В данной работе приводится краткое описание теории «структурно-информационных многоуровневых организаций» [1]. Она является оригинальной разработкой, выполненной в лаборатории алгоритмического анализа работы мозга Биофака МГУ в 70-х годах прошлого века. Построение с помощью этой теории, на основе собственного формального аппарата, абстрактных систем, выделяющих основные системы отношений в сложных объектах и явлениях, позволяет, как полагают авторы, изучать скрытые механизмы их существования и выявлять истинную природу вещей.

В этой теории исходным является положение (принят постулат), согласно которому все объекты, процессы и системы имеют структурно-информационную основу, построены, как говорят авторы, на структурах отношений. Это обусловлено существованием в природе связей и зависимостей (отношений), которые, в конечном итоге, возникают в результате взаимодействий.

Теория структурно-информационных организаций была первоначально построена, с одной стороны, на основе изучения работы мозга, с другой, — в связи с развитием кибернетики, когда сам процесс построения отображения реальной действительности стал предметом исследования и конструирования. То есть на самом деле рассматривались специфические явления, связанные с отображением одной системой (мозгом человека) структурных отношений, существующих в другой (в объектах, явлениях и процессах окружающего мира). Решающее значение имело рассмотрение систем рефлексов, являющихся отображением существующих вовне комплексов причинно-следственных связей. Поскольку можно предполагать, что такое отображение является адекватным, то обрабатываемые мозгом структуры и структуры реальной действительности можно считать соответствующими друг другу. Исходя из этого и информационные структуры (в мозге, в компьютере), и структурные отношения действительности в данной теории рассматриваются с одних позиций – как структурно-информационные динамические организации. Естественно, к категории структурных организаций относятся и алгоритмические структуры.

Было принято решение начать изучение структурно-информационных отношений как таковых, рассматривая структурные отношения, существующие в объектах и явлениях внешнего мира, как первичные. Возникла идея исследовать системы структурно-информационных отношений, выделить их классы, изучить свойства, создать формальное описание по принципу дедуктивной аксиоматической системы. В связи с этим была разработана теория информационных структур (СИМО), в которой определено понятие абстрактной информационной структуры и созданы новые средства формального описания. В результате построения теории и её частных отделов подтвердилось, что всевозможные явления (в том числе при работе мозга) возникают как результат функционирования определенной организации информационно-структурных отношений.

Следует отметить, что эта теория, как развивающаяся, скорее всего ещё не имеет завершенного вида, поэтому возможны неточность формулировок, не устоявшиеся термины, некоторые разночтения определений, но тем не менее она является средством использования научно-обоснованных методов в исследовании и разработке сложных систем.

(В дальнейшем для простоты термины системы структурных отношений или структурно-информационные организации будут иногда именоваться как «информационные структуры» – ИС.)

Введение

Происхождение концепции структурных организаций связано с изучением «механизмов» эвристического мышления и построением эвристических программ для реализации эффективной интеллектуальной деятельности. (Эвристический подход, это менее трудоемкий, упрощенный, но результативный поиск решений на основе опытных приемов и правил, не поддающихся, как правило, вразумительному (последовательному рационалистическому) объяснению, не находящих своего объяснения. Эвристическое программирование занимается исследованием того, как эти приемы и способы могут возникать и формироваться. [2,с.7]) Развитие этого подхода (исследование приемов эвристического мышления и построения программ) на кафедре ВНД Биофака МГУ под руководством А.В. Напалкова привело в итоге к разработке теории многоуровневых структурных организаций, которые получаются абстрагированием от частных свойств объектов и выделения, по специальной технологии, структурно-информационных отношений в чистом («неискаженном») виде. Оказывается, что это позволяет находить общие теоретические основы разнообразных явлений – выделение структурно-информационных организаций дает возможность определять законы и принципы, знание которых позволяет не запоминать частности, а воспроизводить нужные сведения, исходя из общего теоретического понимания. При этом имеется качественное отличие от традиционного подхода теории систем, системного анализа.

Структурно-информационные многоуровневые организации присутствуют во всех сложных явлениях природы; они существуют объективно, независимо от того, есть ли у человека необходимость в решении той или иной задачи. При этом тот или иной объект или явление как система воплощает комплекс частных проявлений общих законов, определяемых на ИС. Причем в отдельных ситуациях складывается разное проявление законов. Возникает сложная система предметных (частных) отношений, определяющих специфическое предметное поведение.

Нужно сказать, что теория структурных организаций рассматривает не непосредственные взаимодействия, а их описание, представление – как опосредованные («информационные») структуры. (Например, понятие причинно-следственной связи представляет собой опосредованное описание взаимодействий или описание зависимости событий, явлений друг от друга.) Иными словами, иерархическая структура материи это один, а система структурных отношений – другой аспект рассмотрения, как правило не совпадающий с организацией материи, представленной исследователю. В отличие от эмпирических (наличных) структур структурные отношения представляют из себя организации, состоящие из нескольких иерархических уровней, между которыми имеется взаимодействие.

Структура отношений как структура более высокого уровня (как опосредованная, не фиксируемая в опыте), обычно замаскирована, поскольку человек всегда воспринимает только конкретную (эмпирическую) информацию. В то же время один и тот же принцип построения структуры или структура отношений более высокого уровня на предметном уровне (уровне явления) может проявляться в различной конкретной форме («частной интерпретации»). Поэтому для того, чтобы выделить их в «чистом виде» необходимо построение абстрактных систем и специальных символических средств формального описания.

Работа механизмов, связанная с поведением или существованием различных объектов и систем, также зависит от тех законов и явлений, которые определяются многоуровневой структурной организацией. Но обычные методы исследования больших и сложных систем (системный анализ, общая теория систем) по сравнению с теорией СИМО не дают таких результатов. Теория СИМО позволяет опознать и описывать законы и явления, связанные со структурами отношений, которые имеются в сложных объектах исследования. (Название «СИМО» предложено авторами концепции структурно-информационных организаций. Возможно, многим оно покажется не совсем удачным.) Когда в конкретной области происходит исследование механизмов сложной системы, то на основе задания (определения) и развития системы структурно-информационных построений строится частная теория. Эти построения могут описываться на формальном языке с использованием символов, но этот процесс не входит, не является какой-либо областью традиционной математики. Для описания структурно-информационных процессов применяется свой собственный формальный аппарат. В этом специфика и отличие теоретических построений данной теории.

Формальная, в данном случае, постановка задачи обычно обеспечивает успешное решение проблем, так как можно использовать дедуктивные методы на пути их решения. Экспериментальные методы также используются – как вспомогательные: при проектировании и построении теоретических конструкций, для предварительного отбора гипотез, для доказательства теоретических концепций.

Внутренние механизмы явлений

При раскрытии механизма поведения или существования нужно выявить основные законы, а не частные проявления. Вот, например, заключения, к которым пришли авторы в отношении биологических систем.

Рассматривалась концепция эволюциониста и генетика М.М. Камшилова. Были получены интересные выводы. «В действительности эволюционный процесс опирался не на случайность, а на законы, сформулированные в области теории информационных структур. Таким образом, он (процесс) мог, с одной стороны, использовать сложную структурную организацию окружающей действительности, а с другой стороны, те богатейшие возможности, которые заключаются в последовательном развитии систем алгоритмов, при котором структура одного алгоритма формирует другой, все более и более усложняющийся по форме комплекс управления» [1, c.70]

Другой пример. «Был поставлен и теоретически исследован вопрос: какие новые свойства должны появиться в системах ДНК-РНК-белок, если генотип будет организован по типу порождающих, реализующих, перерабатывающих структур. Результаты анализа были сопоставлены с описанием найденных ранее алгоритмов, определяющих процесс эволюции. Были получены модели, которые одновременно объясняли, как процессы, осуществляющиеся в клетках живых организмов, так и процессы эволюции. Это описание достигалось на языке теории СИМО. После этого оказывалось возможным «наложить» полученные схемы на уже выявленную ранее в области молекулярной биологии систему биохимических и биофизических процессов» [1, с.61]. (Порождающие, реализующие, управляющие, перерабатывающие структуры являются базовыми типовыми алгоритмическими конструкциями в теории СИМО.) Из этого следует, что генотип представляет собой сложную многоуровневую информационно-структурную организацию. Основные механизмы, обеспечивающие биологические процессы, осуществляются на информационно-структурном уровне, который только частично доступен изучению через геном (коды ДНК). Эта система проявляется в виде единой системы признаков организма (фенотип). В связи с этим для биологических организаций (как для организма и биоценоза, так и для процесса эволюции) выдвинута концепция СИМБС — «структурно-информационных механизмов биологических систем».

Важность информационно-структурной основы.

Концепция структурно-информационных организаций утверждает, что объекты и явления воплощают в себе «пересечения» частных реализаций, полученных с различных порождающих структур высокого уровня. Например, частные реализации законов оптики и механики по-разному участвуют в таких устройствах как глаз и фотоаппарат, хотя оба устройства используются для фиксации изображений на основе одних и тех же законов (оптики и механики). В то же время, существенное свойство структур – сходство свойств разных объектов, процессов и систем, если они имеют сходную структурную организацию; при этом совсем необязательно, что они будут обладать одинаковым поведением на конкретном уровне (это и является трудностью при определении общих закономерностей и механизмов поведения).

В сложной структуре отношений могут возникать качественно новые явления, специфика которых определяется способом (порядком) организации структур. (Например, алгоритмические структуры компьютерных программ, собираемые в том или ином порядке из элементарных инструкций типа операторов присваивания, проверки условия, ветвления, цикла, вызова подпрограммы и т.д.) Эта специфика приводит к обработке, преобразованию, которые определяются не суммой операторов, а соответствуют определенной семантике, зависящей от порядка взаимодействия и их отношений и связей. В свою очередь, эта специфика не зависит от характера или способа конкретной реализации структурных элементов в компьютере (например, алгоритм на языке программирования не зависит от типа компьютера). Поэтому информационные структуры могут «осуществляться» (обладают свойством осуществления), т.е. обретать свое воплощение, например, в физико-химической, в компьютерной или иной подходящей среде. При этом в получающихся системах возникает конкретное поведение. Каждая ИС, как уже говорилось, в разных частных реализациях может породить различные формы поведения.

В связи с важностью структурной основы, например, в области распознавания образов нужно признать наиболее существенным, определяющим не совокупность признаков, а структуру отношений и связей между этими признаками как единую систему. То есть важно выявлять не сумму единичных признаков, расставленных по значимости, а их структурную организацию как целое, «образ» и при распознавании сопоставлять структуру со структурой. (При этом, возможно, при распознавании придется уточнять её организацию в процессе итерации.)

Независимость от субстрата

Информационная структура как система структурных отношений может быть передана от одной системы к другой или зафиксирована в другой системе, независимо от конкретной морфологической, физиологической, физико-химической или «аппаратной» (в случае компьютеров) реализации, т.е. независимо от субстрата (среды реализации). Однако структурно-информационные процессы, несмотря на их реальность, не существуют сами по себе, как явления. В этом смысле их нельзя выявить просто обобщением экспериментальных данных. Это «мета»процессы, реализуемые в той или иной среде. В тоже время специфика структурно-информационных процессов не сводится к специфике субстратной основы. Это позволяет, например, заменять естественные органы искусственными или строить информационные модели, на основе которых возможно адекватное взаимодействие с действительностью.

Реальность структурно-информационных организаций сложных систем в некоторой степени объясняется тем, что при частичном (даже, казалось бы, несущественном) искусственном изменении характера или порядка взаимодействия непосредственно внутри субстрата (перестройки на уровне частной реализации), на котором эти структуры основаны, объект или явление со сложной структурой могут неузнаваемо изменить свои функции или потерять свойство системности. (Такие явления характерны для сложных технических систем и особенно сферы программного обеспечения компьютеров, где незначительное несогласованное изменение кода программ может приводить к непредсказуемым последствиям.) Но тем не менее, такое свойство структурных организаций не противоречит их независимости.

Возможности и преимущества

Как уже ясно, сложные системы отношений определяют явления внешнего мира. Структуры отношений можно выделять в чистом виде, исследовать их и получать результат в виде теории. Выделение информационных структур достигается построением абстрактных систем. Такое построение возможно за счет общности законов или структурной основы систем отношений. При выделении и абстрактном построении происходит своеобразное «сжатие» информации, так как на абстрактном (т.е. более высоком) уровне представления структуры отношений упрощаются. Соответственно упрощается манипулирование и преобразование этих структур и значительно ускоряется получение нужных результатов. (Мышление человека эвристично, и скорее всего, в его мозге при выработке решений также переработка информации происходит на более высоких уровнях, поэтому его интеллектуальная деятельность значительно эффективней искусственной машинной.)

На основе дальнейшего теоретического обобщения структурного подхода возможно построение единой целостной системы средств формального описания (у авторов: ЦЕМИСФО), нечто вроде теории построения конкретных теорий. Вместе с этим, с помощью использования методов абстракции имеется возможность исследования новых свойств и явлений, возникающих в сложных ИС. В результате описание таких систем на основе единой целостной теории позволяет от формальной постановки задачи непосредственно переходить к построению теории в конкретном научном направлении. Это означает, что могут создаваться естественные теоретические модели исследуемого объекта или системы.

Ввиду относительной независимости от среды-носителя структурно-информационные организации можно исследовать в «чистом виде» в искусственной среде (вычислительная машина или специальная символика вместе с правилами её преобразования, формальным аппаратом) для моделирования структурно-информационных процессов.

Теория СИМО позволяет устранить противоречие (противопоставление) между содержанием систем и формальным описанием, которое, как правило, имеется при математическом описании. Каждая информационная структура определяет специфическую семантику. Содержательность определяется сложностью организации структур [1, с.41]. С другой стороны, теория информационных структур обеспечивает обоснование тождественности теоретической схемы (модели) и наблюдаемого в природе. Это выражается в том, что в конкретном исследовании информационно-структурная основа (ИСО) теории (и входящая в её состав возможная математическая теория) должны совпадать с ИСО исследуемых явлений, объектов и систем.

Как уже говорилось, для исследования конкретных явлений строятся частные теории в рамках общей теории СИМО. Исследование включает анализ частных систем и процессов и формирование целостных гипотез (и их экспериментальное подтверждение). Конструирование системы описания начинается с создания основных ориентиров на основе анализа реальных объектов. В процессе проектирования привлекаются конкретные данные об объекте и проводятся дополнительные эксперименты с целью доказательства истинности созданных теоретических моделей.

Структура теории в каждой конкретной области, переход к математическим методам (которые могут разрабатываться специально) могут выводиться дедуктивно, на основе теории СИМО.

В этом подходе используется метод «параллельного проектирования». Он основывается на сочетании индукции и дедукции и имеет ряд преимуществ:

Если в обычных подходах используются изолированные модели, то с помощью централизованного подхода на основе теории СИМО создаются планы построения комплексов многоуровневых моделей. Для этого сначала производится структурно-информационная постановка задачи и создается целостная абстрактная модель исследуемого явления. И на такой информационно-структурной основе выбираются средства формального описания для наиболее полного изучения механизмов. В результате многоуровневого процесса формального описания она становится основой построения содержательной теории в различных областях биологии, химии и физики, возможно и информатики. [1, с.42]

Построение системы

Принципы построения теории СИМО связаны с разработкой методов раскрытия механизмов функционирования сложных систем. Концепция построения теории, в свою очередь, – с абстрагированием от частных свойств объектов и выделением структурно-информационных отношений в чистом, неискаженном виде. В результате она позволяет исследовать процессы, возникающие в сложных «конструкциях» структур. При этом оказывается возможным не только выделение, но создание метода теоретического анализа и построения абстрактных структур. (Следует уточнить, что понятие уровней, сформулированных в области теории структурно-информационных организаций, не совпадает с таким же понятием в организации физических, химических, биологических систем.)

Теория в конкретной области исследования возникает в результате развития абстрактной системы структурно-информационных построений. Понятие «построение абстрактных систем» используется в смысле выделения «основного процесса». Конкретно, должно быть проведено полное формальное описание всех участвующих структур, а затем формальное описание всех вводимых ограничений. Для этого должна быть выработана, составлена «информационно-структурная основа» – ИСО исследуемой области. Исходя из ИСО осуществляется развитие системы структурных построений, для выявления в них качественно новых свойств и явлений. Полученная теория обладает возможностями выявлять новые системы отношений и законы.

Структурно-информационной основой каждой теории является специальная многоуровневая организация порождающих структур, адекватная структурно-информационной основе действительности, в которую мы не можем произвольно вводить новые компоненты. Нужно найти, доказать их присутствие. (Например, К. Гедель при проведении своего доказательства теоремы о неполноте не учел этого положения. Он «сконструировал» автореферентную систему (на основе «геделизации»), в которой интерпретация чисел оказалась двусмысленна. В результате в математике оказались под сомнением основы формальной логики.) В этом смысле каждый отдел математики должен формироваться на определенной ИСО и может быть применен только к объектам и конструкциям, содержащим ту же информационно-структурную основу. Если это не соблюдается, то использование математики теряет свой основной смысл. [1, с.39]

Теория информационно-структурных отношений опирается на представление о взаимодействии и причинно-следственных отношениях как основах существования окружающей действительности.

Для изучения процессов взаимодействия была введена специальная система символического описания. Простейшая структура может быть отражена в форме .

Это означает, что действие b₁ в условиях наличия а₁ приводит к появлению а₂. Из этих элементов строятся узлы типа «И», «ИЛИ», «НЕ» [1 с.13; 2] и вводятся соответствующие им понятия. При этом полагается, что а или b не имеют никаких свойств, это лишь места структуры («локусы») куда можно вставлять элементы («субалтерны»). Элементы собираются в простейшие конструкции, которым можно давать кодовое обозначение, и уже эти элементы можно использовать для заполнения локусов в структурах более высокого уровня.

Самое интересное, что все свойства «элементов» определяются их связями с другими элементами структуры. Когда в локусы записываются конкретные элементы того или иного вида, возникает конкретизированная структура (частная интерпретация), которая определяет поведение конкретных систем.

Все сложные формы отношений, состоящие из нескольких уровней, в конечном итоге можно получить композицией перечисленных базовых (универсальных) компонентов (например, как на уровне отдельной функции мозга, так и информационной деятельности мозга в целом, как органеллы, так и жизнедеятельности целой клетки).

Базовые компоненты, в соответствии с многоуровневостью структурных организаций, могут быть нескольких категорий. Наиболее высокая категория объединяет абстрактные структуры («ВАКИС» – высшей абстрактной категории информационные структуры). Их локусы незаполнены.

Следующие категории — конкретизированные структуры («ИСОРД» – информационные структуры реальной действительности), их локусы конкретизированы субалтернами (содержат элементы, соответствующие предметным понятиям и действиям). Они широко используются при описании конкретных систем (информационных структур и алгоритмов деятельности мозга, макромолекулярных соединений, функциональной деятельности физиологических систем) и служат объектом переработки («предметом мысли») в частности при мышлении. Общие законы и свойства, сформулированные на верхнем уровне абстракции, справедливы для всех интерпретаций конкретизированных структур. (Так, например, при работе мозга материалом манипуляций для него служат ИСОРД. Все правила, законы переработки информации записаны на языке ВАКИС. При рассмотрении реальных объектов используются оба эти языка.)

Существуют структуры третьего рода, элементы которых определяют правила заполнения локусов в структурах первых двух категорий. При определении правил накладываются ограничения на имеющуюся, исходную «широту абстракций» управляемых ими структур, в результате чего возникает определенный аспект рассмотрения, соответствующий частной реализации. Например, из алгебры в некотором абстрактном представлении в одном случае можно получить арифметику, в другом – алгебру логики, в третьем – алгебру теории множеств. («При отсутствии каких-либо ограничений приходится рассматривать множество всех возможных СИМО. В этом случае при их исследовании оказывается невозможным установить достаточно сложные свойства структур и закономерности» [1, с.16].)

В СИМО понятие структуры и понятие элемента являются относительными. Более того, для некоторых структур элементами, заполняющими в ней локусы, могут быть целые структуры предшествующего уровня. Таким образом, понятие структуры становится первичным, а понятие элемента – вторичным. Целые структуры могут заменяться одним символом (кодовым названием) и на этой основе может изучаться также взаимодействие между разными уровнями описания. Такая гибкость формальных средств позволяет выделить нужный аспект рассмотрения и способствует универсальному использованию формального аппарата при изучении отношений, связей и взаимодействий, допускает построение общих теорий.

Язык описания в теории основан на выделении основных стандартных типов базисных информационных структур и процессов и введении символики для их обозначения. Например, информационная структура в общем обозначается буквой «тета» – q. Индекс сверху определяет уровень абстракции структуры в иерархии метауровней. Индексы снизу позволяют отличать одну структуру от другой. (Таким образом, например, операция порождения структурой p_оθ^i+k частных реализаций {p_оmθ_jⁱ} обозначается формулой

Такое описание определяет любое порождение одной структуры уровня i другой структурой уровня i+k. Оно не включает никаких дополнительных свойств. Между тем, при анализе более сложных форм структурно-информационных процессов такое описание позволяет отразить процессы и механизмы явления.[1, с.16]

Определяющая структура более высокой категории порождает множество частных реализаций. В то же самое время частные реализации сами становятся порождающими структурами и приводят к частным реализациям еще более низкого уровня.

Построение «частных» теорий позволяет вырабатывать теоретические знания. Исходные данные для частной теории, с одной стороны, могут быть получены путем анализа конкретных явлений, с другой, – первоначальные идеи возникают при теоретическом рассмотрении новых композиций типовых структурных конструкций СИМО-теории. Рассматриваются также возникающие производные задачи, структуры и процессы. Они могут характеризовать качественно новые явления. Но так как не все такие структуры могут быть выявлены, предпринимается теоретическое развитие комплексных структур. (Интересно, что абстрактные понятия не возникают в результате простого обобщения фактов. При формировании частной теории выявляются порождающие структуры более высокого уровня иерархии. Они приводят к появлению абстрактных понятий. В одной из статей авторы сравнивают деятельность по преобразованию многоуровневых информационных структур с абстрактным мышлением.)

Этим дело не ограничивается. Производится доказательство существования этих структур, например, из построенной модели выводится такая частная реализация, которая совпадает с поведением какого-нибудь реального объекта исследования.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Теория СИМО (единая многоуровневая система средств формального описания). Сборник статей под ред. Н.В. Целковой.
   (http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001a/00160033.htm)
2. Напалков А.В. и др. ЭВРИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СТРУКТУР. – М., «Энергия», 1975, 136 с., (т.7000)