Введение к работе
Актуальность темы ~
Любой науке, являющейся частью современного естествознания, приходится изучать поведение систем, состоящих из большого числа элементов. Это обстоятельство связывает между собой различные области естествознания от физики до социологии
В окружающем нас мире наибольшее распространение получили диссипативные системы Эти системы имеют целый ряд универсальных закономерностей. Действие последних в самом общем случае сводится к порождению процессов двух видов, а) упорядочению и самоорганизации, б) увеличению беспорядка и дезорганизации систем. Причем, если эти процессы уравновешивают друг друга, то развитие системы прекращается, и она становится стабильной
Под самоорганизацией понимается спонтанное возникновение и развитие структур, а под дезорганизацией - их разрушение Данное определение получило наибольшее распространение в современной научной литературе
Законы самоорганизации и дезорганизации систем изучает наука, которая называется синергетикой. В концептуальной основе синергетики лежит так называемая "идея нововведений". Согласно И Пригожину, эта идея заключается в следующем У системы имеются свойства, отсутствующие у каждой из ее частиц, взятых по отдельности; при этом также имеется в виду, что если мы знаем свойства каждой частицы, то исходя только из этого знания, нам не удастся предсказать всех свойств системы, образованной этими частицами. Однако четкого представления о механизме возникновения системных свойств до сих пор не существует, т е. получается, что синергетика оказывается не обоснованной в концептуальном отношении В самой синергетике высказывания по этой проблеме (в рамках нелинейной динамики) носят характер интуитивной гипотезы об особой роли аттракторов, задающих самоорганизующий режим поведения Известные специалисты в области нелинейной динамики Д Кратчфилд, Д Фармер, Н Паккард и Р Шоу, характеризуя возможности современной науки объяснить явление самоорганизации, пишут "За последние годы сделан огромный шаг вперед в умении подробно разобраться, какова структура той или иной системы, однако способность объединять собранные сведения в цельную картину зашла в тупик из-за отсутствия подходящей общей концепции, в рамках которой можно было бы качественно описывать поведение" [Кратчфилд Д ,
Фармер Д, Паккард Н , Шоу Р Хаос // В мире науки (Scientific American, изд на рус яз ) 1987 № 2]
В современных теоретических исследованиях в области синергетики основной упор делается на изучение нелинейного поведения системы. И это понятно, так как нелинейные процессы всегда присутствуют при возникновении новых структур Обычно, когда говорят о синергетике, имеют в виду именно аспекты нелинейного поведения систем. Аттракторы также рассматриваются в первую очередь в рамках нелинейной теории
Однако уже тот факт, что в окрестности любого аттрактора происходит сжатие фазового пространства, и, следовательно, уменьшается энтропия системы, должен был бы обратить внимание на важнейшую роль энтропийных закономерностей в процессах самоорганизации. Несмотря на очевидность сказанного, в настоящее время энтропийный подход не входит в число приоритетных исследований в синергетике В то же время, как будет показано в настоящей диссертации, развитие энтропийного подхода позволило сформулировать универсальные критерии упорядочения и самоорганизации открытой системы Только благодаря этим критериям оказалось возможным осознать определяющую роль воздействия внешней среды при формировании структуры системы, и, следовательно, ее свойств.
Сформулированные в данной работе положения уже не на интуитивном уровне, как это было до сих пор, а на основе объективных закономерностей определили круг явлений, в которых учет внешних факторов необходим. При этом специфика взаимодействия с внешней средой продемонстрирована в задачах, имеющих отношение к различным областям естествознания.
Целью работы является
обоснование на основе фундаментальных принципов определяющей роли воздействия внешней среды в процессах структурообра-зования для систем различной природы;
создание общей концепции самоорганизации как макроскопического явления, включающей качественное и количественное описание универсальных закономерностей возникновения системных свойств.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в создании качественных и количественных моделей широкого класса эффектов самоорганизации в открытых системах. В диссертации впервые
- сформулированы универсальные критерии изменения энтропии
в открытой системе и показана их неразрывная связь с величиной
внешнего воздействия,
показана возможность возникновения энтропийных колебаний в открытой системе вокруг стационарного состояния,
предложена и обоснована концепция структурного элемента и структурных закономерностей системы, необходимая для адекватного описания процессов структурообразования,
на основе универсальных критериев изменения энтропии и концепции структурного элемента и структурных закономерностей дается объяснение возникновения коллективных (системных) свойств у частиц, объединившихся в систему, которое включает учет величины воздействия внешней среды как определяющий фактор,
рассмотрен и решен ряд задач, которые до этого, несмотря на их несомненную актуальность для общества, не могли быть даже поставлены, поскольку не было качественных критериев для их правильной постановки во-первых, речь идет об определении энтропийных критериев развития природных и общественных систем по пути самоорганизации и упорядочения либо по пути хаоса и дезорганизации (например, благодаря этим критериям выявлен новый механизм возникновения экологических кризисов), во-вторых, в рамках нелинейной динамики показана ведущая роль внешнего фактора - управляющих параметров -при выборе устойчивого пути развития систем различной природы (в частности, определены условия и пределы устойчивости рынка смешанного типа как синергетической системы, найдены управляющие параметры и условия устойчивости для экономической системы «фирма»), в-третьих, обозначен целый ряд других перспективных направлений использования положений концепции, развиваемой в диссертации (например, сформулированы принципы, учет которых является обязательным при создании искусственных самоорганизующихся систем)
Практическая значимость результатов, полученных в работе
1. Сформулированные универсальные критерии изменения энтропии в открытой системе в методологическом отношении имеют широкий спектр применения в самых различных областях естествознания и сферах деятельности человека В частности, с их помощью был открыт и описан новый механизм возникновения экологических кризисов
2 Новый механизм возникновения экологических кризисов позволил определить перечень мер, которые необходимо учитывать в любом крупном регионе при планировании строительной деятельности (с целью эффективного предотвращения н предупреждения процессов увеличения энтропии, которые могут быть вызваны этой деятельностью)
3 Описанные синергетические модели формируют общий методологический подход, раскрывают новые принципиальные возможности, которые дает применение законов синергетики для анализа и управления поведения систем с различной спецификой. Некоторые модели могут послужить хорошей методологической базой для эконометриче-ских прогнозов В частности, результаты синергетической модели предприятия были успешно применены на НПО "Монтажавтоматика"
На защиту выносятся следующие положения'.
1. Макроскопическая теория изменения энтропии в открытых системах, включающая а) введение понятий знтростата, степени открытости системы, критического уровня организации системы, энтропийного ряда системы, б) математическое доказательство положения об уменьшения энтропии открытой системы при увеличении ее степени открытости; в) вывод об однозначном соответствии критического уровня организации и степени открытости системы; г) обоснование и формулировку обобщенного закона изменения энтропии, д) установление критериев, определяющих знак изменения энтропии в открытой системе, е) расширение теоремы И. Пригожина о минимальном производстве энтропии на системы, взаимодействующие с энтростатом.
2 Концепция структурного элемента и структурных закономерностей, включающая а) формулировку понятий структурного элемента и структурных закономерностей, б) установление ключевой роли, которую играют эти понятия для адекватной оценке самоорганизации или дезорганизации системы, в) формулировку общего правила определения структурного элемента системы
Решение проблемы возникновения системных свойств, включающее а) качественное объяснение причин возникновения сил и потоков в природе; б) качественное описание механизма возникновения новых структурных закономерностей в системе, в) вывод о том, что системные свойства определяются воздействием энтростата на систему, а не свойствами ее структурных элементов
Синергетическая модель устойчивого сосуществования конкурирующих систем на примере рынка смешанного типа, включающая а) математический вид точечных отображений, учитывающих структурную специфику конкурирующих систем; б) определение управляющих параметров, от значений которых зависит устойчивость или неустойчивость конкурирующих систем, в) вывод о нелинейном характере структурных закономерностей, определяющих деятельность
предприятий с частным капиталом, г) вывод о том, что нелинейная составляющая поведения рынка с преобладающим частным капиталом вынуждает его (рынок) развиваться по одному из типичных сценариев хаоса - субгармоническому каскаду
5. Синергетическая модель управления колебательным поведением системы на примере экономической системы «фирма», включающая а) математический вид эволюционных уравнений для такого рода систем, б) определение основных управляющих параметров и интервалов их значений, в которых состояние системы является устойчивым, в) обоснование наличия аттрактора Лоренца в фазовом пространстве системы «фирма»
6 Обоснование возникновения энтропийных колебаний вблизи стационарного состояния системы, взаимодействующей с энтростатом.
7. Механизм возникновения экологических кризисов, основанный на действии энтропийных закономерностей, указанных в пунктах 1 и 6 защищаемых положений
8 Обоснование и формулировка принципов создания искусственной самоорганизующейся системы, включающих в том числе а) необходимость правильного выбора той части системы, которая будет ее структурным элементом, б) обеспечение самостоятельности системы в выборе алгоритма взаимодействия структурных элементов; в) наличие механизмов, обеспечивающих случайную генерацию взаимодействий между структурными элементами, а также случайную генерацию самих структурных элементов
В целом защищаемые положения соответствуют решению крупной научной проблемы, имеющей важные общественное и мировоззренческое значения - созданию макроскопической концепции явлений упорядочения и самоорганизации систем
Личный вклад диссертанта
В цикле работ, составляющих диссертацию, автору принадлежит определяющий вклад
Апробация работы
Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на следующих научных форумах. Первой международной конференции по проблемам самоорганизации и управления в сложных коммуникационных пространствах (Санкт-Петербург, 1997), конгрессе «Общественное развитие и общественная информация» (Москва, 1997), IV-ой традиционной научно-технической конференции стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (Волгоград, 1998),
IV-ой Международной электронной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1999), межрегиональной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и средства автоматизации в промышленности» (Волгоград, 1999), межвузовской научно-практической конференции «Экономическая синергетика и антикризисное управление» (Набережные Челны, 1999), Седьмой научно-практической конференции «Сырье и материалы для резиновой промышленности» (Москва, 2000), Четвертом научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (Москва, 2001); VI-ой Международной открытой конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2001); Ш-ей Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2001), VII-ой Международной открытой конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2002), Второй Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2003); Первой международной научно-практической конференции «Стратегии динамического развития России: единство самоорганизации и управления» (Москва, 2004); Третьей Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2005).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 44 печатные работы, в том числе три монографии
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы из 85 наименований Работа изложена на 255 страницах, включая 61 рисунок
