В наиболее общем виде управление может быть определено как упорядочение системы, т.е. приведение ее в соответствие с существующими объективными закономерностями. При этом важно учитывать, что управление сложной системой, противодействие влияющим на нее факторам дезорганизации осуществляется естественными, самой системе присущими средствами и механизмами.
В этом плане динамическая система выступает в качестве самоуправляемой системы, заключающей в себе по существу две подсистемы - управляемую и управляющую, которые в единстве образуют систему управления. В качестве примера такой зависимости можно привести человеческий организм, который есть "в высочайшей степени саморегулирующаяся, сама себя поддерживающая и даже совершенствующаяся система".[4]
Управляемая система состоит как минимум из двух частей: управляемого объекта и управляющего объекта, которые всегда соединены связями. Прямой связью называется связь, идущая от управляющего объекта к объекту управления; обратной связью называется связь, идущая от объекта управления к управляющему объекту. Успешное управление сложными системами возможно лишь при наличии обратных связей; они позволяют определить состояние объекта управления, в частности, сравнить действительное состояние объекта управления с должным (целевым).
Таким образом, важной стороной процессов управления сложными динамическими системами является принцип обратной связи, согласно которому успешное управление может осуществляться только в том случае, если управляющий объект будет получать информацию об эффекте, достигнутом тем или иным его действием на управляемый объект. Несоответствие фактического состояния системы заданному и является тем сигналом, который вызывает перестройку системы с тем, чтобы она функционировала в заданном направлении. В случае рассогласования системы предполагается внесение необходимых управляющих воздействий, коррекций (от англ. correction - исправление, поправка).
Сбор информации о состоянии объекта управления и сравнение его действительного состояния с должным состоянием называется контролем.
Общая задача управления в медицине, биологии и спорте состоит в достижении необходимого (запланированного) эффекта в управляемых биологических системах. Управление в сложных биологических системах осуществляется при наличии отклонений в работе системы от нормы; "нормальное состояние" (гомеостазис) биологической системы обеспечивается " за счет прямых и обратных связей внутри функциональных систем организма и взаимосвязей между ними.
Как отмечает Т.В.Хутиев с соавт., при решении задач управления биологическими системами в связи с их сложностью, многопараметричностью и нелинейностью нецелесообразно проводить внутреннее разделение биосистем на устройства управления и объекты управления. При наличии отклонений устройства управления являются внешними по отношению к биосистемам организма. Любое внешнее воздействие является управляющим сигналом, который необходимо подбирать таким образом, чтобы привести функционирование биосистемы в "нормальное состояние".
Отклонения в работе биологических систем от "нормы" могут быть обусловлены эндогенными (внутренними) и экзогенными (внешними) причинами (факторами). Влияния этих факторов приводят к появлению переходных процессов в функциональных системах организма.[5]
В зависимости от характера, величины, длительности и кратности воздействий в организме могут наблюдаться различные последствия. При влиянии кратковременных и малоинтенсивных воздействий функциональные системы организма восстанавливают основные параметры жизнедеятельности организма за счет внутреннего управления путем кратковременной функциональной перестройки. При влиянии длительных, многократных или интенсивных воздействий функциональные системы организма восстанавливают нормальные значения основных параметров жизнедеятельности за счет длительной функциональной перестройки или структурных изменений внутренних систем управления.
Динамика функциональных и структурных изменений внутренних систем управления, направленных на компенсацию воздействий, определяет процесс адаптации организма.
Отмечено, что структурно-функциональные изменения в режиме адаптации являются обратимыми, а внутренние системы управления могут вернуться к режиму стабилизации при снятии воздействий.
В том случае, если внешние воздействия настолько интенсивны, что за счет структурно-функциональных перестроек внутренних систем управления невозможно поддерживать основные параметры жизнедеятельности в норме, то возникает патология, или переадаптация.
Процесс управления биологическими системами может быть охарактеризован адаптационными перестройками физиологических систем управления. Если воздействие внешних факторов настолько велико, что это приводит к патологическим изменениям, то с целью поддержания основных параметров жизнедеятельности организма в допустимых пределах к внутренним системам управления могут быть добавлены внешние.
Задачи управления биологическими системами тесно связаны с задачами диагностики и прогнозирования состояния. На примере систем живого организма эта связь выражается в логическом переходе от одной задачи к другой (диагностика - прогнозирование - управление) и необходимости возврата к ранее решенным задачам (диагностика эффективности управления).
При решении задач управления в биологии, медицине и спорте организм человека рассматривается как сложная биологическая система. При этом в самом общем виде задача диагностики заключается в определении характера и степени отклонений от "нормы", задача прогнозирования - в предвидении динамики исследуемого процесса, а задача управления - в оптимальном сочетании используемых внешних воздействий на организм человека с целью возврата к "норме" или расширения структурно-функционального оптимума систем организма.[6]
Специфические особенности биологических систем. В отличие от других систем управления биологические системы имеют специфические особенности. Во-первых, в организме очень трудно в чистом виде выделить систему автоматического управления. Это можно сделать только по отношению к отдельным выделенным показателям функционирования системы, и то лишь применив ряд ограничений. Во-вторых, в биологических системах объект управления практически никогда не задан изначально; его структуру и характеристики необходимо определять в ходе управления. В-третьих, системы управления по отношению к биологическим объектам управления являются внешними, они не должны вызывать не только неустойчивых, но даже неадекватных реакций организма. Одним из главных специфических свойств биологических систем является их структурная и функциональная сложность, которая определяется многомерностью, многопараметричностью и многосвязностью, проявляющимися в наличии большого количества разнородных параметров, многообразии связей между однородными и разнородными параметрами.
Другим важным специфическим свойством биологических систем
является гетерохронность протекания приспособительных процессов, происходящих в организме в ответ на внешние воздействия.
Следует также отметить, что биологические системы обладают способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды и (или) своим внутренним изменениям с целью повышения эффективности функционирования.
Диагностика состояния биологической системы.
Биологические системы управления организма отличаются высокой надежностью, устойчивостью и адаптивностью, поэтому их трудно вывести на неадекватный уровень функционирования.
Устойчивость и надежность биологических систем организма обусловлены их слаженным взаимодействием, способностью одной системы компенсировать измененную работу другой и сглаживать тем самым влияние измененной работы одной или нескольких систем организма на общее состояние организма.
Взаимодействие различных систем организма между собой, их сложное соподчинение, вариабельность управляющих сигналов со стороны внутренних систем управления, случайность и неопределенность внешних воздействий, влияющих на работу систем организма - все это в целом усложняет процедуру диагностики состояния целостного организма. Вместе с тем, в организме можно выделить приоритетные системы, оценка состояния которых может характеризовать и состояние всего организма. Относительно энергетического обмена веществ в качестве такой системы может рассматриваться система углеводного обмена; относительно двигательной деятельности человека и его способности выполнять физическую работу в качестве подобной системы может рассматриваться сердечно - сосудистая система. Таким образом, проблема диагностики физического состояния организма связана, во-первых, с выделением физиологических систем, на основе изучения показателей которых проводят оценку состояния целостного организма; во-вторых, со шкалированием простой, интегральной или комплексной оценки.[7]
В настоящее время используется несколько подходов к оценке состояния организма. Общепринятым подходом является оценка состояния организма на основе оценки отклонений от среднестатистической нормы некоторого множества доступных для измерения и наблюдения показателей функционирования физиологических систем организма. При использовании такого подхода окончательная оценка зависит от компетентности специалиста (эксперта), является субъективной, не очень точной и не является формализованной.
Возможность комплексной и интегративной оценки состояния организма предполагает выделение в структуре организма иерархических уровней различных физиологических систем (например, клеточный, органный и системный уровни). В том случае, если известны закономерности функционирования определенной физиологической системы (это является одной из основных задач биологической и медицинской кибернетики), и если эти закономерности имеют формализованное выражение, то представляется возможным получить комплексную оценку состояния организма в формализованном виде. В ином случае оценку состояния целостного организма выполнить или вообще невозможно, или возможно в упрощенном виде.
Иногда, в случае отсутствия знаний о закономерности функционирования конкретной физиологической системы для комплексной оценки состояния организма применяется более формальный подход, который предполагает использование весовых коэффициентов. Весовые коэффициенты характеризуют вклад каждого показателя в итоговую оценку.
Третий подход к комплексной оценке состояния организма предполагает осуществление динамических обследований или тестирований. Выбор тестового воздействия зависит от вида деятельности человека. Тест должен соответствовать специфике вида деятельности человека и обеспечивать нагрузку, приоритетную для этого вида деятельности. Такой подход к комплексной оценке состояния организма предполагает наличие относительно небольшого числа показателей; изучение особенностей изменения этих показателей во времени позволяет косвенно оценить глубинные механизмы функционирования физиологических систем.
В лабильном изменении исследуемого показателя косвенно отражается состояние различных систем организма, показатели которых не изменяются. При динамическом тестировании используются динамические свойства тестируемых систем; это позволяет уменьшить размерность пространства, в котором осуществляется комплексная опенка состояния.[8]
Безусловно, различные способы диагностики состояния организма имеют различную прикладную направленность.
Следует отметить, что полное решение задач диагностики состояния связано с рассмотрением понятия состояния как "динамического вектора в многомерном пространстве показателей, параметров показателей, адекватных функций физиологических систем".
И, наконец, как отмечает Т.В. Хутиев, оценка эффективности управления состоянием может быть сведена к анализу динамики показателей или оценок состояния до, во время и после применения управленческих воздействий.
На современном этапе развития научных исследований наиболее общее понятие управления выработано кибернетикой. Управление осуществляется только в достаточно высокоорганизованных подвижных целостных системах, способных в рамках основного качества переходить из одного состояния в другое. Общим в процессах управления является его антиэнтропийная направленность, т.е. где бы эти процессы ни протекали, все они связаны с уменьшением энтропии, уменьшением степени неопределенности пребывания системы в каком-либо состоянии.
В своей сущности процесс управления представляет собой противоположность процессам дезорганизации, это не что иное, как упорядочение системы.
Поскольку одной из основных задач управления
является сохранение ее качественной определенности при переходе из одного
состояния в другое, управляющие воздействия имеют в виду приведение системы в
соответствие с присущими ей объективными свойствами, закономерностями,
тенденциями, характеризующими ее качественную определенность.
.1 Особенности управления в биологических и
кибернетических системах
Кибернетика раскрыла наиболее общие закономерности управления. Показано, что процессы управления протекают не во всех, а лишь в сложных динамических системах, которым присуща сеть нелинейных причинно-следственных зависимостей; раскрыто антиэнтропийное содержание управления; определенно единство управления и информации; установлена мера, количество информации; показано, что необходимым атрибутом самоуправляемой системы являются обратные связи; выявлен целесообразный характер управления; сформулирована конечная цель управления; его идея - обеспечение оптимального течения процесса. Вполне естественно, что данные закономерности присущи и управлению сложными биологическими состояниями, их нельзя не учитывать и не использовать в биологических исследованиях.
Процесс управления организмом, по своей сути, есть процесс реализации программ роста, размножения, приспособления, движения и развития и т.д. Самыми важными являются генетические программы, поскольку они содержат стратегию управления - сохранения индивида и продолжение вида. Данный процесс можно изучать на основе использования методов моделирования, в частности методов кибернетического моделирования с помощью ЭВМ, создавая модели, которые воспроизводят количественные, а порой и качественные характеристики живого.
Модель - это такой материально или мысленно представленный объект, который в процессе познания заменяет объект - оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты.[9]
В основе моделирования лежит информация, общие (независимые от природы каналов связи) законы ее хранения, преобразования и использования, инвариантность (независимость от чего-либо) этих законов. Развитие науки о системах управления и кибернетики в целом выдвинуло задачу исследования природы и сущности информационных процессов, без которых невозможно функционирование ЭВМ и всех средств управления. Информацию, независимо от ее содержания и направленности, кибернетика трактует как выбор между несколькими значениями вероятностного характера, что позволяет подойти ко всем процессам управления с одной мерой, с единым принципом. С таких позиций управление вообще, и управление живым организмом в особенности, есть постоянное возникновение и решение проблемных ситуаций, вызываемых возмущающими воздействиями как извне, так и изнутри живой системы. Не вызывает сомнений, что разрешение данных ситуаций высшими организмами, и в особенности человеком, связано с формированием в управляющей подсистеме - мозге - специфической подвижной информационной модели.
П.К.Анохин определял информационную модель решения проблемной ситуации как "предвосхищающую модель", которая подвижна и формируется под влиянием результата функционирования организма. Именно результат "заводит" организм как функциональную, саморегулируемую систему. При этом один и тот же конечный эффект может быть достигнут множеством конкретных способов, что говорит об исключительной пластичности организма.