 |
Классификации систем. Стр. 2
|
|
|
|
На каждом из этих уровней сложности можно выделить системы различного масштаба. Наиболее важным, однако, является раздел между четвертым и пятым уровнями, то есть между косными и живыми (самовоспроизводящимися) системами. Связь между этими уровнями обеспечивается общей тенденцией к образованию уровней иерархии в результате неравенства вовлекаемых в них потоков энергии и массы. Почвоведов более всего будут интересовать первые четыре уровня сложности систем: уровни морфологической, каскадной систем и уровни систем типа "процесс - ответ" (процессорных) и управляемых систем. Рассмотрим их немного подробнее.
Морфологические системы.
Первый уровень структурной сложности предполагает системы, состоящие из нескольких связанных между собой элементов: например, это может быть почва, состоящая из почвенных горизонтов, или почвенный горизонт, состоящий из структурных отдельностей.
Как видно из рисунка, элементы могут быть соединены в цепь или в кольцо (при помощи обратных связей).
Каскадная система.
Эти системы представляют собой цепочку подсистем или элементов одной системы. Они имеют пространственные размеры и конкретное географическое положение. Эти подсистемы динамически связаны перепадом массы или энергии.
Масса или энергия, выходящая из одной подсистемы, становится входной величиной для другой. Например, мы имеем почвенный покров на некотором склоне - так называемую почвенную катену. Он состоит из трех типов почв: почвы на вершине склона, в середине склона и у подножья склона. Осадки, выпавшие на вершине склона, частично там и впитаются, а часть их поступит на почву в середине склона. Там часть их также впитается (это звено - накопитель), а остатки попадут на почву нижней части склона. По такому принципу действуют многие гидрологические системы, а также идет процесс эрозии склоновых поверхностей.
|
|
|
Системы "процесс - ответ" (процессорные).
Эти системы образуются при переплетении морфологической и каскадной систем. Связи между этими двумя типами систем обеспечиваются морфологическими состояниями, которые либо совпадают, либо зависят от звеньев накопителей или регуляторов, внедренных в каскадные системы. Это наблюдается обычно тогда, когда эти два типа систем имеют несколько общих переменных. Например, инфильтрационная способность почв является одновременно и морфологическим свойством системы склона, и пороговым регулятором в гидрологической каскадной системе того же склона.
Состояние накопителей в каскадных системах является наиболее важной системной связью. Если каскад инфильтрации полностью заполняет водой ее накопитель - почву, то это приводит к появлению поверхностного стока воды в системе, а следовательно, и процесса эрозии и процесса поверхностного переноса питательных веществ. Взаимодействия в таких системах обычно происходят при помощи обратных связей, о которых мы более подробно будем говорить далее.
Управляемые системы.
Интересующие нас системы четвертого уровня сложности являются управляемыми системами.
Анализ их структуры показывает, что здесь имеются определенные ключевые переменные (клапаны). Обычно они включают в себя пороговые регуляторы. Клапаны-регуляторы допускают вмешательство извне, то есть регулирование. Это обеспечивает изменение распределения потоков энергии и массы в каскадных и морфологических системах. Например, мы изменили фильтрационную способность одной из почв в системе склона. Это обязательно вызовет перераспределение стока воды во всей процессорной системе склона со всеми последствиями.
|
|
|
2.4.1. Определение понятия "цель" и "целенаправленное действие". Стр. 2
Следует рассмотреть также иерархию эпистемологических уровней систем Джона Клира (1990). Эпистемология (теория познания) – это раздел философии, в котором изучаются природа и сфера распространения знания, его предпосылки и основы, а также критерии истинности знания (Философская энциклопедический словарь, 1983).
Подход, предложенный Д. Клиром, опирается на несколько элементарных понятий: исследователь (или наблюдатель), объект и его среда и взаимодействие между исследователем и объектом.
Самый нижний уровень в этой классификации иерархий – это так называемый уровень 0 (рис. 2.1). Это система, различаемая исследователем как система согласно определению В. Гейнса (1979). Система уровня 0 определена через множество переменных, множество потенциальных состояний (значений), выделяемых для каждой переменной, и некий способ описания смысла этих состояний и элементов в терминах проявлений свойств каждого элемента. Этот уровень еще называется уровнем исходной системы или исходной системой. В литературе по теории систем и системному анализу для этого уровня используются также названия «примитивная система» и «система без данных». Система этого уровня представляет собой простейшую стадию процесса изучения систем, в которой еще даже не используются данные о всех доступных переменных и свойствах элементов системы.
В первоначальный период многие почвенные исследования не выходили за пределы этого эпистемологического уровня: описывались почвы, почвенные горизонты, некоторые их свойства и отличия, определялись термины и т.д.
И сейчас полевой этап изучения почвы – это тоже исследование на данном эпистемологическом уровне: создание разреза, определение типа почвы, количества горизонтов и их некоторых общих свойств (влажности, сложения, насыщенности корнями, гранулометрического состава), отбор образцов горизонтов, привязка.
На более высоких уровнях системы уже отличаются друг от друга имеющимися знаниями относительно состояния переменных исходной системы. В системах более высоких уровней всегда используются все знания о системах более низкого уровня: например, данные, полученные о почве при полевом исследовании.
|
|
|
После дополнения исходной системы данными, то есть действительными основных переменных при определенном наборе параметров, мы получаем новую систему (исходную систему с конкретными данными). Это система эпистемологического уровня 1. Такие системы еще называют системами данных. Данные могут быть получены из наблюдений и в результате измерений (как при моделировании систем) или заданы как желательные состояния (как в задаче проектирования систем).
Если мы помимо традиционного описания почвы, ее горизонтов, определения ее классификационной принадлежности привели конкретные данные о ее физических, химических и других свойствах и их динамике, мы имеем систему исходных данных, с которой уже можно работать дальше: например, моделировать поведение ее свойств и режимов.
2.4.2. Определение понятия "цель" и "целенаправленное действие". Стр. 3
Более высокие уровни содержат знания о некоторых характеристиках отношений рассматриваемых в нашей системе переменных. Здесь, имея начальные и граничные условия, можно получать и прогнозировать данные, моделировать поведение системы и ее элементов (рис. 1).
На уровне 2 вводятся дополнительные переменные и задаются правила их преобразования относительно инвариантных параметров. Это позволяет генерировать любые переменные исходных систем, моделировать их поведение в пространстве и времени при любых начальных и граничных условиях. Этот уровень называется уровнем порождающих систем. Название уровня говорит о том, что здесь мы можем «породить» множество любых переменных, касающихся нашей системы, иными словами, если мы к данным о свойствах горизонта почвы добавили знания об их изменении (например, правила и законы переноса воды, тепла и питательных веществ), то мы вышли на уровень 2 изучения почвенного горизонта.
На эпистемологическом уровне 3 системы, определенные как порождающие системы (или иногда системы более низкого уровня), называются подсистемами общей системы. Они могут соединяться между собой, имея общие переменные, общие функции или взаимодействуя между собой как-то иначе. Системы этого уровня называются структурированными системами. К ним относятся, например, почвенные горизонты в почве, которые имеют общие переменные (поток воды, тепла, химических элементов) и образуют структурированную систему – почву. Кроме того, на этом уровне вводится так называемая структурная парадигма целенаправленных систем и дополнительное системное понятие – цель.
|
|
|
На уровне 4 системы состоят из набора структурированных систем и некоторой инвариантной их параметрам метахарактеристики (правила, процедуры), которая описывает поведение систем более низкого уровня. Определенные таким образом системы называются метасистемами: например, структурированные системы «почвы» объединены в метасистему «почвенный покров» по общему для функционирования и почв, и почвенного покрова правилу.
Таким же образом определяются и системы более высоких уровней. Например, почвенный покров района мы можем объединить в метасистему почвенного покрова региона, а ее, в свою очередь, в метасистему почвенного покрова страны. Аналогично объединяются и экосистемы территории.
Некоторые классификации систем приведены в монографии Ф.И. Перегудова и Ф.П. Тарасенко «Основы системного анализа» (1997).
Здесь первый уровень классификации определяется тем, входит ли управляющий блок в саму нашу систему или является внешним по отношению к ней, или системе свойственно и то, и другое. Дальнейшее разделение проводится по конкретным типам управления и регулирования. Некоторые из этих типов мы будем подробно рассматривать далее. Несомненно, почвы и экосистемы относятся к самоуправляемым системам (с управлением при помощи параметрической адаптации и самоорганизации). Почвы и экосистемы, которые вовлечены в производство, наверное, следует отнести к системам с комбинированным управлением.
Перейдем к следующему разделению систем, которое довольно часто встречается в научной литературе (Клир, 1990; Советов, Яковлев, 1985; Перегудов, Тарасенко, 1997). Оно вытекает из приведенного нами выше разделения систем по типу управления.
Нужное управление системой обычно отыскивается путем перебора всевозможных решений управления и сравнения по какому-либо критерию. Определить оптимальность управления и его последствия можно лишь в том случае, если имеется модель этой управляемой системы. Для того чтобы эта модель работала, необходимы затраты разнообразных ресурсов: энергетических, информационных, материальных и др.
|
|
|
Очень часто при построении моделей природных систем не хватает резервов машинной памяти, машинного времен. Это обычно связано с тем, что наша система включает в себя очень много параметров и переменных, то есть обладает большой размерностью и многими степенями свободы. Системы, моделирование которых затруднено вследствие их размерности, мы с вами будем называть большими системами (Перегудов, Тарасенко, 1997).
2.4.3. Определение понятия "цель" и "целенаправленное действие". Стр. 4
Признаком простоты системы, то есть достаточности информации для управления, является успешность этого управления. Однако часто управление с помощью модели приводит к непредвиденным результатам в связи с недостаточностью информации для решения задачи. Таким образом, сложной системой мы будем называть систему, в модели которой не хватает информации для эффективного управления (Перегудов, Тарасенко, 1997).
Возможны четыре комбинации из свойств размеров и простоты.
1) малые простые системы; 2) малые сложные системы; 3) большие простые системы; 4) большие сложные системы.
Хорошие примеры таких систем приведены в монографии В.П. Перегудова и Ф.П. Тарасенко (1997): например, исправный холодильник, телевизор для пользователя и неисправный холодильник и телевизор для мастера – это малые простые системы. Неисправные же бытовые приборы для пользователя – это уже малая сложная система. Замок с шифром для грабителя – простая система (требуется лишь перебор вариантов), но одновременно и большая (может не хватить времени на перебор всех вариантов). Яркие примеры больших сложных систем – это мозг человека, экономика, функционирование живого организма.
Есть, конечно, и другие концепции сложности систем.
1. Теоретико-информационная концепция, которая основана на связи сложности с энтропией.
2. Алгоритмическая концепция, которая определяет сложность как длину алгоритма воссоздания системы.
3. Теоретико-множественная концепция, которая отождествляет сложность системы с числом ее элементов.
4. Вычислительная концепция, которая привязывает сложность системы к средствам вычислений.
Этот перечень далеко не полон.
2.4. Определение понятия "цель" и "целенаправленное действие"
На уровне структурированных систем было введено понятие "цель". Следует разобраться, что такое цели исследования и "цели" системы - в нашем случае - "цель" почвы. Это не совсем просто, что видно из приведённой ниже общей схемы (Рис.2.2).
Рис. 2.2. Взаимосвязь целей при исследовании эколого-хозяйственных систем
Схема свидетельствует, что цель исследования зависит от цепочки взаимосвязанных целей систем разного уровня организации: эргономической, социальной, экологической и почвенной. Кроме того, у социальной и эргономической систем целей может быть достаточно много, и они могут быть весьма противоречивы.
С точки зрения общей теории систем, цель системы можно определить различными способами. В некотором смысле "цель системы" находится в руках пользователя (Клир, 1990). Что это значит? Для интересующей нас системы определенного уровня иерархии (почвы, экосистемы или агроэкосистемы) целью будет некоторое конкретное ограничение ее свойств, которое для нас считается предпочтительным. Например, для получения высокого урожая с конкретной почвы необходимо некоторое ограничение значений ее влажности, температуры и запасов питательных веществ. Если мы будем на этой почве строить дорогу, то, естественно, зададим другие ограничения - по гранулометрическому составу, прочности и т.д.
Таким образом, практически любая система может рассматриваться с точки зрения многих целей. В некоторой степени система может удовлетворять любой цели. Степень соответствия системы заданной нами цели называется характеристикой системы относительно цели. Эта величина может быть измерена (конечно, относительно) близостью действительных и желаемых свойств системы, которые предусмотрены нашей целью. Обычно эта величина называется характеристической функцией:
2.4.4. Определение понятия "цель" и "целенаправленное действие". Стр. 5
На первый взгляд, кажется абсурдом признание цели и целеполагающей деятельности, то есть качеств, которые характерны для социальных и живых систем, у биокосных систем природы (почв и экосистем).
Однако большинство систем природы устроены таким образом, что устойчивость системы высокого уровня иерархии не равна простой сумме устойчивостей входящих в неё систем более низкого иерархического уровня. Выше говорилось об эмерджентности.
когда свойства системы не равны простой сумме свойств ее частей.
Этому обстоятельству способствуют и особые связи, которые всегда возникают в целенаправленных системах различного уровня организации, в том числе в почвах и экосистемах. Такие связи ориентируют поведение и функции систем низкого иерархического уровня по отношению к системе высокого уровня, которая настраивает эти системы, устанавливая в них некоторый общий режим работы всех процессов, идущих как бы под воздействием общей цели большой системы.
Здесь, в отличие от чисто телеологического (религиозного) понятия «цель» и «целенаправленное поведение», используется интерпретация этих понятий по Н. Винеру (1968).
Так, целенаправленное поведение (действие) – это такие реакции системы, которые управляются разностью между её состоянием в данный момент времени и её конечным состоянием, признанным за цель. Телеологическое поведение системы, в понимании Н. Винера, равнозначно поведению, которое управляется отрицательной обратной связью (управление по отклонению). Целью же системы при таком понимании будет состояние подвижного равновесия с её внешней средой. Таким образом, «цель» экосистемы – это её устойчивость во внешнем для неё мире, и эволюция экосистем может рассматриваться как эволюция их устойчивых состояний. «Цель» же почвы – её устойчивое равновесие с экосистемой или соответствие «цели» экосистемы.
В результате мы видим и различие целей систем, в которые входит почва. Если для социальной системы цель – это максимальное получение урожаев, для системы «исследователь – почва» – это ее соответствие поставленной в исследовании задаче, то для природных систем «почва» и «экосистема» – это их устойчивость (или подвижное равновесие) при изменяющихся свойствах внешней среды.
|
|
|
