Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методологический аспект технологии комплексной оценки экологической емкости территорий

Мусихина Е. А,

2. Системный анализ

Первые представления о системе как совокупности элементов, находящихся в структурной взаимосвязи и образующих определенную целостность, возникли в античной философии [143-146]. Общая теория систем, в свою очередь, должна была стать общей наукой о системах любых типов. Применение понятий системного подхода к анализу конкретных прикладных проблем получило название системного анализа. Системный анализ занимается не столько изучением какого-либо явления или процесса, но главным образом исследованием связанной с ним проблемной ситуации (постановкой задачи). Прагматические возможности системного подхода пока скромны, но его идеи и методы имеют безусловную ценность для формирования и развития научного мышления и поэтапного подхода к исследованию сложных проблем. Поэтому следует рассматривать системный анализ как методологию не столько решения, сколько постановки проблемы.

Для перехода к системному анализу природной системы определимся с основными понятиями [146, 158, 159]:

Система – взаимодействие составляющих элементов, целое, обладающее свойствами, отсутствующими у составных частей;

Элемент – неразложимый далее (в данной системе, при данном способе анализа) компонент сложных объектов, явлений, процессов;

Структура – относительно устойчивая фиксация связей между элементами системы;

Функция – роль, назначение системы;

Эмерджентность – степень несводимости свойств системы к совокупности свойств ее элементов.

В 1967 г. канадский биолог Людвиг фон Берталанфи сформулировал представление о биологических системах, характеризуя их как «комплекс взаимодействующих элементов», так появилось новое направление в науке под названием «системный подход» с фундаментальным свойством эмерджентности. Ученый понимал под эмерджентностью принципиальную несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих частей и невыводимость из свойств частей – свойств целого объекта. Проявление свойств через связи он считал полноправным предметом анализа.

Для продвижения далее требуется определиться с понятием «система». По определению [3, 145] системой может называться целое, определяемое одной или несколькими основными функциями. Согласно другому определению [158], система является совокупностью объектов и процессов, называемых компонентами, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, образующих единое целое, обладающее свойствами, неприсущими его компонентам, взятым в отдельности. В данном исследовании принято именно второе определение системы, поскольку оно наиболее полно отражает сущность понятия «система».

Приняв за систему природную среду Иркутской области, определимся с ее подсистемами: почва, вода и воздух исследуемого региона, которые в свою очередь также являются системами, только другого иерархического уровня. Наличие структуры (связей) между компонентами этих систем очевидно. Воздействуя на один из элементов системы, неминуем отклик системы в целом. Ведь уже само по себе наличие структуры всегда предполагает некую потерю степени свободы. Под функционированием системы понимается действие системы во времени. Изменение структуры системы во времени, в естественных условиях, можно рассматривать как эволюцию системы. Цель системы – предпочтительное для нее состояние, к которому она будет стремиться (состояние динамического равновесия). Для достижения цели используется принцип обратной связи – воздействие результатов функционирования системы на характер функционирования. Если обратная связь усиливает результаты функционирования, то она положительна, если ослабляет – отрицательна. Положительная обратная связь часто приводит систему в неустойчивое состояние, отрицательная, наоборот, обеспечивает системе относительную (динамическую) устойчивость. Примечательно, что одним из первых осознал роль обратной связи в познании поведения систем и живой, и неживой природы Н. Винер. Целенаправленное действие требует отрицательной обратной связи, так как для достижения определенной цели требуется отклик, с помощью которого производится корректировка действий. Возможность истолковать и описать законы Вселенной, используя концепцию «конечной цели» будущего, рассматривалась античными учеными древности, но была отвергнута во времена Галилея и Ньютона. Предложенная ими механистическая концепция позволила дать объяснение законам движения на основе предшествующих причин. Тем не менее, доминирующие в науке механистические взгляды на Вселенную неспособны объяснить многие явления, имеющие место в живой природе. Кибернетика заново ввела понятие целевого (телеологического) объяснения в научный оборот. Винер считал, что существование отрицательных обратных связей у живых существ является главной особенностью, отличающей живую природу от неживой. Необходимо отметить, что еще за 15 лет до Винера, А.П. Анохин утверждал, что «наличие отрицательных обратных связей обеспечивает устойчивость организмов и создает у живых существ целеполагание – стремление к сохранению гомеостазиса».

Наличие отрицательных обратных связей позволяет системе сохранять свою идентичность в условиях изменчивости внешней среды. Ведь большинство как вольных, так и невольных воздействий человека на природную систему стимулирует возникновение новых процессов, заканчивающихся, как правило, качественной перестройкой системы. Отследить количественные изменения, происходящие в природной среде, иногда не представляется возможным. Конечно, можно ожидать на одинаковые воздействия сходные отклики, полагаясь на интуицию исследователя. Однако необходимо помнить, что при системном анализе опасно полагаться на простые аналогии или интуицию. Дать удовлетворительный прогноз поведения сложной системы, используя только собственный опыт и интуицию, невозможно. Природная среда может прореагировать на внешние воздействия совсем иначе. Качественная перестройка, характеризующаяся изменением структуры системы, может повлечь за собой полный распад системы, или, наоборот, возникновение из отдельных элементов совершенно новой структуры. Говоря об устойчивости системы к определенному виду нагрузок, необходимо помнить о сохранении качественно определенной структуры системы или о восстановлении структурных связей после воздействия. Пока система не лишилась возможности восстанавливаться, она считается устойчивой. Любое воздействие на систему приводит к утрате первоначальной организованности системы. Природные системы испытывают различные воздействия в результате естественных факторов (ураган, наводнение и т.д.). Успешность такого противостояния в том, что природные комплексы противостоят воздействию как целое, и тем не менее, их существование зависит от жизнеспособности всех составляющих их элементов. Поэтому с увеличением видового разнообразия устойчивость природных систем повышается в ответ на природные и антропогенные воздействия. Если хоть одно воздействие не встретит адекватной ответной реакции, система просто перестанет существовать. Специфическая особенность сложных систем в том, что наше знание о них ограничено, и неопределенность их поведения со временем только возрастает [154. 187].

Значительную роль в развитии системных представлений играет структурно-функциональный подход, детально рассматривающий строение системы и функционирование каждого ее элемента. Основное затруднение здесь будет связано с тем, что ключевые понятия классического системного анализа ориентированы на изучение систем в статическом состоянии. Однако мы исследуем динамическую систему (природную среду) и сразу убеждаемся, что четкость и ясность основных системных понятий начинает исчезать. Это проявляется за счет того, что появляется слишком много переменных и параметров системы.

Специфика природных систем состоит еще и в проблеме тождественности. Осталась ли изменившаяся во времени система той же или это уже другая система? Возможно, ключом к решению данной проблемы будет являться организация, которая описывает главные отношения, конституирующие систему как целое и определяющие ее суть. Именно с помощью организации система осуществляет процессы самовоспроизводства своих компонентов, поддерживая, таким образом, свою самотождественность. Хотя при низком уровне организации система по своим свойствам может приближаться к сумме своих частей.

Структура системы (взаимодействие элементов) может меняться. Система может иметь несколько структур, изменяя их для лучшего взаимодействия с другими системами или с внешней средой. Структуры делятся на простые и сложные в зависимости от числа и типа взаимосвязей между элементами. Простые системы (состоящие из небольшого количества элементов и ограниченного количества взаимосвязей) хорошо организованы и управляемы, почти не зависят от окружающей среды, детерминированы и мало изменяются во времени. Сложные системы (состоящие из большого числа элементов, с многочисленными связями) со временем претерпевают существенные изменения. Структуры таких систем имеют иерархический характер (состоят из упорядоченных уровней), подсистемы могут иметь собственные цели, не всегда и не во всем совпадающие с целями системы. Сложные самоорганизующиеся системы отличаются двумя характерными особенностями: чувствительность к темпу хода времени и чувствительностью к воздействию, как к внутреннему, так и извне.

Предварительный системный анализ предмета исследования – это, по сути, моделирование исследовательской проблемы [142, 144, 196]. Моделирование – процесс, с помощью которого исследователь стремится понять и спрогнозировать определенные события реальной жизни. Модель обеспечит целостность подхода, поскольку обладает определенной степенью целостности, и поэтому также является системой. Модель может быть содержательной или формальной. Содержательная модель формулируется на естественном языке и чаще всего применяется в гуманитарной сфере знаний. Формальная модель описывается языками математических теорий или языками программирования и применяется в естественнонаучной среде.

Исследование природных систем методами «жесткого» моделирования не представляется возможным, поскольку она как любая открытая самоорганизующаяся система обладает свойствами трех «н»: нелинейности, нестабильности и непредсказуемости. Задача получения точных моделей и оптимальных решений при изучении и прогнозировании природных систем крайне сложна. Погоня за все более точной моделью приведет к иерархии все более сложных и громоздких математических построений, реальная ценность которых вряд ли будет ценнее обыкновенных выводов, полученных эмпирическим путем. Кроме того, существует проблема измерения, надежные методы измерения переменных при анализе и прогнозе состояний природной среды попросту отсутствуют.

Использование теории мягкого моделирования также не позволяет получить конкретных данных, поскольку является искусством получать относительно надежные выводы из анализа малонадежных моделей. В данном случае акцент ставится не на количественные, а на качественные показатели. Такой подход хорош для выявления новых тенденций, новых качеств, но не богат конкретными решениями. Методология «мягкого» моделирования, предназначенная для выявления различных точек зрения и постепенного достижения взаимопонимания, принципиально отличается от традиционного жесткого подхода. Основное достоинство такого моделирования – возможность охватить всю проблемную ситуацию, определить «узкие места» и разработать комплекс мер по улучшению ситуации на основе системных представлений. Однако при исследовании природной среды с использованием структурно-функционального вида концептуальной модели возникают две принципиальные трудности: 1) природные системы – сложные и зависят от большого числа переменных; 2) поведение таких систем трудно поддается формализации.

Возможно, синергетика как наука об универсальных законах эволюции в природе и обществе, о неустойчивых состояниях, предшествующих катастрофе, о самоорганизации систем, о когерентном поведении систем, о термодинамике систем, позволит выявить определенные закономерности в поведении природных систем и, соответственно, поможет определиться с прогнозом их поведения. Именно синергетика изучает взаимодействия элементов системы, приводящие к возникновению пространственно-временных структур в макроскопических масштабах, уделяя особое внимание их самоорганизации. Основной неприятный сюрприз для исследователя состоит в том, что небольшие, постепенные изменения параметров системы ведут к неожиданно резкому, непредсказуемому результату. В точке выбора (точке бифуркации) система определяет свою дальнейшую эволюцию. Сам процесс бифуркации характеризует процесс перехода постепенных количественных изменений управляющих параметров в качественное изменение состояния системы. Точка бифуркации может дать начало нескольким равновероятностным траекториям поведения системы. Используя основные понятия синергетики при поведении нелинейных систем (а то, что природная система относится к этому классу, не вызывает сомнения), приходится констатировать, что высокая чувствительность к начальным условиям ведет к невозможности прогнозирования поведения системы. Такая характеристика является одной из важнейших характеристик хаоса [136, 137, 152]. Под действием сил самоорганизации происходит «возникновение упорядоченных структур и форм движения из первоначально неупорядоченных, нерегулируемых форм движения без специальных, упорядочивающих внешних воздействий» [146, 188-190]. Математическим образом точек притяжения траекторий развития динамических систем служит аттрактор. Для устойчивых равновесных систем аттрактором является точка, когда переменные не изменяются во времени, или цикл – когда система испытывает периодические колебания. В случае, если система находится в неустойчивом состоянии, траектории ее развития могут притягиваться к странному аттрактору, у которого две близкие траектории со временем перестанут быть близкими. В таком случае, как бы точно не измерялись начальные данные, ошибка со временем будет становится все больше и больше, и тогда спрогнозировать поведение системы станет невозможным. Такие эффекты, названные метеорологом Лоренцем «эффектом бабочки» означают, что система перешла в режим странного аттрактора и в ней наблюдаются сложные непериодические колебания. Такой режим работы системы характеризуется как хаотический и прогнозирование поведения системы, особенно с увеличением временных интервалов, становится невозможным [5, 6, 146]. Исследование экологических моделей привело ученых к открытию каскадов удвоений периода, доказанного М. Фейгенбаумом. В определенной области значения параметра система действует в периодическом режиме Т; при переходе через точку бифуркации период удваивается; дальнейшее изменение приводит к последующему удваиванию и т.д. В результате процесс становится непериодическим, случайным – возникает хаос.

Синергетический подход к моделированию природных систем, имеющих много степеней свободы, даст возможность создать адекватную, работоспособную модель для изучения и прогнозирования состояния таких систем как в естественном виде, так и в условиях антропогенной нагрузки. Изначально необходимо определиться с параметрами порядка – базовыми понятиями синергетики. В процессе развития природных систем выделяется несколько главных переменных, к которым подстраиваются все остальные. Такие главные переменные и будут называться параметрами порядка, что значительно упрощает процесс исследования системы. В таком случае, закономерности поведения очень сложных систем могут быть изучены при помощи относительно простых моделей, включающих относительно небольшое число переменных, что позволит построить иерархию базовых моделей для исследования динамики природных систем. Параметрами порядка при исследовании природной среды Иркутской области как системы можно считать почвы, воду и воздух. При комплексном исследовании почв территории Иркутской области таким параметром будет рельеф, при исследовании поверхностных водных источников – геометрия русел, при исследовании атмосферного воздуха – роза ветров.

Исследование природной системы с помощью фрактального анализа открывает замечательные возможности при изучении эволюции окружающей среды, и даже при воздействии на нее извне [2, 55, 101, 140, 141, 178]. Но, к сожалению, фрактальный анализ природной среды возможен только по одному компоненту. Подобный анализ всех компонент системы невозможен, поскольку они тесно взаимодействуют между собой, сталкиваясь, проникая друг в друга и переплетаясь. Следовательно, провести подобное исследование возможно только с применением принципа абстрагирования от окружения [12, 18], выделив один компонент системы, в данном случае был выбран самый длительно формирующийся компонент природной системы – рельеф. Именно он является параметром порядка при исследовании почв территории Иркутской области. Замечательно, что природная геометрия не ограничивается такими простыми фигурами, как прямая, многоугольник, круг и т.д. Геометрия Евклида неспособна описать форму облака, горы, дерева или берега. По выражению Б. Мандельброта, разработавшего понятие фрактала: «Природа демонстрирует нам не просто более высокую степень, а совсем другой уровень сложности. Число различных масштабов длин в структурах всегда бесконечно». Природные системы сложны и нерегулярны, поэтому использование геометрических фигур при их моделировании просто не представляется возможным. То, что мы наблюдаем в природе, поражает нас бесконечным повторением одного и того же узора, увеличенного или уменьшенного во сколько угодно раз. Разглядывая панораму горного рельефа и постепенно приближаясь к ней, мы снова видим горы, и совсем близко также будем различать горы, благодаря нашей способности различать тип объекта. Такой тип «ветвления» повторяется бесконечное число раз, так проявляется характерное для фракталов свойство самоподобия.

В условиях бурного развития техногенеза на нашей планете объективная оценка воздействия или последствий его развития на окружающую среду является задачей далеко не тривиальной. Пока что она решается довольно просто и ограничивается, как правило, интегрированием стоимости нарушенных или полностью уничтоженных компонентов природы без учёта возможности или невозможности их самовосстановления. От этого зависит характер дальнейшего развития среды – будет ли он обратимым, если среда восстановит свои прежние свойства, или необратимым, если среда окончательно потеряет свои прежние свойства и перейдёт в новое качество, которое, как правило, не предсказуемо. Другими словами в традиционном подходе к оценке ущерба не учитывается структура, а точнее, структурная организация среды, и тесно связанный с этим фактор времени. Время в данном случае, как и само пространство окружающей среды, структурировано и обладает целым рядом специфических физических свойств. Как уже было ранее замечено, время имеет свою направленность, свой ход или темп хода, плотность, обладает холономностью, является носителем информации, обладает асимметричностью [87-98]. Все эти физические свойства предопределяют главные системные свойства времени – это порядок и длительность.

Время-порядок – это организованность системы или, по определению Козырева, плотность времени, вносящая организованность в систему, а время-длительность – это интегральное время сложной системы от малого объекта до целого района, или тот самый ход времени по Козыреву.

Состояние системы практически невозможно отследить из-за свойства негативных воздействий копиться, пока не начнутся необратимые изменения (качественные), поскольку отследить обратимые (количественные) изменения очень сложно, пока они еще не переросли в качественные или не пошли очень близко к такому уровню. Замечено, что такие изменения происходят, чаще всего, скачкообразно (подобно эволюции). Поэтому приходится сталкиваться с уже свершившимся фактом, и если мы хотим, чтобы природная система вернулась в естественное состояние, нам необходимо учитывать непредсказуемость реакции системы на воздействия извне.