Archiwum

Posts Tagged ‘korelator’

Systemy autonomiczne – wprowadzenie

2011-07-13 Komentarze wyłączone

System autonomiczny jest podstawowym pojęciem cybernetyki. System autonomiczny jest systemem, a więc zespołem elementów i powiązań między nimi będący więcej niż prostą sumą swoich elementów składowych. Jest autonomiczny, czyli posiada zdolność samoregulacji i samopodtrzymywania swojego istnienia.

System autonomiczny jest uogólnieniem pojęcia organizmu żywego. Cechy charakterystyczne dla wszystkich organizmów żywych, takie jak walka o przetrwanie, rozwój i rozmnażanie są definiowane w sposób abstrakcyjny, pozwalający na zastosowanie ich do szerszej klasy bytów, obejmującej struktury nieorganiczne, a także informacyjne i zjawiska społeczne. Metodologia cybernetyczna pozwala wykorzystywać dorobek rozmaitych dziedzin nauki, takich jak biologia, fizyka, informatyka, socjologia czy psychologia do analizy szerszej klasy zjawisk, niż ma to miejsce w przypadku każdej z nich z osobna. Jest więc ona nauką interdyscyplinarną, znajdującą się ciągle w stadium zarodkowym, ale mającą ogromny potencjał.

Czym zatem jest system autonomiczny? Najłatwiej zrozumieć jego pojęcie wychodząc od strony funkcjonalnej, czyli od funkcji, jakie spełnia taki system. Podstawową z nich jest przetrwanie. System autonomiczny posiada funkcję samoregulacji, redukując szkodliwe wpływy otoczenia za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego oraz wzmacniając wpływy pożyteczne dla systemu poprzez sprzężenia zwrotne dodatnie. Każdy organizm żywy posiada taką cechę. Weźmy na przykład bakterie, które pod wpływem niekorzystnych czynników środowiska przyjmują postać przetrwalnikową. Zdolność regulacji mają systemy społeczne, od najprostszych grup towarzyskich aż do instytucji i narodów. W ujęciu cybernetycznym nie jest zaskoczeniem prawo Parkinsona głoszące, że struktury biurokratyczne adaptują się w taki sposób, aby wykonywanie własnych zadań zajmowało im jak największy procent przeznaczonego na nie czasu, uzasadniając w ten sposób celowość swego istnienia. Zasadę tę wyolbrzymioną do absurdu przedstawił Stanisław Lem opisując ustrój Rybicji.

Kolejną funkcją jest rozwój. W czasie swego rozwoju wzrastają organizmy żywe, rozrastają się systemy ideologiczne i religijne, systemy informatyczne rozbudowują swoje zasoby danych. Istnieje jednak szeroka grupa systemów regulujących się, które nie rozwijają się, na przykład stworzone przez człowieka automaty regulujące procesy technologiczne. Za zaliczeniem ich do systemów autonomicznych przemawia moim zdaniem możliwość stosowania do ich analizy metodyk wypracowanych przez cybernetykę, a więc kryterium pragmatyczne. Ciekawym przypadkiem jest też myślący ocean z powieści St. Lema Solaris. Jako byt wypełniający cały ekosystem swojej planety nie ma on możliwości dalszego rozwoju, nieznana jest też możliwość gromadzenia przez niego nowych informacji (do momentu pojawienia się ludzi był ich prawdopodobnie od dawna pozbawiony). Przez dłuższy czas istniał on nie realizując funkcji rozwoju, co nie przeszkadza w niczym uznać go za zaawansowany system autonomiczny. Niewątpliwie jednak musiał się rozwijać, aby osiągnąć opisywane w powieści rozmiary.

Następną funkcją jest rozmnażanie. Jest to funkcja, którą posiadają wszystkie istniejące na Ziemi organizmy żywe. Rozmnażają się też np. sondy von Neumanna (hipotetyczne konstrukcje cywilizacji wyższego stopnia służące do eksploracji galaktyki). Nie rozmnaża się natomiast (i nie ma takiej potrzeby) myślący ocean z planety Solaris. Takie systemy zaś jak gatunki rozmnażają się wprawdzie (ewoluowanie od wspólnego przodka), ale jest to raczej efekt uboczny realizacji funkcji rozwojowej, w wyniku której poszczególne osobniki zaczynają się od siebie różnić zbyt bardzo, by się ze sobą krzyżować. Z punktu widzenia samego systemu autonomicznego rozmnażanie nie jest konieczne. Jest to funkcja poboczna, ale jest rzeczą dogodną obejmowanie jej metodologią cybernetyczną, ze względu na pożytek płynący z zastosowania analogii z organizmami żywymi (znowu pragmatyka).

W systemie autonomicznym można wyróżnić funkcjonalne podsystemy składowe. Klasyczne ujęcie autora Mariana Mazura wyróżnia 6 podstawowych podsystemów: receptory, efektory, homeostat, alimentator, akumulator i korelator.

Receptory to wyspecjalizowane układy stanowiące wejścia informacyjne systemu autonomicznego. Receptory odczytują dane ze świata zewnętrznego oraz z wnętrza systemu. Zarejestrowane dane podlegają następnie przetworzeniu, umożliwiając sprzężenie zwrotne w reakcji na zmianę warunków. Można sobie wyobrazić systemy, które pobierają informacje tylko z zewnątrz, albo takie, które pobierają informacje tylko z wewnątrz (te ostatnie to np regulator temperatury który mierzy wyłącznie temperaturę własną), ale system pozbawiony receptorów nie jest zdolny do regulacji, nie może więc być autonomiczny.

Efektory to układy oddziałujące na otoczenie zewnętrzne albo tylko na wnętrze systemu. Efektory umożliwiają realizację sprzężeń zwrotnych wewnętrznych i zewnętrznych, pobieranie energii i budulca (pokarmu), interakcje z innymi systemami.

Homeostat to mechanizm realizujący funkcje regulujące systemu autonomicznego. Zadaniem homeostatu jest utrzymanie pożądanego statu systemu. Czynniki wytrącające z pożądanego stanu są niwelowane za pomocą sprzężenia zwrotnego ujemnego (np przyspieszenie metabolizmu gdy spada temperatura), a czynniki pożądane są wzmacniane za pomocą sprzężenia zwrotnego dodatniego (np roślina obraca liście w kierunku do słońca). Homeostat aby zrealizować sprzężenia zwrotne wysyła polecenia do efektorów, natomiast informacje pobiera z receptorów (na podstawie których reguluje siłę sprzężenia zwrotnego) oraz z korelatora (który ustala parametry regulacji).

Alimentator to układ przetwarzający pobraną z zewnątrz (za pomocą efektorów) energię oraz materię (budulec systemu). W przypadku organizmów żywych jest to układ pokarmowy (zarówno budulec, jak i źródło energii), w przypadku prostych urządzeń np panele słoneczne (wyłącznie energia). Niektóre systemy mają rozdzielone funkcje poboru energii i budulca, np. roboty mające zdolność do regeneracji normalnie będą pobierały tylko energię (chociażby z ogniw słonecznych), ale aby naprawić uszkodzenia będą musiały pobrać z otoczenia stopy metali, tworzywa sztuczne itp.

Akumulator to układ przechowujący energię i materię pobraną z zewnątrz. Akumulator umożliwia funkcjonowanie systemu w sytuacji, gdy nie są dostępne źródła zasilania. Nie jest on jednak układem koniecznym – systemy autonomiczne pozbawione akumulatora będą zawieszać swoje funkcje życiowe, gdy zabraknie energii. Np. sonda kosmiczna mogłaby być zasilana wyłącznie ogniwami słonecznymi, więc po oddaleniu się od gwiazdy przestałaby działać, ale włączyłaby się ponownie, gdyby po zbliżeniu się do kolejnej gwiazdy ogniwa słoneczne zaczęły na nowo dostarczać prąd do jej układów.

Korelator jest układem przechowującym i przetwarzającym informacje w systemie autonomicznym. W przeciwieństwie do homeostatu, który odpowiada tylko za bieżącą regulację, korelator odpowiada za uczenie się systemu i steruje adaptacją do warunków zewnętrznych. System autonomiczny może być pozbawiony korelatora, ale wtedy nie będzie zdolny do uczenia się ani nie będzie zdolny do zmiany poziomu wartości regulowanej (np będzie utrzymywał stałą temperaturę, ale nie będzie w stanie obniżyć wartości docelowej, gdy ilość energii w akumulatorze spadnie). Systemy bez korelatora to bardzo prymitywne automaty, bo nawet proste organizmy jednokomórkowe są w stanie się przełączać między różnymi trybami funkcjonowania (przetrwalnikowy, gdy energii jest mało, podział komórki, gdy energii i materii jest pod dostatkiem).

Oczywiście poszczególne podsystemy składowe mogą wykazywać różny stopień komplikacji, w szczególności same mogą być rozpatrywane jako systemy autonomiczne. Na przykład narządy zmysłów człowieka nie są prostymi receptorami. Informacja zmysłowa zanim dotrze do homeostatu i korelatora, ulega wstępnej obróbce: filtrowaniu i kompresji. Podobnie efektory są skomplikowanymi układami wyposażonymi w układy regulacji i to, co z punktu widzenia homeostatu jest poleceniem prostym (skurcz mięśnia) w rzeczywistości jest skomplikowanym procesem fizjologicznym. Cały układ informacyjny ma też strukturę wielopoziomową. To, co dociera do naszej świadomości (korelator najwyższego stopnia) jest już przekształcone przez wyspecjalizowane układy interpretujące surowe dane jako znane obiekty (korelatory niższego stopnia, w ośrodkach funkcjonalnych mózgu).

Możliwe jest istnienie systemu autonomicznego nie wchodzącego w interakcje z istniejącymi systemami, np samotne sondy przemieszczające przestrzeń kosmiczną, ocean z Solarisa. Normalnie jednak systemy autonomiczne wchodzą w interakcje z innymi systemami znajdującymi się w ich otoczeniu. Otoczeniem systemu nazywamy podobszar świata zewnętrznego będący w zasięgu receptorów i efektorów tego systemu. Z kolei wycinek otoczenia, na który system aktywnie oddziałuje swoimi efektorami nazywamy jego strefą wpływów. Rozmiar otoczenia wyznacza maksymalny rozmiar strefy wpływów, niemniej jednak strefa wpływów jest z reguły znacznie mniejsza ze względu na ograniczony zasięg efektywnego oddziaływania, obojętność części otoczenia dla funkcjonowania systemu oraz interakcje z innymi systemami, które mają także swoje strefy wpływów. W sytuacji, gdy sfery wpływów systemów autonomicznych mają część wspólną, mamy do czynienia z konfliktem.

Kiedy wystąpi konflikt, możliwych jest wiele scenariuszy jego rozwiązania. Wyróżnić można cztery podstawowe: otwartą walkę, obustronne wycofanie, zimną wojnę i dominację.

Systemy mogą nawzajem przeszkadzać sobie w efektywnym działaniu w strefie konfliktu. Taka sytuacja może się utrzymywać przez dłuższy czas, np. gdy drzewa rosnąc przesłaniają sobie nawzajem światło. Taki scenariusz nazywamy zimną wojną. Jeśli walka przez oba systemy zostanie uznana za niekorzystną, może nastąpić scenariusz, w którym oba zmniejszą swoje strefy wpływów, przekształcając strefę wpływów w strefę neutralną. Scenariusz ten nazywa się scenariuszem strefy neutralnej.

Oba systemy mogą też podjąć otwartą walkę, w wyniku której jeden z nich wyprze drugi ze strefy konfliktu, w wyniku czego strefa wpływu zwycięscy nie ulegnie zmianie, a strefa wpływu przegranego ulegnie zawężeniu. Tak jest w sytuacji, gdy jeden z systemów odniesie pełne zwycięstwo. W sytuacji niepełnego zwycięstwa strefy wpływów obu systemów ulegną zmniejszeniu, za to zmniejszy się też strefa konfliktu.

Możliwa jest też sytuacja, w której silniejszy system zdominuje system słabszy do tego stopnia, że wciągnie go do swojej strefy wpływów przekształcając jego system celów w taki sposób, że przestaje on stanowić dla niego konkurencję, a może nawet realizować jego własne cele. Jest to scenariusz dominacji, dobrze opisany w naukach politycznych, gdy silniejsze państwo pokonuje państwo słabsze i zmienia je w swojego satelitę.

Najciekawsze i najbardziej skomplikowane interakcje zachodzą pomiędzy systemami autonomicznymi, które zarazem są częściami składowymi innych systemów (wyższego rzędu). Te systemy same mogą być częściami składowymi innych systemów wyższego rzędu. Taka sytuacja zachodzi w przypadku ludzi, którzy są członkami (częściami składowymi) systemów społecznych różnego rzędu: rodzin, grup towarzyskich, zawodowych, kościołów, narodów i społeczeństw. Rodziny na przykład same są elementami składowymi społeczeństw czy narodów, ale u człowieka może wystąpić konflikt pomiędzy przynależnością rodzinną, religijną a narodową. W ramach tego artykułu nie ma jednak miejsca, aby chociaż w zarysie przedstawić złożoną dynamikę tego typu interakcji. Będzie to przedmiotem jednego z kolejnych artykułów.