ПРЕДИСЛОВИЕ

В своих орудиях человек обладает властью над внешней природой, тогда как в своих целях он скорее подчинен ей.

Гегель

Понятие адаптации как инструмента («орудия») целенаправленного воздействия на объект, столь распространенное в биологии и социологии (известны и широко используются феномены биологической и социальной адаптации), в последние 20 лет стало фигурировать в математической, технической и особенно в кибернетической литературе [4—11]. Трудно сказать определенно, с чем связано пристрастие математиков и инженеров к биологической терминологии. Может быть, это инерция давно начавшегося процесса «биологизации» терминов кибернетики, который идет одновременно с процессом обогащения биологии кибернетической терминологией. Но возможно, что причины здесь более глубокие: огромные возможности биологических систем, выгодно отличающие их от самых совершенных технических устройств и вызывающие пристальное внимание, восхищение и даже зависть инженеров.

Необходимость введения адаптации хорошо чувствует всякий проектировщик, которому приходится создавать систему при значительной априорной неопределенности об условиях ее функционирования. Осреднение по этой неопределенности редко бывает удачным. С другой стороны, всякое осреднение поведения среды позволяет спроектировать систему, оптимально работающую только при среднем состоянии среды. Всякое же отклонение среды от среднего приводит к неоптимальности функционирования системы.

Именно поэтому так важно вводить в систему адаптирующие подсистемы, которые будут ее изменять, с тем чтобы поддерживать ее эффективность в оптимальном состоянии независимо от состояния среды.

Как видно, термин «адаптация» уже прочно вошел в инженерный лексикон и, следовательно, нуждается в более точном определении. Действительно, разъяснение понятия адаптации как приспособления к новым условиям, которое вполне удовлетворяет биологов и социологов, совершенно неудовлетворительно с точки зрения инженера. Для строгого определения этого понятия

следует рассмотреть процессы адаптации в биологии и социологии с инженерных позиций.

В понятие адаптации как активного действия (управления) обычно вкладывают два смысла: приспособление к фиксированной среде (условно назовем пассивной адаптацией) и поиск среды, адекватной данной системе (назовем соответственно активной адаптацией). В первом случае адаптирующаяся система функционирует так, чтобы выполнять свои функции в данной среде наилучшим образом, т. е. максимизирует свой критерий эффективности функционирования в данной среде. Активная адаптация, наоборот, подразумевает либо изменение среды с целью максимизации критерия эффективности, либо активный поиск такой среды, в которой достижим желаемый комфорт.

Очевидно, что в действительности оба вида адаптации встречаются одновременно и взаимодействуют друг с другом. Растения обладают преимущественно пассивной адаптацией, а животные — активной. В социальной жизни и та и другая адаптация проявляются, по-видимому, в равной мере. В обоих случаях для осмысления адаптации как процесса необходимо разобраться по крайней мере в двух обстоятельствах:

1 . Какова цель адаптации, т. е. что называть эффективным функционированием системы?

2. Каков алгоритм адаптации, т. е. каким способом достига ется поставленная цель?

Таким образом, задавая цель (какая бы она ни была) и способ ее достижения, мы тем самым определяем адаптацию как процесс.

Это означает, что адаптация ничем не отличается от управления (в широком смысле). Действительно, адаптация, как и всякое управление, есть организация такого целенаправленного воздействия на объект, при котором достигаются заданные цели.

Отождествляя адаптацию и управление, необходимо определить тип управления, к которому относится адаптация.

Распространено мнение, что адаптацию как управление следует отнести к оптимизации в обстановке помех, в процессе которой параметры объекта изменяются так, чтобы его показатель качества стремился к экстремальному значению независимо от изменения ситуации. Аналогичное определение приводится в книге Я. 3. Цыпкина «Адаптация и обучение в автоматизированных системах» (М., Наука, 1968): «...процесс изменения параметров и структуры системы, а возможно, и управляющих воздействий на основе текущей информации с целью достижения определенного, обычно оптимального состояния системы при начальной неопределенности и изменяющихся условиях работы». Здесь четко определено требование оптимизации по заданному критерию.

Однако сложные системы (особенно биологические и социальные), как правило, не имеют единственного критерия функционирования. Такого рода системы функционируют в обстановке многокритериальности, причем эти критерии могут быть не только экстремальными, но и иметь характер ограничений. Это побуждает формулировать сразу несколько критериев и варьировать их выбор в зависимости от сложившейся ситуации и внутренних потребностей самой системы. Таким образом, уже выбор критериев адаптации является процессом адаптивным и должен учитываться при определении адаптации.

Поэтому, с учетом особенностей сложных систем, адаптацию в широком смысле можно определить как процесс целенаправленного изменения параметров и структуры системы, который состоит в определении критериев ее функционирования и выполнении этих критериев.

Это определение включает приведенное выше, но, кроме того, позволяет изменять критерии функционирования системы, по которым оценивается эффективность ее работы при организации адаптации. Введение процедуры выбора критерия оптимальности в процессе адаптации расширяет понятие адаптации и сближает его с биологическим и социологическим толкованием. Последнее обстоятельство является очень важным.

Дело в том, что в технике пока очень мало эффективно работающих адаптивных систем — во всяком случае, значительно меньше, чем хотелось бы. Такая ситуация сложилась в результате того, что реальные объекты не терпят поисковых воздействий, необходимых для организации поиска экстремума критерия оптимальности. Интерес, проявляемый в последнее время к так называемым беспоисковым системам оптимизации, вызван именно этим обстоятельством. Однако далеко не все процессы адаптации могут быть выполнены беспоисковым способом, требующим информации о структуре объекта. Поэтому проблема адаптации в технике сводится к снижению той высокой платы, которую приходится платить за процесс адаптации.

Это можно сделать по крайней мере двумя путями — выбором удачного алгоритма адаптации при фиксированном критерии и удачным варьированием критериев при фиксированном алгоритме адаптации. Третий путь довольно естественно образуется варьированием алгоритмов и критериев. В технике применяется только первый путь. Биологические и социальные системы широко используют еще и второй путь адаптации — изменение целей, в чем, по-видимому, и заключается причина удивительно гибкой адаптивности этих систем, которой пока практически лишены технические системы адаптации.

Основная цель изучения процессов адаптации должна состоять именно в отыскании причин и механизмов гибкости

процессов адаптации в биологических и социальных системах с целью их перенесения в технические системы. Именно это соображение заставляет анализировать процессы адаптации на разных уровнях: от самого низкого — технического, до самого высокого— социального.

К сожалению, пока далеко не все идеи биологической и социальной адаптации могут быть формализованы и использованы в технических системах (например, известные феномены мгновенной адаптации и преадаптации). Однако то немногое, что уже доступно, дает великолепные результаты (например, алгоритмы адаптации, моделирующие биологическую эволюцию и поведение живых существ). Именно это позволяет надеяться, что следующий «прорыв» в области адаптивных систем будет именно в направлении моделирования биологической и социальной адаптации.

Однако в данной книге затронутые проблемы не обсуждаются: здесь пока слишком мало математически содержательных результатов. Эта книга появилась как обобщение работ автора в области адаптации и оптимизации сложных систем различного вида. Спектр рассматриваемых систем достаточно широк — от вычислительной сети до системы обучения иностранному языку. И каждая из этих систем адаптируется с использованием алгоритмов случайного поиска.

Применение случайного поиска для целей адаптации и оптимизации рассматриваемых систем имеет два основания. Во-первых, случайный поиск является наиболее эффективным средством адаптации сложных систем: он прост в реализации, легко модифицируется и программируется, имеет высокое быстродействие. Это объективные показатели, способствовавшие выбору случайного поиска в качестве основного инструмента. Есть и субъективные причины, связанные с предыдущими интересами автора, который последние 20 лет занимался разработкой и пропагандой алгоритмов случайного поиска. Естественно, что при решении прикладных задач был выбран именно случайный поиск.

Кроме теоретических вопросов в книге рассмотрено более десяти различных прикладных адаптационных и оптимизационных задач, в решении которых принимал участие автор (отсюда несколько субъективный отбор этих задач). Полученные результаты имеют достаточно общий характер и легко распространяются на решение других задач.

С книгой в рукописи ознакомились Я. 3. Цыпкин, С. 3. Кузьмин, Е.

В. Маркова и А. Н. Скляревич, которые сделали ряд полезных замечаний, учтенных в окончательной редакции. Всем этим лицам автор выражает свою глубокую признательность.

Пос. Межциемс (Рижский р-н)

23 июля 1979 года Автор