1 Научно-популярная лекция для молодежи Окружающий мир – мир сложных систем Моргунов Евгений Павлович Сибирский государственный аэрокосмический университет им. акад. М. Ф. Решетнева Версия презентации 1.0 Лекция подготовлена при поддержке гранта Красноярского краевого фонда науки 4PL26 за 2007 г.

2 Что такое система? Система – комплекс взаимодействующих компонентов (Л. фон Берталанфи) Система – совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом (Л. фон Берталанфи) Система – любая сущность, концептуальная или физическая, которая состоит из взаимодействующих частей (Р. Акофф) Система – любой комплекс динамически связанных элементов (С. Бир)

3 Что такое система? Система есть средство решения проблемы (С. Оптнер) Система – организованное множество (Ф. Е. Темников) Система – конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с определённой целью в рамках определённого временного интервала (В. Н. Сагатовский) Система – отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания (Ю. И. Черняк)

4 Терминологическое уточнение Ряд авторов предлагают различать понятие системы и саму систему, которая является объективной реальностью

5 Элемент системы Элемент – это часть системы, которая является пределом ее деления, расчленения Элементы определяются с учетом специфики решаемой задачи С точки зрения большой организации или предприятия отдельный человек является элементом. Но для врача или биолога человек сам представляет сложнейшую систему, состоящую из ряда подсистем и множества элементов, объединенных множеством связей

6 Структура системы Структура совокупность наиболее существенных элементов и связей системы В качестве примеров можно привести свойства таких минералов как алмаз и графит, которые состоят из атомов углерода, но имеют различную структуру. Еще одним примером может служить параллельное и последовательное соединение проводников в электротехнике

7 Процедура голосования Имеется 2 коалиции: «черные» (8 голосов) и «белые» (19 голосов) – победитель – представитель «белых» – представитель «черных» Можно структурировать процессы и процедуры

8 Родоначальники теории систем австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи написал свои основополагающие работы в 40-х гг. XX века за двадцать лет до этого русский ученый А. А. Богданов (Малиновский) предложил новую теорию, которую он называл «тектологией», или «организационной наукой»

9 Кибернетика Кибернетика – наука об управлении. Управление – это воздействие на систему для достижения поставленной цели Основатель американский математик Норберт Винер (40-е – 50-е гг. XX века) Американский ученый, который также был биологом по образованию, У. Росс Эшби сформулировал закон «необходимого разнообразия» Под разнообразием понимается сложность системы, разнообразие возможных ее состояний, разнообразие методов решения проблем

10 Закон «необходимого разнообразия» Суть этого закона в том, что сложная система, создаваемая для решения какой-то проблемы, должна иметь большее разнообразие, чем решаемая проблема

11 Закон «необходимого разнообразия» в политической жизни Английский кибернетик С. Бир считает методами уменьшения разнообразия формирование партий, представляющих крупные блоки разнообразия по всей стране избрание представителей от крупных блоков разнообразия из разных регионов, частей страны разделение времени, во-первых, на сроки пребывания на высших официальных постах, во-вторых, на сроки проведения выборов

12 Обратная связь x(t) – управляющее воздействие; y треб – требуемое значение выходного сигнала; y – отклонение значения выходного сигнала от требуемого уровня; x – изменение величины управляющего воздействия; y – фактический результат Программа (закон) управления Объект управления Блок обратной связи x(t) x y треб y y

13 Виды обратной связи Положительная Ее назначение заключается в том, чтобы обеспечивать сохранение тенденции изменения того или иного выходного параметра Отрицательная Направлена на противодействие таким изменениям, то есть на сохранение, стабилизацию требуемого значения выходного параметра

14 Системность мира Нужно перестать поступать так, словно природа делится на дисциплины, как в университетах (Р. Акофф)

15 Сложные системы В системе 7 элементов, следовательно, внутри системы возможно наличие 42 связей Состояние системы определяется конфигурацией цепи, в которой та или иная связь присутствует или отсутствует Число различных состояний, в которых может находиться система, составит Это число превышает 4 · Стрелками обозначены связи между элементами (показаны не все связи)

16 Классификация систем по С. Биру Первый критерий степень сложности Простые динамические системы Сложные системы, поддающиеся описанию отличаются разветвленной структурой и большим разнообразием внутренних связей Очень сложные системы системы, являющиеся сложными, но точно и подробно описать их уже нельзя Второй критерий Детерминированные системы Вероятностные системы

17 Примеры систем Простая детерминированная система оконная задвижка Сложная детерминированная система электронная вычислительная машина современные операционные системы (исходный код ОС Windows 2000 насчитывает около 29 млн. строк на языке программирования C) Очень сложная вероятностная система экономика государства человеческий мозг

18 Системные закономерности (по Б. С. Флейшману) Разнообразие, т. е. число различных типов систем данного класса, возрастает различных типов атомов всего около 10 2, различных типов неорганических молекул, образуемых из атомов – около 10 4, число различных видов животных составляет уже около 10 6 Распространенность, т. е. число систем данного типа в заданном пространстве (например, на Земле или в известной нам части Вселенной), убывает с ростом их сложности

19 Синергетика – теория самоорганизации систем Родоначальником синергетики является немецкий физик Г. Хакен Слово «синергетика» означает «совместное действие» Пример самоорганизации в природе образование снежинок Пример самоорганизации в обществе расслоение ранее однородного общества по мере развития средств производства, организация политических партий и движений

20 Технология решения системных задач Сложная проблема решается методами системного анализа. «На деле системный анализ представляет собой сложный, бесструктурный, приблизительный и индивидуализированный подход к рассмотрению новой системы, будь то новое оружие или массовая кампания против недоедания, в котором используются различные аналитические методы – от математики до интуиции. Это не формальный способ анализа, опирающийся на застывшие догмы, а скорее концептуальный подход, требующий использования максимального диапазона дисциплин и исследовательских приемов для рассмотрения какой- либо одной проблемы» (П. Диксон. Фабрики мысли)

21 Фабрики мысли Корпорация РЭНД (США) (1946 г.) Она занимается широким спектром проблем от перспективных систем оружия до политики борьбы с бедностью Решаются сложные междисциплинарные задачи Фирма «Систем девелопмент» участвовала в разработке курса обучения слепых для работы в качестве программистов ЭВМ Всем «фабрикам мысли» присуща одна общая черта – каждое такое учреждение имеет доверительные отношения с каким-либо государственным ведомством, например, с министерством обороны

22 Системные аналитики Требования к таким специалистам широкий кругозор и глубокие знания в различных областях науки и техники умение мыслить нестандартно, принимать подчас парадоксальные решения, поскольку стандартные, предсказуемые решения могут не давать желаемого результата Пример из книги Р. Акоффа «Искусство решения проблем»: размещение зеркал рядом с лифтами в качестве решения проблемы жалоб на долгие ожидания прибытия лифта

23 Работа С. Бира в Чили Цель: управление экономикой целой страны в реальном времени Мощная ЭВМ была лишь в столице страны Сантьяго На основе телексной связи была организована сеть (Кибернет) для сбора данных от предприятий Чили, которые были национализированы государством Был разработан пакет специальных программ, математических и имитационных моделей чилийской экономики

24 Мировая динамика Джей Форрестер (США) конец 1960-х – начало 1970-х гг. В своих моделях Дж. Форрестер рассматривает мир как единое целое, как единую систему различных взаимодействующих процессов: демографических, промышленных, в том числе и процессов исчерпания природных ресурсов и загрязнения окружающей среды, процесса производства продуктов питания Его расчеты показали, что при сохранении современных тенденций развития общества неизбежен серьезный кризис во взаимодействии человека и окружающей среды

25 Общая теория роста человечества Автор: С. П. Капица В настоящее время в мире имеет место явление, которое называется демографическим переходом Его суть заключается в резком возрастании скорости роста популяции, который сменяется столь же стремительным ее падением, после чего численность населения стабилизируется

26 Основные идеи Человечество рассматривается как целое, без разделения его по странам и регионам, к чему традиционно прибегают в истории и экономике, социологии и демографии История человечества рассматривается, как процесс развития системы Именно сложность системы допускает статистический подход к ее анализу Все население Земли рассматривается как эволюционирующая и самоорганизующаяся система, существенно нелинейная в своем поведении Главным параметром, определяющим состояние человечества, становится полная численность его населения

27 Основные параметры моделей В модель водится так называемое характерное время, которое определяется внутренней предельной способностью системы человечества и человека к росту. Эта постоянная, равная τ = 45 годам, определяется из анализа глобального демографического развития и дает масштаб времени, к которому следует относить процессы, происходящие в системе человечества. Обосновывается и вводится в модель также константа K = Она занимает центральное место в теории роста, определяя все основные соотношения, возникающие при описании системной динамики человечества, являясь, в терминах синергетики, параметром порядка

28 Основные результаты (1) В течение эпохи, предшествующей демографическому переходу, скорость роста численности людей пропорциональна квадрату общего числа людей N, населяющих Землю, это приводит к гиперболическому росту

29 Основные результаты (2) Демографический переход занимает 2 τ = 90 лет и заканчивается соответственно в T 1 + τ = 2050 г. Предел численности людей на Земле млрд. В критическом 2005 г. скорость роста населения достигнет максимума млн. в год. В течение всего времени роста от T 0 = 4,5 млн. лет (со времени начала антропогенеза) тому назад до T 1 = 2005 г., на Земле прожило около млрд. чел.

30 Основные выводы Управление ростом населения определяется внутренними, системными факторами развития Модель парадоксально указывает на глобальную независимость от внешних ресурсов в течение всей истории развития. Темп роста зависит от внутренних свойств системы, а не от внешних условий и ресурсов

31 Устойчивость геополитических систем Геополитика теория позиционной игры на мировой шахматной доске (С. Б. Переслегин) «Транспортная теорема» позволяет оценить пределы пространственного развития государств. Для этого используются всего два параметра Первый из них, v, означает характерную скорость перемещения информации внутри государства. Второй параметр, t, отражает характерную длительность процессов, подлежащих управлению из центра Теорема утверждает, что «приведенные к кругу» размеры государства не могут превышать vt

32 Транспортная теорема «Приведенные к кругу размеры» радиус круга, площадь которого равна площади государства, т. е. S = πr 2 = π (vt) 2 Для государств доиндустриальной эпохи значение параметра v оценивается в диапазоне от 50 до 100 километров в сутки, а значение параметра t, зависящее от исторической эпохи и ряда других обстоятельств, находится в диапазоне от 4 до 10 дней приведенный радиус империй древнего мира и средних веков мог бы составлять от 200 до 1000 километров

33 Спасибо за внимание