Сложные системы: идентификация и управление

Данилов А.М., Гарькина И.А.

Сложная система определяется как составной объект, части которого можно рассматривать как системы, закономерно объединённые в единое целое в соответствии с определенными принципами или связанные между собой заданными отношениями. Ее можно (необязательно единственным образом) расчленить на конечное число частей (подсистем). Каждую подсистему (высшего уровня) можно, в свою очередь, расчленить на конечное число более мелких подсистем и т. д., вплоть до получения подсистем первого уровня (элементов; объективно не подлежат расчленению на части, либо относительно их дальнейшей неделимости имеется соответствующая договорённость). Свойства каждого из элементов в общем случае зависят от условий, определяемых поведением других элементов. Свойства же сложной системы в целом определяются не только свойствами элементов, но и характером взаимодействия между ними. Важно отметить, что две системы с попарно одинаковыми элементами, но с различными взаимодействиями между ними, должны рассматриваться как две разные системы.

Как оказалось, строительные материалы, в том числе специального назначения, также целесообразней рассматривать с позиций теории сложных систем. Так, в частности, на основе когнитивного моделирования материалов с учетом иерархической структуры критериев качества нами разрабатывалась иерархическая структура радиационно-защитных материалов [1]. С системных же позиций рассматривались и вопросы долговечности материалов (разрушение системы - катастрофа, связанная с нарушением гомеостаза). Способность к катастрофе – фамильное свойство сложных систем. Устранить это свойство невозможно, оно присуще природе сложной системы. Можно считать, что сложные системы всегда работают как поврежденные. Система продолжает функционировать за счет множества дополнительных средств обеспечения устойчивости. Ее работа - непрерывно меняющееся сочетание сбоев и восстановлений компонентов. Когда происходят заметные глобальные сбои и несколько мелких по отдельности безобидных сбоев объединяются, создается возможность глобальной системной аварии. Каждый из этих сбоев провоцирует аварию, но только вместе они приводят к результату. Иными словами, возможностей для возникновения системных аварий гораздо больше, чем проявившихся аварий. Большая часть этих возможностей блокируется специалистами на ранней стадии развития созданными для этого средствами защиты. Системная авария происходит как следствие сочетания множества ошибок. Однако не существует единственной причины аварии и невозможно определить ее «корневую причину». Ретроспективный анализ катастроф, в особенности при экспертной оценке, является необъективным (техническое недопонимание природы сбоя позволяет с легкостью найти виновного катастрофы). Случившиеся сбои выглядят единственно возможным следствием прошлых событий. Действия специалистов воспринимаются как ошибки. На самом деле действия специалистов – попытки угадать будущее неопределенное событие. Успешная работа системы есть также результат угадывания, хотя это и не является очевидным и общепринятым.

Принцип моделируемости сложной системы - «сложная система представима конечным множеством моделей, отражающих определенную грань ее сущности» - дает возможность исследовать определенное свойство или группу свойств сложной системы при помощи одной или нескольких упрощенных (узкоориентированных) моделей. Выявление новых свойств и сущностей необязательно должно сопровождаться построением обобщающих моделей, а может ограничиваться наращиванием множества упрощенных моделей. Отражение сложной системы в целом обеспечивается взаимодействием упрощенных моделей. Модель, ориентированная на определенную группу свойств сложной системы, всегда проще самой системы. Создание полной модели практически невозможно, ибо она будет столь же сложной, как сама система.

Принцип целенаправленности позволяет сопоставить сложной системе любого содержания множество частных критериев, а часто и некоторый функционал (глобальный критерий), описывающий ее существование как целого.

В соответствии с принципом физичности всякой системе независимо от ее природы присущи физические законы, возможно уникальные, определяющие внутренние причинно-следственные связи, существование и функционирование; никаких других законов для описания действия системы не требуется.

Только на первый взгляд принцип моделируемости выглядит противоречащим постулату целостности, а принципы физичности и целенаправленности могут показаться несовместимыми. Однако это не так. Законы физики известны достаточно хорошо – по крайней мере в части, непосредственно связанной с человеческими потребностями, кроме того они формализованы. Искусственные системы действуют в соответствии с закономерностями, наделенными их создателем. В системе все взаимосвязано, но это не мешает ее рассмотрению с различных точек зрения.

Специальные методы идентификации и обработки экспериментальных данных позволяют оценивать неизвестные параметры посредством сравнения значений функциональных и структурных характеристик сложных систем, устанавливаемых экспериментально и в результате моделирования. Как показывает опыт, в том числе наш собственный, при системном подходе имеется возможность на основе определения поправок к первоначальным значениям параметров добиваться достаточной точности оценки неизвестных параметров методом последовательных приближений. Однако требуют своего развития и аналитические методы исследования, основанные на теории случайных процессов.

Литература

1. Danilov, A. Methodological principles of the development and quality control of special-purpose building materials [Text] / A.Danilov, E.Korolev, A.Proshin, O.Figovsky, A.Bormotov, I.Garcina // The Journal «Scientific Israel – Technological Advantages», № 3 «Civil Engineering», Vol.4, 2002, pp. 36-42.