Основи самоорганізації складних технічних систем

Прийнята термінологія і основні поняття. Нижче ми будемо оперувати такими термінами як структура, система, організація, самоорганізація, складна технічна система тощо. Тому розгля­немо їх більш докладніше.

Система – (грецьк. – ціле, складне з частин, з’єднання), сукупність елементів, які знаходяться у відносинах і зв’язках між собою, яка утворює визначену цілість.

Кожна система характеризується не тільки наявністю зв’язків між елементами, які її утворюють, але і нерозривною єдністю з навколишнім середовищем, у взаємодії з яким вона виявляє свою цілісність, ієрархічність, багаторівневість, структурність – властивості не тільки будови, морфології системи, але і її поведінки: окремі рівні системи обумовлюють певні аспекти її поведінки, а цілісне функціонування виявляється результатом взаємодії усіх її сторін і рівнів.

Структура – (лат. – будова, порядок), сукупність стійких зв’язків об’єкта, які забезпечують його цілість і тотожність самому собі, тобто зберігання основних властивостей при різних зовнішніх і внутрішніх змінах.

Структура співвідноситься з поняттями системи і організації. Структура виражає тільки те, що залишається стійким, відносно незмінним за різних перетвореннях систем, а організація включає в себе як структурні, так і динамічні характеристики системи, які забезпечують її направлене функціонування.

Самоорганізація – процес, у якому створюється, відтворюється або вдосконалюється організація складної динамічної системи. Процеси само­організації можуть мати місце тільки в системах, які мають високий рівень складності і велику кількість елементів, зв’язки між якими мають не жорсткий, а ймовірний характер. Вони проходять у взаємодії з оточуючим середовищем. Термін «самоорганізуюча система» увів Ешбі У.Р. у 1947 р. Поведінка таких систем, яка описується за допомогою екстремальних принципів, являє собою необернений процес, тобто послідовний перехід від одного нерівноважного стаціонарного стану до іншого, який відбувається із зниженням ентропії, отже, з підвищенням організованості систем.

Існуючу техносферу можна розглядати як складну ієрархію, яка складається з надсистем, систем, підсистем тощо. Якщо система включає в себе у якості ланки управління і інформатики людину (так званий антро­погенний фактор), то таку систему будемо називати психоінформаційною. До таких систем відносяться всі підприємства, заводи, інститути тощо.

Виходячи з цього, складною технічною системою будемо називати сукупність великої кількості елементів, які взаємодіють між собою і зовнішнім середовищем для досягнення визначної цілі, утворюючи при цьому нерозривну цілість.

СТС як система обов’язково входить у певні надсистеми: наприклад; підприємство входить у концерн, міністерство тощо. Прикладом СТС є великі заводи типу акціонерних товариств, концернів, АЕС, ТЕЦ, транснаціональні магістральні трубопроводи разом з терміналами і сховищами, квазімегаполіси типу ГЗКів, які включають в себе не тільки технічні об’єкти, а і житлові міста з їх власною досить складною інфраструктурою.

Важливою особливістю СТС є передача в них інформації і наявність процесів управління. СТС мають цілеспрямованість, тобто їх поведінка підпорядкована досягненню певних цілей (для підприємства, наприклад, це може бути прибуток), і властивістю самоорганізації, тобто СТС у процесі функціонування можуть видозмінити свою структуру: підприємство може змінять свої організаційні форми – утворювати акціонерні товариства, входити до концернів, закрити окремі ділянки тощо. Для СТС характерна наявність різних по рівню, часто не узгодженнях між собою, цілей: підприємство має на мсті отримати максимальний прибуток і зберегти навко­лишнє середовище тощо. СТС відносяться до динамічних систем, тому що вони здатні змінювати свій стан з часом. СТС – недетерміновані (стохастичні) системи, тому що знання значень параметрів системи у теперішній час не дозволяє встановити стан системи у будь-який наступний момент часу. З точки зору термодинаміки СТС – відкриті системи, які постійно обмінюються з навколишнім середовищам енергією, речовиною і інформацією.

Згідно другого закону термодинаміки для відкритих систем стаціонарним станом є рухома рівновага, при якій усі макроскопічні характеристики залишаються незмінними, але безперервно продовжуються макроскопічні процеси вводу і виводу енергії, речовини і інформації.

Таким чином, СТС – це психоінформаційна багатоцільова і багатофункціональна система, це самоорганізаційна система, яка має негативні і позитивні зворотні зв’язки, їй властиві принципи гомеостазісу і метаболізму, стохастичність і непередбаченість. Головне джерело непередбаченості динаміки розвитку СТС – це процеси самоорганізації, які виходять з нелінійності всіх функціональних залежностей, зворотних зв’язків і феномену біфуркаційних механізмів. Якщо до цього в якості ланки інформації і управління додати людину з її неадекватною і непрогнозованою поведінкою, здатністю до ризику, наявність емоцій і особливих психо­фізичних властивостей, то картина стає ще більше заплутаною. Тому далі ми розглянемо усі складові цього досить складного процесу самоорганізації окремо, приділяючи більше уваги тим з них, які необхідні для подальших досліджень.

Попередньо, як приклад, розглянемо аграрне підприємство, в якому поєднуються всі признаки, властиві складним технічним системам. Аграрне підприємство – складна психоінформаційна, багатоцільова і багатофункціональна система, керована людиною. Вона динамічна, має циклічність, яка задана самою природою: не можна сіяти взимку, збирати урожай ранньої весни тощо. На відміну, наприклад, від металургійних заводів програма аграрного підприємства сувора і задана заздалегідь: завод не має фактора часу (усякі деталі можна виготовляти у будь-який час і у будь-яку чергу) у аграрному підприємстві стріла часу направлена виключно в один бік, а перестановка операцій неможлива: не можна зібрати урожай до того, поки не пройде весь цикл польових робіт. Тобто в просторово-часовім континуумі, яким можна уявити аграрне підприємство, неможливо ні змінити чергу, ні здійснити перестановку як у просторі, так і у часі.

Система аграрного підприємства управляється людиною, але людина, як ланка управління, усі свої дії погоджує з діями більш потужного і незалежного від нього фактора – природи: природа задає всі основні закони розвитку системи, їх кінетику циклічність та часові параметри. Система має всі ознаки самоорганізації: непередбаченість (дощ, град, зливи, мороз тощо); нелінійність всіх функціональних залежностей, система весь час біфуркаційна. Система детермінована у великому (циклічність зміни пор року не змінюється – весна, літо осінь, зима), стохастична відносно усіх процесів: важко на тривалий час передбачити погоду тощо.

Як бачимо, процес управління такою системою є дуже складним і потребує певних допущень.

СТС, як і будь-яка психофізична система, у процесі свого розвитку проходить чотири фази:

1. Генерація і формулювання ідеї створення;

2. Побудова пробного прототипу СТС;

3. Випробування життєвоспроможності прототипу;

4. Удосконалення СТС з доведенням до оптимального рівня.

В еволюційнім процесі розвитку СТС важливе місце займають наявність принципів і законів, зміст яких можна сформулювати у вигляді таких емпіричних узагальнень.

1. Усі процеси в СТС недетерміновані, за своєю природою вони стохастичні і невизначені.

2. Усі СТС існують в деякому просторово-часовім континуумі: теперішній час і майбутнє їх визначається минулим.

3. Усі процеси розвитку СТС підпорядковуються визначним законам, які грають роль принципів відбору: це і дарвінівська тріада, і закони Ньютона, і механізми розвитку тощо.

При розгляді питань самоорганізації СТС автори опиралися саме на ці емпіричні узагальнення.

Загальний підхід. Дарвінівська тріада. На сьогоднішній день розповсюджена ідея про тріалітет учення матеріального світу. Нежива природа, жива речовина і соціальне середовище – це кільце одного ланцюга з єдиним процесом розвитку. Якщо це так, то цілком логічно спробувати описати цей процес на одній мові, з єдиних позицій, які відображають генетичний зв’язок між окремими ієрархіями, використати єдину схему і загальну для усіх фрагментів термінологію. А для цього, раніше за все, треба розв’язати проблему ключових понять. Для цього скористуємось дослідженнями Моісеєва, який запропонував в якості ключових слів для опису загальних властивостей основних механізмів розвитку неживої природи, живої речовини і суспільних організацій використовувати декілька видозмінену і пристосовану для конкретних випадків дарвінівську тріаду: мінливість, спадкоємність, відбір.

Під мінливістю розуміються будь-які прояви стохастичності (грецк. випадковості) і невизначеності, які лежать в основі функціонування усіх механізмів нашого матеріального світу. «Світ не стабільний» – ці слова Прігожина виявляють сутність будь-якої системи, незалежно від рівня її організації. Мінливість – випадковість і невизначеність – виявляється не сама по собі, а в контексті необхідності, властивій матеріальному світу. Всі процеси, які спостерігаються в світі – це єдність випадкового і необхідного, стохастичного і детермінованого. Слід підкреслити, що саме мінливість створює засновки для еволюції систем, для виникнення багатьох форм народження і загибелі організаційних структур. В цьому виявляється діалектика самоорганізації систем матеріального світу. Одні і ті ж самі фактори мінливості є основою еволюційних процесів як творення, так і руйнування.

В СТС мінливість виявляється в еволюції організаційних форм, у збільшенні складності структури, у деградації окремих підсистем.

Під спадкоємністю будемо розуміти здатність матерії зберігати свої особливості, а також здатність мінятися від минулого до майбутнього. Тобто, в дарвінівській тріаді спадкоємність – це термін, який відображає вплив минулого на майбутнє. В деяких випадках спадкоємність може трактуватися як мінливість.

Відбір в біології трактується як принцип «виживає сильніший». Тобто відбираються найбільш суттєві ознаки, які передаються в майбутнє завдяки механізму спадкоємності. Аналогічно в неживій природі принципами відбору є усі закони збереження, закони фізики і хімії (наприклад, другий закон термодинаміки); в економіці принципом відбору є умова балансу тощо. Ще у 17 сторіччі було установлено, що реальні рухи із великої кількості віртуальних (можливих) відбираються за допомогою законів Ньютона, які є у даному випадку найпростішими принципами відбору. До них відносяться і варіаційні принципи «економіки ентропії»: принцип мінімуму потенціалу розсіювання Онзагера, принцип мінімуму ентропії Прігожина, і емпіричність узагальнення мінімуму дисипації енергії Моісеєва.

Основні термодинамічні принципи. У XIX столітті виникли дві важливі і, що слід особливо відмітити, суперечливі ідеї, які істотно виливають на усі наукові дослідження нашого часу. Ідея Дарвіна еволюції в біології (адекватно і в соціології) зв’язана з необоротним зростанням організації, з утворенням все більш складних структур. В термодинаміці і статистичній механіці ідея еволюції формулюється як принцип Карно-Клазіуса. У сучасній формі зміст другого закону термодинаміки такий: для відкритих систем, які обмінюються енергією і речовиною з навколишнім середовищем, зміну ентропії dS за час dt можна розкласти

, (8.1)

де deS – потік ентропії з навколишнього середовища і diS – продукція ентропії внаслідок необоротних процесів усередині системи.

Згідно другого закону термодинаміки для усіх фізичних процесів

, (8.2)

причому рівність відноситься тільки до випадку рівноваги системи,

У приближенні до ізольованої системи (енергія Е постійна і deS = 0) (8.1) набуває такий вид

, (8.3)

тобто ентропія ізольованої системи необоротно зростає, а еволюція таких систем направлена до неперервної дезорганізації, тобто до хаосу, до деструкції структур. Наслідки цього закону дуже несподівані: якщо яка-небудь структура виникла в деякий проміжок часу, то у подальшому її порядок анігілюється у прогресуючий хаос, відповідний найбільш ймовірному стану.

Ідея ж біологічної еволюції має цілковито протилежний напрям. Поєднанням цих двох протилежних аспектів еволюції зайняті багато які наукові школи. Тут ми відзначимо, що згідно сучасним уявленням другий закон термодинаміки є не дужо допустимим для біології: у живих системах ентропія може локально зменшуватися. Біологи вважають, що другий закон можна застосовувати до системи в цілому, тобто до живої системи плюс навколишнє середовище, що він може повністю поєднуватися із зменшенням ентропії в живому організмі і що сам Дарвін пояснював необоротну еволюцію до більш організованих структур в живих системах через природний відбір.

Для авторів, які розглядають психоінформаційні системи, цей висно­вок дуже важливий, тому що він дозволяє у подальшому оперувати термі­нами і законами термодинаміки. Тут дуже важливим є питання випадковості і порядку. Відомо, що при термодинамічній рівновазі ентропія досягає максимуму в ізольованій системі, а вільна енергія досягає мінімуму. І рівноважні структури відповідають конкуренції між енергією і ентропією, тобто між руйнуванням (ентропія як міра безпорядку) і творінням. При цьому руйнування структур є ситуацією, яка має перевагу поблизу термодинамічної рівновага, а утворення структур може здійснюватися по визначеним нелінійним кінетичним законам за межами області стабільних станів, які відповідають звичайній термодинамічній поведінці.

На думку Пригожина порядок системи здійснюється через флуктуації, а поява нової структури завжди зв’язана з результатом нестійкості, тобто з появою суттєво стохастичного елемента.

У 1947 році Пригожин сформулював теорему мінімуму продукції ентро­пії, яка стверджує, що вироблення ентропії системою, яка знаходиться у стаціонарному, достатньо близькому до рівноважного, стані, мінімально.

(8.4)

Це теорема є дуже універсальним принципом, який дозволяє управляти самоорганізацією складних дисипативних систем (лат. дисипація – розсіювання), що утворюються внаслідок самоорганізації від надходження у відкриту систему від’ємної ентропії. Вона також дає критерій еволюції, який означає, що система обов’язково буде йти еволюційним шляхом до стаціонарного нерівноважного стану, починаючи з близького до нього довільного стану. Еволюція, таким чином, укладається в деякий термодинамічний принцип, який у нелінійній області можна виразити в аналітичній формі.

, (8.5)

де t – продукція ентропії у деякому об’ємі V.

Для подальших процесів розкладемо dt на дві частини

, (8.6)

де j – потоки або швидкості, які зв’язані з необоротними процесами; x – узагальнені сили, які приводять до цих потоків.

Для дисипативних систем, які знаходяться в стані стійкої рівноваги, критерій еволюції можна записати у виді

. (8.7)

Як видно, для відкритих термодинамічних систем порядок здійснюється через флуктуації, а ентропія виступає як міра руйнування системи тобто міра безпорядку, і як міра необоротнього розсіяння енергії. Теорему мінімуму продукції не завжди можна використовувати зважаючи на її складність. Більш простий принцип сформулював Моісеєв для «мертвої матерії»: «якщо безліч можливих стійких (стабільних) рухів або станів, які задовольняють законам збереження» та обмеженням, складається більше ніж з одного елемента, тобто вони не виділяють єдиного руху або стану, то заключний етап відбору рухів, що реалізуються, або станів, які також можуть і не бути єдиними, визначається мінімумом дисипації енергії (або мінімумом росту ентропії)». Автори це твердження назвали «принципом мінімуму дисипації». В більш доступній формі цей принцип звучить так: «серед всіх віртуальних станів, які задовольняють законам збереження, реалізується лише той, для якого дисипація енергії мінімальна». Це твердження не витікає з принципу мінімуму потенціалу розсіяння енергія Онзагера і принципу мінімуму продукції ентропії Прігожина. Автори розглядають цей принцип як деяке узагальнення, яке однак не суперечить експерименту, і вважають його окремим випадком загального принципу, економіки ентропії.

Тут ми зробимо дуже важливі для подальших досліджень висновки. Для відкритих систем, у тому числі і психоінформаційних, за рахунок притоку із-за її меж речовини, енергії або інформації, виникають більш або менш стабільні стани, так звані «квазірівноважні структури», в яких ентропія не тільки зростає, але і локально зменшується. З точки зору класичної термодинаміки ці структури не є рівноважними – рівновага тут розуміється лише в сенсі стаціонарності. Зменшення ж ентропії пов’язано з наявністю в системі елемента «живої речовини», тобто людини. Залишена сама по собі складна технічна система без залежності від форм досконалості, згідно другого початку термодинаміки, з часом внаслідок росту ентропії повністю зруйнується. І тільки присутність людини дозволяє системі бути самоорганізуючою і трансформуватися в більш складні системи.

Другий висновок полягає у наступному. Якщо у відкритій системі можливі кілька типів організації структури, то реалізується та структура, якій відповідає максимальне зменшення ентропії або мінімальне зростання безпорядку. А так як зменшення ентропії можливо тільки за рахунок поглинання речовини, енергії або інформації, то реалізується та структура або та з віртуальних форм організації структури, які здатні максимально поглинати речовину, енергію і інформацію. Цей принцип відбору погоджується як з теоремою «мінімуму вироблення ентропії», так і з принципом «мінімуму дисипації». Слід підкреслити, що для систем, які мають складну ієрархію, цей принцип може розповсюджуватися на підсистеми, у яких локально може зменшуватися ентропія.

Деякі механізми еволюції складних технічних систем. Під механізмом будемо розуміти деяку сукупність логічних зв’язків які визначають виникнення змін в системі, яка розвивається. Будемо розглядати два типи механізмів: адаптаційні і біфуркаційні.

Адаптаційні – це раніше за все дарвінівські механізми природного відбору в біології і в фізиці – це механізми самоорганізації, які використовують принципи зворотного зв’язку. Основною особливістю цих механізмів є адаптація, яка забезпечує системі деяку стабільність при визначених умовах зміни зовнішнього середовища. Тобто ми можемо передбачити тенденції у зміні параметрів системи, які будуть відбуватися при зміні зовнішніх умов.

Біфуркаційні, або катастрофічні, механізми мають у своїй основі явище невизначеності. Майбутній стан системи при переході її параметрів через деяке порогове значення не однозначне і визначається флуктуаціями, тобто випадковими характеристиками. Закони матеріального світу за допомогою принципів відбору установлюють визначені межі зміни станів параметрів систем, які розвиваються. Межі адаптації можуть бути визначені з певною точністю для випадків, коли відомі принципи відбору. Однак у нестабільному світі система може вийти на переріз «каналів», у середині яких протікають еволюційні процеси, де і виникає катастрофа.

Розглянуті механізми еволюції систем дозволяють зробити науковим один з принципів самоорганізації матерії – принцип дивергенції, тобто принцип розходження (або розмноження) нових форм організації. В його основі лежить стохастичний характер причинності, який розвести будь як близькі форми організації в зовсім різні боки. Принцип дивергенції є справедливим в рівній мірі для всієї тріади матеріального світу: для неживої матерії, живої речовини і соціального суспільства. При цьому закон самоорганізації постулює: процес розвитку характеризується безперервним ускладненням і зростанням розмаїття організаційних форм матерії. Чим складніша система, тим більша кількість станів, в яких можуть відбуватися катастрофи, тим більше імовірність збільшення числа можливих шляхів еволюції, тобто дивергенції. Це і підтверджує той факт, що процес самоорганізації систем, особливо систем зі складною ієрархією веде до невпинного росту розмаїття організаційних форм. Ще раз підкрес­люємо, що цей вивід є загальним не тільки для неживої матерії, але і для суспільних форм, тобто організацій, підприємств тощо.

Організація і зворотні зв’язки. Під терміном «організація» будемо розуміти сукупність консервативних характеристик системи, які змінюються повільно. Загалом будь-яка система має визначену організаційну систему, так само як будь-який процес завжди проходить у рамках деякої організації. Використовуючи цей термін, ми можемо уявити процес самоорганізації системи як зміну її організаційних форм і описати процеси розвитку цієї системи послідовністю переходів від одних квазістабільних станів, які характеризуються визначеними параметрами організації, до інших. При цьому дуже важливим є інтервал часу, в межах якого вивчається конкретна система. Наприклад, глибина прогнозу безпеки атомної електростанції або кількість аварій та катастроф на горно-збагачувальному комбінаті за визначений проміжок часу.

Процеси еволюції систем так само як і синергетичні моделі (грецьк. синергос – разом діючий, кооперативний) можуть бути описані у термінах станів. Це можуть бути фазові перемінні або функції. іноді функціонали, які залежать від фазових перемінних. При переході до описання живих систем або психофізичних систем типу складних технічних підприємств поняття організації ускладнюється і повинно вміщувати не тільки консервативні характеристики, але і усі ті особливості суспільного, економічного і емоційного характеру, які визначають життєдіяльність і стан системи у деякому континуумі простір – час. Для таких систем характерний цілковито новий тип механізмів розвитку, який має загальну назву – зворотні зв’язки. Цей механізм присутній тільки в системах живої природи, у неживій матерії його не має. Більш докладніше про зворотні зв’язки трохи нижче, а зараз розглянемо два терміни – гомеостаз або гомеостазіс (подібний стан) і метаболізм, які мають важливе значення для еволюції систем.

Гомеостазіс означає, що будь-який живій істоті або живій системі властиве прагнення до стабільності або до самозбереження. Такі системи під впливом зовнішнього середовища здатні у визначених межах змінювати свій стан. В основі механізмів змінювання лежать негативні зворотні зв’язки, які підтримують гомеостазіс. Прагнення до гомеостазісу, тобто прагнення до збереження стабільності системи, є важливішою властивістю і тісно пов’язано з принципом природного відбору.

У 1948 р. Ешбі У.Р. застосував уявлення про гомеостазіс для обгрунтування моделювання широкого кола систем: біологічних і соціальних. Він показав, що в ході еволюції відкритих систем звичайно зростає, вироблюються більш складні і багаторівневі комплекси зворотних зв’язків. Однак абсолютний гомеостазіс недосяжний – в живому організмі цьому перешкоджає старіння; в технічних системах – руйнування, зношення, аварії; в соціальному середовищі – конфлікти, революції тощо.

Пристосування систем до гомеостазісу сприяє розвитку стабільності, принаймні у визначений проміжок часу.

Проте діалектика розвитку свідчить про той непростий факт, що занадто стабільні системи припиняють свою еволюцію; для них сталість гальмує реалізацію принципу мінливості. Стабільні організаційні форми – це тупикові форми, розвиток яких припиняється. Просування до стабільності (тобто до гомеостазісу) повинно компенсуватися зростанням різноманітності форм організації, а в таких системах поряд з негативними повинні існувати і позитивні зворотні зв’язки, які в принципі не підтримують стабільність системи.

Метаболізм – це властивість відкритих систем обмінюватися речовиною, енергією і інформацією з навколишнім середовищем. Ця властивість характерна для усіх систем такого типу, які за рахунок зовнішньої енергії, речовини і інформації змінюють свою локальну ентропію. Такі тенденції можуть вступати у протиріччя з гомеостазісом, що спостерігається у практиці і є однією з важливіших діалектичних особливостей еволюційного процесу для відкритих систем. Будь-яка система простує до стабільності і для цього розвиває негативні зворотні зв’язки, але при цьому вона прагне так змінити свої організаційні форми, так забезпечив ти зростання різноманітності цих форм, щоб збільшити свою спроможність засвоювати зовнішню енергію, речовину та інформацію, а для цього вона формує позитивні зворотні зв’язки.

Зупинимося більш докладно на терміні «зворотні зв’язки». Під зворотнім зв’язком звичайно розуміють такий тип взаємодій, коли є певна свобода вибору і цей вибір робиться з визначеною ціллю. Зворотні зв’язки у відкритих системах живої речовини породжують спеціальні механізми відбору, які не є слідством законів збереження, але і не суперечать їм. Іншими словами, структура зворотних зв’язків не виводиться із законів фізики та механіки і відображає особливий тип взаємо­дій, які породжуються прагненням досягнути визначену ціль. Існують негативні зворотні зв’язки, які підтримують гомеостазіс, і позитивні, які погіршують стабільність системи. Слід підкреслити, що в неживій природі зворотних зв’язків не існує, вони є наявністю тільки живих істот. Вивід цей є спірним і в техніці існують сталі поняття зворотних зв’язків, прикладом яких може бути автопілот, тобто технічний пристрій, який керує процесом польоту літака і який є витвором людини. Ми не будемо поглиблюватися у тонкощі спору між біологами та фізиками, а відмітимо лише узагальнення, які необхідні для наших досліджень: признавати наявність зворотних зв’язків можна лише у тих випадках, коли мова йде про цілеспрямовані дії, а вони присутні лише в процесах у живій матерії або у системах, де є ця жива матерія. Тобто керовані процеси по своєму визначенню передбачають участь у них живої матерії. Прикладом цьому можуть бути СТС, де технічні пристрої, які виконують повні технології, керуються людиною. В цьому випадку керування має сенс лише тоді, коли існує певна ціль, наприклад прибуток підприємства або кількість вироблюваної продукції. Ця ціль породжує певний тип керування, який у свою чергу створює новий механізм відбору. Формально це має такий вигляд. Нехай ціль описується такими умовами

(8.8)

де x – вектор, який визначає стан об’єкта; u – вільні параметри керування, t – час.

,

де

Таким чином, умова дозволяє визначити управляючий вплив u як функцію стану: u = u (x). Це і буде механізмом відбору або зворотним зв’язком, виведеною із умови існування певної мети.

В теорії управління розрізняють рефлекторні (або рефлексні) та кібернетичні системи. До числа рефлексних систем відноситься вже згаданий автопілот, в якому механізм зворотного зв’язку раз і назавжди закладений людиною. Більш складними уявляються кібернетичні (у даному дослідженні вони називаються психоінформаційні) системи, з наявністю людини як ланки управління. Така ланка може аналізувати будь-яку ситуацію, ризикувати, приймати неадекватні рішення тощо. При цьому проблеми цілі і причинності причини і наслідку є дуже важливими, які часто визначають увесь механізм зворотних зв’язків. Самі ж зворотні зв’язки припускають, що інформація про систему достатньо повна, так як без неї прийняття рішення практично неможливе. Іншими словами, інформація і прийняття рішення невіддільне одне від одного. До цього слід добавити ентропію (або міру безпорядку в системі), за допомогою якої у неживій природі установлюється один в важливіших принципів відбору. Таким чином, для технічних систем за участю людини важливими ключовими словами є ціль, прийняття рішення, зворотні зв’язки, інформація, ентропія. Всі ці поняття діалектично взаємозв’язані між собою досить складними функціональними залежностями.

Процеси розвитку складних технічних систем. Розглянемо спочатку неживу природу. Рух будь-якої системи завжди можна описати у термінах багатокритеріальної задачі оптимізації

, (8.9)

де w ₁ – функціонал, мінімізація якого забезпечує виконання законів збереження; w ₂ – функціонал, мінімізація якого забезпечує виконання кінематичних умов, тощо. Із математичного аналізу відомо, що для мінімізації кількох функціоналів необхідно виконання деяких умов. Нехай F ₁ множина екстремальних значень функціоналу w ₁. Тоді задача w ₁ Þ min буде мати сенс якщо ми будемо, наприклад, визначати мінімальне значення функціоналу w ₂ на множині F ₁ тощо. Таким чином, множина функціоналів повинна бути упорядкована, а перетин множин F_i мінімальних значень функціоналів w ₁ – не пустим. Тоді вимога (1) визначить деяку множину припустимих станів w. Ця множина і є ареною, де розгортаються події.

При описанні систем неживої природи функціонали w ₁ завжди упорядковані, причому перше місце займають закони збереження, які виконують роль принципів відбору і протистоять тенденціям системи до руйнування її організації і розвитку хаосу, тобто збільшенню ентропії. Ці ж функції виконує і принцип мінімуму дисипації енергії, який є основою метаболізму, тобто сприяє виникненню спеціальних структур, у яких ентропія локально зменшується. Так в стохастичній системі можуть виникати явища типу «чудний атректор» і згодом області, які мають підвищену спроможність використовувати енергію і речовину із навколишнього середовища, зменшуючи локальну ентропію. Саме ці області і визначають «канали еволюції», про які згадувалось раніше.

Стохастичний підхід широко використовується і в інших областях, зокрема, для визначення надійності та безпеки машин. Незважаючи на його універсальність і добре розроблений математичний апарат, він по своїй суті допускає повторення подій, наприклад, аварій, а унікальні події типу катастроф він зовсім не враховує. Уникнути такої методологічної вади дозволяє структурна теорія, яка поєднує детермінований і стохастичний методи.

У системах з елементами, які включають людину, не кажучи про живу природу, картина суттєво ускладнюється. Перш за все це пов’язано з появою принципу самозбереження або гомеостазісу. В цьому випадку рух системи можна формалізувати сукупністю умов, кожне з яких допускає варіаційну форму:

Однак по відношенню до функціоналів j_i природа не дає правил їх автоматичного ранжирування, тому що все визначається принципом природного відбору. Останній сам визначає деякий функціонал p, для якого існує така оптимальна поведінка x ₁, що . При цьому людина може не дотримуватися поведінки x ₁ за яких-небудь зовнішніх обставин. Однак, чим ближче його поведінка буде до x ₁, тим більше в нього шансів пристосуватися до даної конкретної умови. У випадку зміни параметрів системи, наприклад аварійна ситуація на СТС, у кожної людини свій «оптимальний» спосіб поведінки і своє, на відміну від інших, ранжирування функціоналів j_i. Тобто формування їх скрутки стає прерогативою інтелектуальної поведінки індивідууму: міри професіоналізму, волі до досягнення цілі, міри відповідальності тощо. В цьому випадку в дію вступає один з важливіших принципів відбору: максимально зменшувати локальну ентропію за рахунок метаболізму, тобто за рахунок використання енергії, речовини та інформації з-за меж системи.

Самоорганізація систем за участю людини відбувається на фоні нерозв’язаних протиріч: з одного боку, система прагне стабільності, з другого – вона прямує до максимального вбирання і використання зовнішніх енергії, речовини та інформації. В принципі, розвиток таких систем можна викласти на мові багатокритеріальної оптимізації із дослідженням компромісів для різних умов існування.

Як бачимо, в системах, що управляються, людина грає провідну роль: вона вносить деяку невизначеність, а її суб’єктивне уявлення про способи забезпечення стійкого розвитку змінюють алгоритм відбору. Принцип мінливості, наприклад, в значній мірі визначається функціями цілі і шляхами її досягнення. Кожна людина є автономною і цьому у неї своя ціль і свої шляхи її досягнення.

У живій природі переважають механізми адаптаційного типу, а біфуркації виникають лише у виняткових випадках. Лейбніц був правий: «Natura non facit Saltas», тобто «Природа не робить стрибків». В психоінформаційних же системах передбачити дії людини, а тим більш соціального середовища, дуже важко, так як для зміни одного і того ж параметру системи дві людини можуть прийняти зовсім різні рішення. Тобто, кожен стан таких систем є біфуркаційним. Це приводить, з одного боку, до невизначеності шляхів розвитку системи у кожний момент часу, а з іншого боку, приводить до прискорення розвитку процесів самоорганізації цієї ж системи. Для таких систем найбільш важливим є акт прийняття рішень, який у кінцевому підсумку і визначає (формує) утворення зворотних зв’язків.

Як видно з наведених міркувань, для розвитку системи потрібні не тільки негативні, але і позитивні зворотні зв’язки. Система, яка використовує тільки негативні зворотні зв’язки, прямує до застою, до деградації організаційних форм: на певному відрізку часу така система може бути стійкою і зберігати постійні параметри, але еволюціонувати вона не може. Тому потрібні позитивні зворотні зв’язки: вони розширюють пошук нових організаційних структур, дозволяють більш повно використовувати потенційні можливості принципу мінливості, наприклад, більш ефективно-використовувати зовнішні енергію, речовину та інформацію, що в кінцевому підсумку приводить до появи нових якостей, до зростання складності структури, до підвищення рівня різноманітності організаційних форм.

Наочним прикладом цьому можуть служити зміни у теперішньому життя підприємств України. Ті з них, які не змінювались на початку перемін, мали ще деякий час певну усталеність: їх внутрішні структури залишалися стабільними, споживання енергії, речовини та інформації було зведено до мінімуму; ентропія, тобто міра безпорядку, зростала, і підприємство у підсумку приходило до застою, до деградації. Тут використовувалися виключно негативні зворотні зв’язки, які підтримують гомеостазіс, тобто принцип самозбереження управляючої ланки, у розглянутому випадку – колективу підприємства, керівництва. Для виходу з кризи багато які підприємства використовували позитивні зворотні зв’язки, які приводять на першому етапі до дестабілізації системи. В цьому випадку використовувалися нові організаційні форми (акціонерні товариства, концерни тощо), підприємство для зниження локальної ентропії біль широко і ефективно використовувало зовнішню енергію, речовину та інформацію; ускладнювалася структура та її взаємодія із зовнішнім середовищем, тобто з іншими підприємствами. В системі прискорювалися процеси самоорганізації, і воно починала еволюціонувати.

Ми розглянули лише фрагменти єдиного синергетичного процесу, якій протікає в психофізичних системах при її взаємодії з оточуючим середовищем. Роль антропогенного фактора, тобто людини, в цих системах, надзвичайно валика; до того ж на їх функціонування великий вплив чинять суспільні закони, правила яких важко описати математично, так як вони проявляються у виді тенденцій. В цих випадках нерідко використовуються вербальні описи системи: цілі звичайно визначаються словесно, а закони розвитку формулюються без використання математичних термінів. При цьому можна використати класичну тріаду, яка існує в теорії пізнання: спостереження і дослід – узагальнення і висновок – перевірка висновків на практиці.

Стосовно до складних технічних систем, які ми розглядаємо, діалектичний ланцюжок має такий вид: вивчення системи і накопичення інформації – добудова і дослідження фізичних (феноменологічних) і математичний моделей – одержання висновків і застосування їх на практиці.

Як бачимо, дуже важливим є побудова феноменологічних моделей системи, які адекватно відображають основні параметри її організаційних структур і логічні зв’язки між ними. Шляхом індукції, тобто шляхом руху від простого до складного, можна у подальшому побудувати і математичну модель. Є і інший шлях – шлях дедукції, коли рух здійснюється від загальних концепцій до окремих моделей які описують конкретні ситуації. У будь-якому випадку побудова формалізованих моделей системи надає можливість здійснювати не тільки аналіз процесів, які відбувалися у ній, але і розв’язувати практичні задачі. Іншими словами, добре побудована модель дозволяє більш глибоко зрозуміти структуру системи, каркас її організаційних форм, еволюцію її розвитку і деградацію окремих структур. Модель дозволяє глобально оцінити діалектичну єдність двох суперечних початків існування системи – еволюцію і деградацію, збереження і руйнування.

8.3 Контрольні запитання

1. У чому полягає концепція безпечного функціонування складних технічних систем?

2. Загальна класифікація аварій та катастроф?

3. У чому полягає концепція ризику?

4. Що таке небезпека події?

5. Що таке безпека складних технічних систем?

6. Причини аварій складних технічних систем?

7. У чому полягає поняття теорії катастроф?

8. Основи самоорганізації складних технічних систем.

9. Охарактеризуйте поняття «система». «структура», «самоорганізація».

10. Механізми еволюції складних технічних систем.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 169; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!