Фомин Б.Ф. Лекции по физике систем

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет/Факультет инноватики, 2012 г.

19

ЛЕКЦИЯ №1

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫ В ФИЗИКЕ СИСТЕМ

Характерными атрибутами сложности систем являются большие масштабы, высокая размерность, многоуровневая иерархичность, разнообразие внутрисистемных взаимодействий, нелинейность поведения, стохастичность, информационная неоднородность.

1. Концептуальное моделирование

Концептуальные модели получили широкое распространение в качестве формализованных описаний сложных слабо структурированных систем. Слабая структурированность усиливает сложность систем. Слабо структурированные системы чаще всего имеют недостаточную научную предысторию и исследуются как уникальные.

Системы, моделируемые в рамках концептуального подхода, должны быть непосредственно наблюдаемыми или логически следовать из эмпирических данных и эмпирических обобщений. Гипотезы, не допускающие проверки эмпирическим фактом, в расчет не берутся. Эмпирические данные несут объективную информацию. Эмпирические обобщения воплощаются в основополагающих постулатах, формулируемых экспертами.

Доступная информация перерабатывается экспертами путем генерации и последующей проверки гипотез о свойствах, состояниях и поведении систем. В концептуальных моделях воплощаются обобщающие синтетические конструкции, основанные на знаниях, фактах и интуиции экспертов.

Обособление систем является субъективным актом. Исследователи выделяют систему, относят воздействия со стороны ее окружения к числу внешних, считают их фиксированными, полагают, что система не оказывает воздействия на свое окружение. Любые связанные с этим искажения игнорируются.

После обособления система не воспринимается как объективная реальность, она «вся находится во власти исследователей», становится для них объектом изучения. Свойства системы рассматриваются как непосредственные следствия фундаментальных законов сохранения, предполагаются выводимыми из свойств ее элементов и связей, относительно которых имеется необходимая информация.

2. Целевая инструментальная парадигма

Кибернетическая идея соединила вычисления с информатикой и породила целевую инструментальную парадигму системного подхода, в рамках которой концептуальные модели систем создаются в результате:

• экспертного междисциплинарного диагностирования и стратификации исходных представлений о системе;

• оформления результатов экспертного диагностирования системы в виде контекстной схемы (компоненты системы, парные связи между компонентами, воздействия со стороны среды), согласованной с намеченными задачами исследования;

• конструирования критериев выбора лучших решений целевых задач.

Создание, а затем применение концептуальных моделей отвечают особому «инструментальному мышлению» системных аналитиков, основу которого составляют:

• обособление частей системы;

• составление системы из частей;

• доступность информации о связях частей и организации целого;

• единство технологий формализации описания системы и вычисления решений.

В рамках целевой инструментальной парадигмы широко применяются научные методы исследования операций, экспертного оценивания, принятия решений, имитационного моделирования, искусственного интеллекта.

Вычисления решений поддерживают информационные технологии, обеспечивающие:

• дивергенцию, трансформацию, конвергенцию, формализацию концептуальной модели;

• целевое структурирование и прагматическую организацию вычислительных процессов целедостижения.

Целевая инструментальная парадигма испытывает большие затруднения при встрече с природными (естественнонаучными) и гуманитарными (общественными) системами. Эти затруднения распространяются на техносферные системы, возникающие в результате «погружения» технических систем в среду нетехнических (природных и общественных) компонентов. Негативными последствиями такого «погружения» являются техногенные нарушения.

3. Сложность открытых природных, гуманитарных и техноcферных систем

Природные, гуманитарные и техносферные системы рассматриваются как слабо структурированные, уникальные, заведомо сложные. Их сложность проявляется через стохастичность и необратимость. Детерминизм и симметрия времени, являющиеся основополагающими идеями концептуального моделирования, в таких системах перестают работать.

Организацию и жизнедеятельность таких систем определяют фундаментальные законы, пока еще неизвестные науке. Механизмы действия этих законов Н.Н.Моисеев предложил называть «механизмами сборки». Свойства системы как единого целого, формируемые механизмами сборки, не выводятся из известных свойств и заданных структур взаимосвязей компонентов системы никакими процедурами, имеющими конечное число шагов.

Главными особенностями природных, общественных и техносферных систем являются:

• фундаментальная роль необратимости и случайности;

• пространственные, временные и пространственно-временные макроскопические масштабы взаимодействий;

• кооперативное поведение; множественность неустойчивых состояний;

• мультиустойчивость;

• высокая чувствительность к окружающей среде;

• неравновесные ограничения;

• равновесия и стационары в условиях неравновесных ограничений;

• изменение фазового объема;

• производство энтропии.

Для этих систем характерны:

• взаимозависимость свойств и организации;

• бесперспективность применения линейных аппроксимаций;

• стохастизирующий фактор;

• невыводимость свойств системы как целого из свойств ее элементов;

• невоспроизводимость поведения по начальным данным;

• неопределимость и логическая недоказуемость законов причинности;

• самоподобие;

• саморазвитие.