Какое свойств присуще самоорганизующейся системе

Системы, которые под действием окружения обретают пространственную, временную или функциональную структуру, называют самоорганизующимися.Синергетика ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, способных к самоорганизации и саморазвитию. Основные свойства самоорганизующихся систем – открытость, нелинейность, диссипативность и сложность.

Открытость. Эволюция Вселенной показывает, что в открытой системе энтропия уменьшается. В открытых, неравновесных и необратимых системах ключевую роль могут играть флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существующая организация разрушается.

Нелинейность. Во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а нелинейность, неустойчивость и неравновесность. В нелинейных системах процессы часто носят пороговый характер и могут меняться скачкообразно. В состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородность в среде. В таких условиях, между системой и окружением могут возникнуть обратные положительные связи.

Неустойчивые системы, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате система выходит из стационарного состояния. Критерием эволюции (развития) системы является величина ∆s<0, т.е. уменьшение энтропии. Это неравенство указывает направление развития системы к новому устойчивому стационарному состоянию.

Диссипативность. Открытые, сложные и неравновесные системы, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность (лат. диссипатио – разгонять, рассеивать). Прирост энтропии за единицу времени в единице объема в открытых системах называется функцией диссипации, а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля, названы диссипативными. В таких системах, постепенно упорядоченное движение переходит в неупорядоченное. Практически все физические системы являются такими, так кактрение приводит к диссипации энергии. Благодаря, диссипативности в системе могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации.

Принцип локального равновесия и теорема о минимуме производства энтропии в равновесных состояниях были положены в основу современной термодинамики необратимых процессов, а их автор И. Пригожинстал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1977 г.

Вопросы для самоконтроля

1. Каких систем называются самоорганизующимися системами?

2. Какими основными свойствами обладают самоорганизующиеся системы?

3. Как меняется энтропия, в открытой,самоорганизующейся системе?

4. Где доминируют нелинейность, неустойчивость и неравновесность?

5. В каких системах процессы часто меняться скачкообразно?

6. В каких состояниях могут, возникнут большие флуктуации, разрушающие структуру?

7. Между какими системами могут возникнуть обратные положительные связи?

8. Что является критерием эволюции системы?

9. Что означает диссипативность?

10. Что называют функцией диссипации?

11. Что происходит в системе, где есть трения?

12. Что происходит в системе в результате диссипации энергии?

13. Кто является автором теоремы о минимуме производства энтропии?

14. Когда Пригожин получил Нобелевскую премию, в области химии?

Современная рыночная экономика характеризуется динамичностью, нелинейностью, нестабильностью, многообразием путей развития. Для успешной конкуренции в условиях современного рынка необходим эффективный метод управления экономикой. В последние годы развивается синергетические методы управления современным производствам.

Синергетикой (греч. итег^ейке — совместное действие) называют науку о самоорганизующихся системах.

Объектами исследования синергетики являются сложные открытые, нелинейные диссипативные системы в неравновесном состоянии, характеризуемые интенсивным обменом информацией, веществом и энергией между подсистемами и между системой с ее окружением.

«Конкретная система погружена в среду, которая является также ее субстратом.

Среда — совокупность составляющих ее (среду) объектов, находящихся в динамике. Взаимодействие исследуемых объектов в среде характеризуется как близкодействие — контактное взаимодействие. Среда объектов может быть реализована в физической, биологической и другой среде более низкого уровня, характеризуемой как газонодобной, однородной или сплошной. В составе системы реализуется дальнодействие — нолевое и опосредствованное (информационное) взаимодействие.

Различаются процессы организации и самоорганизации. Общим признаком для них является возрастание порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды. Организация, в отличие от самоорганизации, может характеризоваться, например, образованием однородных стабильных статических структур.

Результатом самоорганизации становится возникновение, взаимодействие, также взаимосодействие (например, кооперация) и, возможно, регенерация динамических объектов (подсистем) более сложных в информационном смысле, чем элементы (объекты) среды, из которых они возникают. Система и ее составляющие являются существенно динамическими образованиями» [50].

Термин «самоорганизующиеся системы» ввел кибернетик У. Росс Эшби для описания кибернетических систем.

Систему называют самоорганизующейся, если она без воздействия извне обретает какую-либо пространственную, временную или функциональную структуру. Самоорганизацией системы при этом управляют фундаментальные законы природы — закон минимума потенциальной энергии как определяющий условие устойчивости, законы сохранения (массы — энергии, энтропии — информации, электрического заряда и др.), отражающий симметрии материального мира, закон периодичности, проявляющийся в периодическом повторении свойств, состояний или их изменений, второй закон термодинамики, регламентирующий направленность процессов [90].

Для самоорганизующихся систем характерны:

• • способность активно взаимодействовать со средой, изменять ее в направлении, обеспечивающем более успешное функционирование системы;
• • наличие определенной гибкости структуры или адаптивного механизма, выработанного в ходе эволюции;
• • непредсказуемость поведения самоорганизующихся систем;
• • способность учитывать прошлый опыт или возможность научения. «Основные свойства самоорганизующихся систем — открытость,

нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.

Система нелинейна, если в разное время, при разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами.

Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью, нестабильностью, выражающихся в накоплениях флуктуаций, бифуркациях (ветвлениях путей эволюции), фазовых и самопроизвольных переходах. В таких системах возникают и поддерживаются локализованные процессы (структуры), в которых имеют место интеграция, архитектурное объединение структур по некоторым законам построения эволюционного целого, а также вероятностный (хаотический) распад этих структур на этапе нарастания их сложности. Нелинейные процессы невозможно надежно прогнозировать, ибо развитие совершается через случайность выбора нуги в момент бифуркации, а сама случайность не повторяется вновь [50].

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние — диссипативность, т. е. своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Диссипация — это тенденция к размыванию организации, но в нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию — струк- турообразование. Благодаря диссинативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи [92].

Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая — это порождение и укрепление неоднородностей, структурирования, локализации элементов открытой системы. И вторая — рассеивание неоднородностей, «размывание» их, диффузия, деструкгурализация системы. Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая — открытая система рассеивается, превращаясь в хаос. А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль — наряду с закономерным и необходимым — могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. (Флуктуация — колебание или любое периодическое изменение, случайное отклонение от среднего значения величины). В системах далеких от равновесия, «очень слабые возмущения (флуктуации) могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению». В точке бифуркации система как бы колеблется перед выбором того или иного нуги организации, пути развития. В гаком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

Процессы в нелинейных системах часто носят пороговый характер — при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком» [92].

Самоорганизующиеся системы характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы называют аттракторами (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Виды аттракторов (А): а — точка, б — синусоида, в — аттрактор Лоренца

Рис. 3.4. Эволюция самоорганизующейся системы:

Л, Б, В — аттракторы; 1-7 точки бифуркации

Аттрактор (англ, attract — привлекать, притягивать) — компактное подмножество фазового пространства динамической системы, все траектории из некоторой окрестности которого стремятся к нему при времени, стремящемся к бесконечности. Аттрактором может являться притягивающая неподвижная точка (рис. 3.3, а), периодическая траектория (рис. 3.3, б), или некоторая ограниченная область с неустойчивыми траекториями внутри (как у странного аттрактора). Для наглядной иллюстрации понятия аттрактора часто используют образ конуса «воронки», который втягивает в себя траектории эволюции нелинейной системы.

Аттракторы — это те структуры (и цели), но направлению к которым протекают процессы самоорганизации в нелинейных средах. В закрытой системе атграктор один, и он определяется вторым началом термодинамики — максимумом энтропии. Открытая нелинейная система, иод воздействием каких-то факторов, чаще всего случайных, пройдя точку бифуркации, может перейти в один из двух аттракторов (рис. 3.4, а). В новом аттракторе система формируется в более сложную систему. Однако в данной нелинейной среде возможен и реализуем вовсе не любой произвольный путь эволюции, а только определенный набор эволюционных путей. Причем спектры «целей», структур-аггракторов эволюции обусловлены исключительно внутренними свойствами открытых нелинейных сред [64]. В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов (поле) путей развития. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур — праобразов будущих состояний системы — фракталов (англ, fractial — дробный).

Фракталами обычно называют множества, которые обладают масштабной инвариантностью, т. е. в любом масштабе они выглядят практически одинаково. В окружающей природе встречается множество таких образований: лапы ели, перо птицы, рисунок на крыле бабочки. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фракталов, осуществляется их «отбор», идет «борьба за выживание» в новых условиях. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент внешним и внутренним условиям. Большинство из фракталов нежизнеспособны, так как оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы (законы сохранения массы-энертии, энтропии-информации, принцип минимизации энергии и др.). Они либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные рудименты, архаические остатки прошлого, с которыми мы нередко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов.

Пройдя несколько точек бифуркации (рис. 3.4, б), система в своем развитии перейдет либо к большему порядку, либо к большему хаосу. Порядок и хаос в данном случае являются результатом эволюции системы. «Синергетика определяет хаос как многоликое материальное начало, которое не только разрушает и само является продуктом разрушения, но и способствует созиданию нового. Благодаря хаосу материя деструктурируется и насыщается неопределенностью, в то же время она порождает структурные организации, оказывается способной к самоорганизации, потенциально готова к новаторству» [64].

Синергетика обладает достаточным математическим аппаратом для описания развития нелинейной системы. Синергетика исследует такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие мутей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т. п.

Одним из важнейших достоинств синергетики является ее направленность на исследование принципов построения системы, ее возникновения, развития и самоусложнения.

В машиностроении известен целый ряд сложных самоорганизующихся систем:

• • организация, функционирование и развитие высокотехнологичных производств;
• • процессы высокоскоростной обработки металлов, отличающихся высокой динамичностью;
• • образование наноструктуры в процессе кристаллизации без внешнего воздействия;
• • наноразмерная механическая обработка материалов;
• • неустойчивость плазмы;
• • математическое моделирование сложных открытых систем и др.

В этом случае технологическая система, рассматривается как сложная самоорганизующаяся, открытая, нелинейная система, со всеми присущими ей свойствами, зонами и принципами развития. Главная роль должна принадлежать учету именно самоорганизующихся механизмов, в том числе и хаоса, предстающего в данном случае как конструктивный механизм самоорганизации, дающий системе возможность выхода на аттрактор, заключенную в нем собственную тенденцию развития, инициирующую процесс самодостраивания сложных систем, в том числе технологических. Эта ситуация, когда «управление реагированием системы на изменение внешних и внутренних условий в идеале сводится к поиску «резонансных зон», где величина результата определяется не силой воздействия, а согласованностью его с внутренними свойствами». Достаточно лишь возбудить действие внутренних тенденций, и система сама построит необходимую структуру. Нужно только знать потенциальные возможности данной технологической системы и способы их стимуляции [137].

Изучение самоорганизующихся технологических систем открывает совершенно новые принципы построения технических устройств с высокой надежностью, способных работать в широком диапазоне внешних условий. И именно на этом пути возможна передача машине ряда логических операций, считающихся до сих нор исключительно привилегией человека.

Выявление инвариантных свойств исследуемых систем позволяет сформулировать специфические закономерности функционирования технологических систем [137].

Управлять эволюцией системы можно изменением параметров системы в точке бифуркации. В этой точке достаточно минимального воздействия, чтобы система перешла в требуемый аттрактор.

«Управление ситуацией в области бифуркации должно отвечать следующим требованиям:

• • управляющее воздействие должно апеллировать, резонировать к выигрышному аттрактору;
• • управляющее воздействие должно осуществляться своевременно. Процессы воздействия на объект могут выйти из-под контроля и вызвать необратимые изменения» [137].

Одно из наиболее парадоксальных представлений в синергетике — представление о влиянии будущего, которое сказывается на настоящем, в некотором смысле существуя в нем. Все воздействия, которые выходят за пределы сферы притяжения аттрактора, оказываются тщетными. Все, что не согласуется со структурами — аттракторами, будет стерто и уничтожено. Следовательно, задача моделирования и предсказания является, но сути, задачей определения возможных путей эволюции сложных систем.

Оказывается, слабые, но правильно организованные системы являются очень эффективными. (В восточной философии издревле известно: слабое побеждает сильное, мягкое — твердое, не деяние — самое сильное действие). Возникает проблема способов передачи и распространения новых знаний и новых способов мышления [50].

Синергетика развеивает многие мифы, стереотипы управленческой и реформаторской деятельности. Во-первых, становится очевидным, что сложно организованным социоприродным системам нельзя навязывать пути их развития. Скорее всего, необходимо понять, как способствовать раскрытию их собственных тенденций развития, как выводить системы на эти пути. Важно знать законы совместной жизни природы и человечества.

Во-вторых, синергетика свидетельствует о том, что всякая сложноорганизованная система имеет, как правило, не единственный, а множество собственных, отвечающих ее природе путей развития. Укрепляется надежда на возможность выбора путей дальнейшего развития, причем таких, которые устраивали бы человека и одновременно не являлись бы разрушительными для природы.

В-третьих, синергетика демонстрирует нам, что хаос может выступить механизмом самоорганизации и самодосграивания структур, удаления лишнего, механизмом выхода на относительно простые структуры — аттракторы эволюции (здесь понимаются способы (формы) организации процессов в открытых нелинейных средах разной природы; относительно устойчивые состояния, на которые выходят процессы эволюции в этих средах в результате затухания, исчезновения промежуточных или переходных явлений) [50].

Самоорганизующаяся система — эго кибернетическая адаптирующаяся система, в которой накопление опыта, запоминание и структуризация информации выражается в изменении структуры системы и уровня ее организации.

Адаптация системы происходит за счет различных факторов, которые могут действовать самостоятельно или сообща (кооперативно). Адаптивная система — кибернетическая система, способная сохранять достигать цели управления при непредвиденных изменениях свойств управляемой подсистемы, цели управления или условий среды. Исходя из этого можно следующим образом классифицировать самоорганизующиеся системы:

• Самонастраивающаяся система — такая кибернетическая адаптирующаяся система, в которой накопление опыта (запоминание информации) выражается в изменении тех или иных ее параметров, существенных для цели системы. Например, предприятие расширяет выпуск продукции вслед за увеличением спроса: в соответствии с изменениями внешней среды изменяется способ функционирования системы.

• • Саморазвивающаися система — такая кибернетическая адаптирующаяся система, которая самостоятельно вырабатывает цели своего развития и критерии их достижения, изменяет свои параметры, структуру и другие характеристики в заданном направлении.
• • Самообучающаяся система — такая кибернетическая адаптирующаяся система, которая в процессе развития проходит процесс обучения, накапливая опыт, обладает способностью самостоятельно искать критерии качества своего функционирования.

Самоорганизующаяся система — это познавательная модель науки XXI века.