовались и рассчитывались по-разному. Однако постепенно формируются общие методы расчета, анализа и синтеза следящих систем. Классическая теория цепей стала постепенно областью науки, которая отходит от анализа и синтеза лишь электрических цепей, содержащих стандартные элементы, превращаясь в специализированный раздел знания более широкой научной дисциплины – теории систем. Главным здесь является математические соотношения между переменными, описывающими поведение системы (см. рис. 2).

Рис. 2. Таблица соответствия, механических, электрических и гидравлических регуляторных цепей[346]

Развитие системного подхода и системных представлений в области технических наук происходило за счет обобщения теоретических описаний объекта их исследования и проектирования при переходе от относительно простых технических систем к сложным системных комплексам.

Сложные технические системы – объект исследования и проектирования в системотехнике

Основное значение системотехники заключается в повышении эффективности инженерного труда, который реализуется большими коллективами специалистов различного профиля. Системотехника представляет собой особую деятельность по созданию сложных технических систем и в этом смысле является прежде всего современным видом инженерной, технической деятельности, но в то же время включает в себя и научную деятельность, поскольку является не только сферой приложения научных знаний. Над созданием проектов противовоздушной обороны, коммуникационных, энергетических, ирригационных систем, градостроительных и производственных комплексов, автоматизированных систем управления трудится целая сеть институтов, насчитывающих сотни высококвалифицированных специалистов. Особое значение в ней приобретает деятельность, направленная на организацию, научно-техническую координацию и руководство всеми видами системотехнической деятельности: с одной стороны, это – проектирование компонентов, конструирование, отладка, разработка технологии, а с другой – радиоэлектроника, химическая технология, инженерная экономика, разработка средств общения человека и машины и т. п. Системотехника возникла в результате усложнения процесса инженерного проектирования, необходимости его рациональной и научной организации. Но главная ее задача – стыковка и интеграция частей проектируемой системы в единое целое (рис. 3). Наряду с прогрессирующей дифференциацией инженерной деятельности по различным ее отраслям и видам, нарастает процесс ее интеграции. А для осуществления такой интеграции требуются особые специалисты – инженеры-системотехники. В системотехнике сама инженерная деятельность становится объектом планирования, организации и проектирования и должна поэтому также рассматриваться как особая система. Иначе говоря, большие системные проекты требуют организации и управления, а значит системного представления и описания самой системотехнической деятельности.

Рис. 3: Системотехника и социотехника: модель интеграции сложной системы

В системотехнике формируется новый тип технических систем, в которых произошло не только количественное увеличение числа компонентов и связей, но и сама эта система стала рассматриваться как целостная, хотя и состоящая из разнородных элементов, процессов, связей и отношений. Сложность технической системы обусловлена переходом от простой системы к составной и от акцента на анализе ее частей к рассмотрению целого. Сложность современных технических систем заключается в разнообразии и неоднородности их компонентов, связей между ними, их свойств. Использование в технической системе совместно даже только электрических и механических компонентов вызывает резкое усложнение связей между ними и нелегкие проблемы синтеза знаний в процессе моделирования и теоретического объяснения функционирования этих компонентов в системе. Объектом же современной инженерной деятельности становятся связи между человеком и машиной, экономические и в определенной степени социальные связи. Показателем сложности современных технических систем является также и то обстаятельство, что при их проектировании необходимо учитывать окружающую среду системы, рассматриваемую в качестве ее внешнего элемента. Вместо отдельного технического устройства, механизма, машины и т. д. объектом исследования и проектирования становится сложная человеко-машинная система.

Целостное описание сложной технической системы в системотехнике основывается на использовании методов и средств системного подхода. Таким образом здесь мы наблюдаем новый виток эволюции сложности, поскольку техническая система начинает рассматривать как социотехническая. Тогда фактически исследуются и проектируются системы деятельности с включенными в них машинными компонентами. Такой подход особенно рельефно выразился в разработках автоматизированных систем управления отраслями промышленности, особенно интенсивно развивашийся в нашей стране в 1970-е гг. в связи с задачей внедрения вычислительной техники в системы управления оборонных отраслей. В процессе внедрения такого рода автоматизированных систем (АСУ) стало очевидно, что прежде чем начать разработку АСУ предприятием или целой отраслью промышленности, необходимо провести анализ существующих организационных структур управления, т. е. проектировать систему управленческой деятельности. Причем управление не может быть полностью рудуцировано к его кибернетической модели, а должно рассматриваться как сложный динамический социально-экономический и организационно-технический процесс. Такая редукция была возможна лишь на первом этапе внедрения АСУ, когда направление автоматизации определялось не столько необходимостью и важностью выбранных задач, сколько их подготовленностью к автоматизации и возможностями реализации на существующей информационной и технической базе, т. е. так называемых «рутинных» процессов (типа бухгалтерского учета). Процесс создания АСУ становится сложной деятельностью, что стимулировало появление особых системотехнических групп и отделов, главная задача которых – стыковка деятельностей других инженерных групп, забота о создаваемой системе в целом. Поэтому именно в это время в различных российских вузах организуются кафедры системотехники, одной из главных задач которых является подготовка такого рода специалистов (точнее «универсалистов»), обладающих широким системным мышлением. Основными задачами таких инженеров-системотехников при разработке АСУ становятся интеграция системы в единое целое и системная организация процесса ее проектирования. Именно для решения такого рода системных задач и создавались в проектирующих эти системы организациях специальные подразделения – системного обеспечения АСУ. Главным образом системное обеспечение АСУ должно было быть сконцентрировано на научно-исследовательской деятельности, направленной на развитие и разработку системных проектных решений, обеспечивающих интеграцию системы, т. е. стыковка и обеспечение совместимости отдельных задач и подсистем, а также с системами верхнего и нижнего уровней управления.

Необходимость системного обеспечения АСУ стала очевидной на тех этапах развития, когда были уже созданы различные автоматизированные системы, появлялись все новые задачи, подлежащие автоматизации, и весь процесс становился трудно обозримым. Поэтому системное обеспечение разработки должно было быть направлено на решение тех задач, которые не могли быть предметом специального рассмотрения ни в одной из подсистем. Центральным звеном разработки АСУ становится именно системное проектирование, которое состоит из двух основных частей – создания системной модели АСУ и разработка системной модели деятельности по созданию АСУ. Следующий виток эволюции сложности в описании и проектировании технических систем связан с развитием наносистемотехники, наряду с макросистемотехникой.

Обычно системотехнику переводят как теорию сложных систем – large-scale systems (многоразмерные системы) – и этот термин сегодня часто применяют по отношению к наносистемам, рассматриваемым как сложные системы на наноуровне. В наносистемотехнике проблематика соотношения простоты и сложности нашла наиболее яркое выражение в концепции квантовых точек, которые являются такими крошечными частицами, как будто они – отдельные атомы, но в то же самое время «состоят из массива атомных кластеров», имеют сложную структуру, хотя и «представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью», т. е. являются «нульмерными системами». «Хотя кластеры, или островки, обладают определенной формой и конечными размерами (единицы или десятки нанометров), для данного типа структур принят термин «наноточки»»[347]. Например, один из видов наноточек, так называемые «корнельские наноточки» (см. рис. 4), являются «наночастицами, состоящими их ядра примерно в 2,2 нанометра в диаметре, в свою очередь содержащего несколько цветных молекул, которые окружены защитной кремниевой оболочкой, делающей целую частицу размером около 25 nm в диаметре. Исследователи назвали ее «ядерно-оболочковой архитектурой»[348]. Центральным понятием здесь является понятие элемента, который в общем виде лишь относительно неделим, но для данной системы он может рассматриваться как абсолютно неделимый. Если же элементы в свою очередь рассматриваются как системы, то это уже будут системы другого уровня, чем данная исследуемая система. Точно также и в нанотехнологии нанотрубки, с одной стороны, являются простейшими единицами более сложных наноструктур («при синтезе получается смесь нанторубок разных типов с различным характером и величиной электропроводности»), с другой – «нанотрубки могут иметь различную атомную структуру, причем трубки разной структуры имеют разные свойства», например, с точки электропроводности в зависимости от их структуры «они могут быть металлическими или полупроводящими».[349]

Рис. 4. Схематическое представление «корнельской наноточки» (Cornell Dot), в которую входит несколько молекул флуоресцентного родамина, окрашенного и включенного в центр капсулы. Окраска может изменяться в совокупности с кремнием, показанным слева в капсуле[350]

Таким образом, в системотехнике происходит возрастание сложности технических систем не только на уровне описания, но и в реальной технической практике.

С одной стороны, сложность технической системы связана с ее превращением сначала в человеко-машинную, а затем в социотехническую систему. В этом случае при их исследовании и проектировании становится необходимым учитывать внешние по отношению к технической системе факторы – социальную и природную среду. Деятельность использования и деятельность создания и совершенствования таких систем становятся неразрывно связанными с самими этими системами. Наиболее ярко эта тенденция проявляется в сфере социально-инженерных разработок. Проектирование не прекращается тогда, когда система уже создана, а поскольку система может устареть еще до того, как она создана, в проекте должны быть предусмотрены ее возможные будущие модификации. В проекте сложной человеко-машинной системы невозможно заранее учесть все параметры и особенности ее функционирования (можно лишь предсказать их с определенной степенью вероятности), поэтому в современной инженерной деятельности становится необходимой особая деятельность внедрения. Эта деятельность направлена на корректировку проектных решений в процессе отладки системы и в соответствии с изменениями социальных, природных, экономических, технических и т. п. условий, поскольку окружающая среда включается в проектируемую систему в качестве особого элемента. Продукт социотехнической деятельности – сложную систему – нельзя пощупать как штучное изделие – продукт традиционной инженерной деятельности. Однако это не значит, что он не существует реально. Он принадлежит к иным – социальным и психологическим реалиям, не регистрируемым с точки зрения традиционной инженерной позиции, основывающейся лишь на естественнонаучных знаниях и представлениях. «Социальные компоненты социотехнических систем не только нельзя игнорировать, но их необходимо учитывать в первую очередь. Для этого требуется проведение особых исследований. Действительно сегодня уже недостаточно говорить лишь об оценке последствий встраивания готовых технических систем в социальную среду. Социальные и технические компоненты социотехнических систем становятся объектом системного проектирования. Вероятно, правильнее даже говорить об социоэкологически-технических системах, поскольку экологическая проблематика в плане применения сложных технических систем приобретает с течением времени все большее значение»[351].

С другой стороны, глубина анализа и синтеза технических систем в наносистемотехнике простирается вплоть до уровня атомарных и квантовомеханических процессов при плавном переходе от макро к микро и нано подсистемам. «Область микросистем охватывает широкую сферу технологий и микроэлектроники, объединившую микромеханику, микроструйную технику и микрооптику с целью фабрикации сложных, многофункциональных интегральных микросистем»[352]. Наносистемотехника, как и макросистемотехника, включает в себя системное исследование и системное проектирование наносистем и с самого своего зарождения направлена не только на исследование, но и на реструктурирование материи.

Переход на наноуровень, его срединное положение между макро– и микропроцессами, порождает и новые проблемы, ранее неизвестные в классической электронике и требующие обращения за их разъяснением к неклассической физике. Созданный учеными Токийского технологического института «наноамперметр» для обнаружения единичного электрона, с одной стороны, аналогичен классическому амперметру, а с другой – сталкивается с иными закономерностями микромира. Этот прибор, по мнению его создателей, поможет «глубже изучить транспорт электронов в биологических наноструктурах» и пригодится в наноэлектронике. Интересно, что он может одновременно следить за отдельным электроном (что относится к сфере микрофизики и микроэлектроники) и в определенных пределах «измерять с высокой точностью протекающий через него ток». А это уже уровень классической физики и классическойй теории электрических цепей[353]. Отдельные молекулы или атомы могут образовывать кластеры, которые являются переходной единицей между макро– и наносистемами. Причем при определенных условиях кластер начинает вести себя как объемное вещество: «разные физические свойства кластеров достигают значений, характерных для объемных материалов при разных размерах кластера. Размеры кластера, при которых происходит переход к поведению объемного материала, оказывается зависящим от измеряемой характеристики»[354].

Заключительные замечания: эволюция сложности в условиях роста технологических рисков

Увеличение сложности технических систем влечет за собой рост рисков техногенных катастроф, а попытка преодоления этих рисков в свою очередь ведет к усложнению технических систем. «Уязвимость нашей техногенной цивилизации, повсеместно окружающих и включающих нас сложных технических систем становится все более очевидной… к таким системам относятся не только чисто технические системы. Речь идет фактически о социотехнических системах. К ним относятся, например, и различные инфраструктуры, разнообразные сетевые взаимосвязи, в которые мы включены вместе с самыми современными техническими устройствами и промышленными процессами, производящими эти устройства и поддерживающими их функционирование и использование. Именно сегодня, как никогда раньше, эти системы стали весьма уязвимыми. Естественно, что с целью уменьшения этой уязвимости, общество пытается уменьшить технологические риски всякого рода неполадок, ошибок, несчастных случаев, избежать техногенных катастроф. Для этого, например, сооружают многоступенчатые системы защиты и предохранительные устройства, как это имеет место, например, в энергетике. Но это, в свою очередь, еще больше усложняет как сами эти системы, так и возможность контроля и управления ими. Несмотря на все эти меры, можно констатировать, что проблематика технологических рисков, вопросы ответственности и безопасности сложных систем не только не снимаются с повестки дня, но становятся еще более актуальными и обсуждаемыми, чем это можно было бы себе представить пару десятилетий назад»[355]. В то же время стало ясно, что управление рисками, т. е. обращение с ними в современном обществе, и знания, на которых основываются решения по поводу технологических рисков, всегда остаются спорными, а изначальное стремление сделать их научно точно калькулируемыми является иллюзией.

Единой меры пользы и вреда в принципе не существует. Даже пересчет различного ущерба в денежных единицах ведет к произвольным и спорным результатам. Такой подход к расчету технологических рисков применим только там, где накоплен достаточный статистический материал и на основе частоты отказов отдельных компонентов сложных технических систем может быть сделан вывод о надежности системы в целом. В этом случае, например, частая поломка какой-либо детали в определенный отрезок времени экстраполируется как на всю систему в целом, так и на следующий период ее функционирования. Этот подход, однако, не применим к уникальным сложным техническим системам, где каждая новая авария является по своим причинам и следствиям уникальной. Это показали, например, сравнения аварий на атомных электростанциях. Даже если есть много общего, предыдущий опыт часто не применим к новым авариям, имеющих многочисленные новые, непредвиденные особенности. До тех пор, пока нет достаточного количества эмпирических случаев, можно дать лишь субъективную оценку, которая может выдавать желаемое за действительное, что и наблюдается, например, при авариях ядерных установок. Они всегда единичны и набирать здесь статистику не представляется возможным, а заинтересованные эксперты не могут быть объективными. Поэтому предусмотреть и прогнозировать их последствия становится в принципе невозможно. Кроме того, при оценке истинного объема причиненного вреда от техногенных аварий и катастроф огромную роль играют самые различные субъективные обстаятельства, которые часто упускаются из вида (например, страх ответственности, утрата доверия и т. п.), поскольку речь идет не о простых технических устройствах, а о сложных социотехнических системах. Это выводит проблему принятия решений в области техногенных рисков на совершенно новый уровень сложности, где возникают синергетические эффекты, которые очень трудно предусмотреть и соизмерить, поскольку они наслаиваются один на другой и создают каждый раз новые ситуации.

Необходимо принимать во внимание, что при использовании математических вычислений учитываются лишь те отношения, которые доступны математической обработке, т. е. могут быть количественно выражены или выразимы. Кроме того, определение вероятности того или иного события, которое может привести к аварии, затрудняется тем, что оно часто лежит за пределами познаваемого, а ее последствия измеряются не только в аспекте принесенного материального ущерба, как показали Чернобыльская катастрофа и авария на Фукусиме. Если раньше вопрос о рисках рассматривался лишь в рамках теории принятия решений с математическим уклоном и областью применения в сфере экономического страхования рисков, то сегодня в обсуждение этой темы включились также юристы, психологи и социологи, подчеркивающие, что технические инновации являются гипотетическими социальными структурами, создаваемыми не в лабораториях, а в рамках социотехнической деятельности, вторгающейся в профессиональную, общественную и даже частную сферы. С одной стороны, социальные структуры должны приспосабливаться к этим инновациям, а с другой – их внедрение неизбежно вызывает структурные социальные изменения.

Современное общество становится полем перманентного экспериментирования с новыми технологиями, следствия которого могут быть и являются не только позитивными, но и негатривными как для общества в целом, так и для отдельных его граждан, которые поневоле становятся подопытными кроликами. Такое изменение соотношения социальных и технологических изменений в современном обществе вызывает рост осознания технологических рисков и экологических угроз, связанных с внедрением и эксплуатацией сложных системотехнических комплексов, электростанций, производства потенциально токсичных субстанций, со стороны неконтролируемо разрастающихся масштабов новой индустрии утилизации практически всех промышленных продуктов. Иллюзия того, что рыночная экономика способна автоматически регулировать этот процесс моментально исчезнет, если вспомнить с какими техногенными катастрофами связано развитие крупных технологических комплексов в двадцатом столетии. В данном случае по сути дела речь идет о технологических рисках, природа которых социально-техническая.

Как показали аварии на Чернобыльской АЭС и недавняя на японской атомной электростанции «Фукусима», развитие технологий не делает нашу жизнь безопаснее. События последних лет показывают нам такие же проблемы в области гидроэнергетики, приводящие к затоплению жизненного пространства современного человека, крушения жлезнодорожных составов или катастрофических загрязнений огромных площадей отходами алюминиевого производства. Риски от внедрения и эксплуатации сложных технических систем перестали быть, строго говоря, техническими, а стали социотехническими. В любом случае техногенные катастрофы, связаны они с природными катастрофами или отказами техники из-за их неправильного использования или же неверного конструирования, всегда становятся социальными катастрофами, а значит должны «регулироваться» обществом.

Фактически современные сложные социотехнические системы должны стать самореферентными в смысле Никласа Лумана. Самореферентность системы представляет собой ее способность постоянно самоопределять отношение к самой себе и отдифференцировать их от отношений к окружающему миру, а также постоянно селектировать свои внутренние связи и элементы. Сложная социотехническая система при этом должна от наблюдения своих операций перейти к наблюдению своего наблюдения. Таким образом, она и не машина, и не организм, а особая самореферентная социотехническая система, контролирущая сама себя. Одним из центральных понятий лумановской теории систем является понятие самонаблюдения. Система только тогда существует, когда она сама себя наблюдает, т. е. самоидентифицирует себя, отделяя себя от окружающей среды. Многократное повторение процедуры дифференциации системы и окружающей среды, направленное внутрь данной системы, ведет к выделению в ней иерархии подсистем и одновременно к редукции сложности этой системы. Автопоэсис в данном контексте означает самоорганизацию, самоконституирование и саморепродукцию системы через построение подсистем. Именно в этом направлении идет процесс эволюции сложности в современных социотехнических системах.

Сложная социотехническая система конструирует окружающую среду как данную реальность и через эту процедуру утверждает и себя саму как реально существующую. Важно, чтобы при этом она становилась источником повышенных технологических рисков и не вела к социальным катастрофам, как, например, при сбросе лишней воды с плотин гидроэлетростанций или красного шлама бокситного производства. Сложность современных социотехнических систем связана в первую очередь не с техническими, а с социальными факторами. В этом и состоит особенность очередного витка эволюции сложности технических систем в условиях роста технологических рисков. Система становится настолько сложной, что не в состоянии не только управлять своей деятельностью и развитием, но и предсказывать негативные сценарии такого развития и способы их преодоления. Тогда опять перед обществом возникает старая проблема необходимости редукции сложности, которая может привести к спонтанной деградации существующей сложной системы.