 |
Как система влияет сама на себя: механизм обратной связи
|
|
|
|
Как система влияет сама на себя: механизм обратной связи
Системы, контролируемые информационной обратной связью, лежат в основе всех человеческих действий
и самого существования человечества, начиная с медленных эволюционных изменений и заканчивая запуском спутников в космическое пространство...
Что бы ни делали отдельные люди, промышленные предприятия или общество в целом — все так или иначе связано с системами, имеющими информационную обратную связь.
Джей Форрестер [11]
Если величина запаса стремительно увеличивается, быстро уменьшается или удерживается в определенных рамках независимо от того, что происходит вокруг, значит, в системе действует какой-то управляющий механизм. Другими словами, если вы наблюдаете какой-то тип поведения в течение некоторого времени, вы с полным на то основанием можете заключить, что в основе этого типа поведения лежит определенный механизм. Реализуется он через цикл (петлю) обратной связи. Демонстрация определенного типа поведения в течение продолжительного времени — первый признак того, что в системе присутствует обратная связь.
В системе точно присутствует цикл обратной связи, если изменение уровня запаса влияет на входные или выходные потоки, ведущие к запасу или исходящие из него. Обратная связь может быть явной и достаточно простой. Для примера можно привести накопительный вклад в банке. Суммарное количество денег на счете (запас) влияет на то, сколько денег будет начислено в качестве процентов и приплюсовано к вкладу. Именно поэтому начисление банковских процентов производится с определенной периодичностью (не реже раза в год). Суммы, начисленные в виде процентов (входной поток) не будут постоянными; они меняются в зависимости от того, какая сумма уже есть на счете.
|
|
|
Другой вариант простой обратной связи можно наблюдать, если у вас есть текущий банковский счет, на который вам перечисляют зарплату. Если при ежемесячной проверке счета вы заметили, что сумма на нем (запас) слишком уменьшилась, вы можете взять сверхурочную работу или подработку, чтобы получить больше денег. Деньги, перечисляемые на счет, — это входной поток, и вы его регулируете для того, чтобы довести сумму на счете до желаемого уровня. Если в результате ваших действий сумма существенно увеличилась, вы можете счесть, что пора расслабиться и работать поменьше, и таким образом уменьшите входной поток. Такой тип обратной связи позволяет контролировать сумму на счете и поддерживать ее в желаемых границах. Вы можете сказать, что увеличение или уменьшение доходов — не единственный цикл обратной связи, влияющий на сумму на счете. И будете правы: можно манипулировать еще и снимаемыми со счета средствами — то есть существует еще и цикл обратной связи, регулирующий исходящий поток.
Циклы обратной связи могут удерживать уровень запаса в определенных пределах, заставлять его расти или уменьшаться. В любом случае потоки, ведущие к запасу или исходящие из него, меняются в зависимости от величины самого запаса. Что-то или кто-то, отслеживающий уровень запаса, принимает меры и изменяет величину входного и/или выходного потока, что приводит к определенному изменению уровня запаса. Уровень запаса управляется обратной связью, которая строится на последовательности сигналов и действий, позволяя запасу влиять на свою же величину.
Не во всех системах есть циклы обратной связи. Некоторые (немногочисленные) системы представляют собой отно-
| Рис. 8. Как читать потоковые диаграммы с обратными связями. На каждой диаграмме такого типа присутствуют: запас; поток, изменяющий величину запаса; информационная связь (показана дугообразной стрелкой), управляющая действием. Она либо усиливает действие, либо изменяет его за счет регулирования потоков |
|
|
|
На каждой диаграмме такого типа присутствуют: запас; поток, изменяющий величину запаса; информационная связь (показана дугообразной стрелкой), управляющая действием. Она либо усиливает действие, либо изменяет его за счет регулирования потоков
сительно простые последовательности запасов и потоков, не образующие замкнутый контур. На такую последовательность могут влиять внешние факторы, однако величины запасов никак не влияют на относящиеся к ним потоки. А вот системы, содержащие циклы обратной связи, встречаются достаточно часто. Они могут иметь интересную структуру и, как мы увидим дальше, порой демонстрируют довольно неожиданное поведение.
Цикл (петля) обратной связи представляет собой цепочку причинно-следственных связей, исходящую из запаса и возвращающуюся к нему же. Связи реализуются через набор решений, правил, физических законов или действий, зависящих от величины самого запаса. Изменение запаса вызывает изменение потока, в свою очередь, вызывающее дальнейшее изменение запаса, и т. д.
Стабилизирующие петли: балансирующий цикл обратной связи
Один из широко распространенных типов обратных связей стабилизирует величину запаса на определенном уровне — так, как это было в примере с текущим банковским счетом. Уровень запаса может поддерживаться не совсем неизменным, а просто оставаться в каких-то границах. Приведенные дальше другие примеры стабилизирующих циклов обратной связи наверняка вам знакомы. На них мы сможем изучить отдельные составляющие петель обратной связи.
Если вы часто пьете кофе, то вам знакомо такое поведение: когда человек ощущает упадок сил, он наливает себе чашечку крепкого черного кофе, чтобы взбодриться. Любитель кофе ориентируется на желаемое количество энергии для работы — это желаемая величина запаса. Задача такой системы доставки/потребления кофеина — поддерживать текущий запас энергии на желаемом уровне или близко к нему. Разность между текущим и желаемым
|
|
|
| Рис. 9. Запасы энергии в организме любителя кофе |
уровнем энергии и заставляет вас действовать, чтобы принять очередную порции кофеина. (Кроме того, у вас могут быть и другие причины, чтобы пить кофе: может, вам просто нравится его вкус или доставляет удовольствие выпить кофейку в хорошей компании. )
Обратите внимание: все подписи на рис. 9, как и на других потоковых диаграммах в этой книге, не содержат в себе оценки «больше/меньше». «Запас энергии в организме» — это именно сама величина запаса, а не утверждение, что «энергии слишком мало». «Принятие кофе» не означает «выпить больше кофе». Подписи сформулированы именно так потому, что многие циклы обратной связи способны работать в обоих направлениях. В нашем примере с любителем кофе петля обратной связи может скорректировать как недостаточное потребление кофеина, так и избыточное. Если вы выпьете слишком много кофе, то ощутите переизбыток сил, они будут так и распирать вас, поэтому прием кофеина захочется на некоторое время прекратить. Избыток энергии тоже создает разницу между текущим и желаемым запасом энергии (ощущение «перебора»), поэтому вы воздержитесь от употребления кофе до тех пор, пока уровень энергии не уменьшится. Диаграмма показывает, что петля обратной связи может изменять уровень энергии в любую сторону — как увеличения, так и уменьшения.
Можно было бы показать входной поток энергии проистекающим из символа «облака», но вместо этого лучше чуть-чуть усложнить диаграмму. Помните, все системные диаграммы — это упрощенные представления реального мира. Мы сами выбираем масштабы этого упрощения. В данном случае лучше указать еще один запас — то количество энергии, что запасено в организме и может быть активировано с помощью кофеина. Это нужно для того, чтобы показать, что система — это не только петля обратной связи. Как известно всем любителям кофе, действие кофеина непродолжительно. Образно говоря, кофе может заставить мотор крутиться быстрее, но при этом запас топлива в баке не увеличивается. Довольно быстро стимулирующее действие кофе ослабевает, и организм в результате испытывает еще больший дефицит энергии, чем до принятия кофеина. Появившаяся вновь разница между желаемым и имеющимся уровнем энергии заставит вас опять отправиться за кофейником. (Можете также посмотреть на систему, описывающую наркотическую зависимость, — она приводится дальше в этой книге. ) Будет гораздо лучше, если вместо очередной чашки кофе вы прибегнете к какому-нибудь другому способу обрести энергию, более действенному и полезному для здоровья: пойдете поесть, отправитесь прогуляться, как следует выспитесь...
|
|
|
Петли обратной связи, стабилизирующие запас на ка-ком-то уровне, позволяющие его регулировать и достигать желаемого значения, называются балансирующими циклами обратной связи. Внутри такого цикла на диаграмме ставится буква «Б». Балансирующие циклы стремятся к достижению какого-то значения, к стабилизации. Каждый такой цикл старается удержать запас на каком-то уровне или в каких-то пределах. Балансирующий цикл противодействует любому внешнему воздействию на систему. Если запас слишком велик, балансирующий цикл постарается уменьшить его. Если запас слишком мал, балансирующий цикл будет стремиться увеличить его.
А вот еще один пример, в котором присутствует кофе, — только на этот раз речь пойдет не о принятии решения человеком, а о действии законов физики. Горячая кружка кофе постепенно остывает до комнатной температуры. Скорость остывания зависит от разности между температурой кофе и комнатной температурой. Чем больше разность, тем выше скорость остывания. Петля обратной связи работает и в другом направлении: если вы приготовите кофе со льдом в жаркий день, он будет нагреваться, пока его температура не сравняется с комнатной. Цель этой системы — привести к нулю разность между температурой кофе и температурой в помещении, и неважно, какой знак имеет эта разность.
| Рис. 10. Остывание (слева) и нагревание (справа) кружки с кофе |
На рис. 11 показано, как меняется температура во времени, если кофе той или иной температуры приготовили, налили в кружку, но не стали пить. В примере рассматривается и горячий (даже почти кипящий) кофе, и кофе со льдом. Видно, как все кривые стремятся к одной и той же итоговой температуре — это и есть результат работы балансирующего цикла. Каким бы ни было начальное значение запаса в системе (в данном случае температура кофе), больше ли оно желаемого или меньше (выше или ниже температура, чем комнатная), балансирующий цикл обратной
|
|
|
| Рис. 11. Приближение температуры кофе к комнатной температуре |
связи приведет его к желаемому уровню. Скорость изменений в начале процесса выше, и она становится тем меньше, чем меньше разность между текущим и желаемым значением запаса.
|
|
|
