Лекция Системный подход в макроэкологии Все связано со всем. Все должно куда-то деваться. Ничто не дается даром. Природа знает лучше Барри Коммонер, 1974

Вид материала

Лекция

Содержание Лекция 2. Системный подход и системный анализ. Структурированность организации Необходимое разнообразие. Свойство эмергентности Способность к самосохранению. Адаптивность системы. И Эволюция системы. Неравномерность, отсутствие монотонности как общее системное свойство организаций. Моделирование организаций. Лекция 3. Иерархии материальных систем. Тенденции взаимодействия Природная иерархия Социум Популяция Коллектив Социо-техническая среда Таблица 3.1. Сравнение биосферы и техносферы (По Хаскину, Акимовой, 2000г.) Сравниваемые показатели Общий вывод Эколого-экономическая система

Подобный материал:

• Сформулированы Б. Коммонером в 1971, 12.25kb.
• 4-й (осінній) триместр, 80.64kb.
• Синкретизм в Герметическом корпусе. Проблема отношения дуалистического и оптимистического, 1054.26kb.
• План лекции Природа, определение и содержание понятия лидерства Теории лидерских качеств, 450.69kb.
• Артур Шопенгауэр, 228.88kb.
• Лекция Защита информации в компьютерных системах, 105.02kb.
• Лекция для родителей «Вся правда о наркотиках», 105.38kb.
• Неделя I: Лекция. Научные подходы к управлению, 148.14kb.
• Лидерами не рождаются, 24.23kb.
• Жизнь движение! Все должно двигаться! Но, коль это так, то вполне закономерен и сам, 1889.95kb.

Лекция 1. Системный подход в макроэкологии

Все связано со всем. Все должно куда-то деваться. Ничто не дается даром. Природа знает лучше

Барри Коммонер, 1974

.

Познать части без знания целого так же невозможно, как познать целое без знания его частей

Блез Паскаль,1669


1.1. Эволюция понятия « системы»


Рассматривая в первой главе предмет макроэкологии, мы сразу же сталкиваемся с понятием системы. Эколого-экономическая система — главный объект макроэкологии. Но в данной главе речь пойдет не столько о конкретных эколого-экономических системах (им посвящена пятая глава) сколько о системах вообще, преимущественно о сложных системах. Понятие системы, как известно давно и с успехом используется в других отраслях знаний, и существуют некоторые общие принципы, позволяющие составить единую платформу для изучения технических, биологических и социальных систем.

Понятие системы имеет длительную историю. Уже в античности был сформулирован тезис о том, что целое больше суммы его частей. Стоики истолковывали систему как мировой порядок. Платон и Аристотель большое внимание уделили особенностям системы знания и системе элементов (основных качеств и свойств) мироздания. Системность познания подчеркивал Кант; дальнейшее развитие эта линия получила у Гегеля. Понятие системы органически связано с понятиями целостности, элемента, подсистемы, связи, отношения, структуры, иерархии, многоуровневости и др. Термин используется, когда хотят охарактеризовать сложный объект как единое целое. Обычно система определяется как совокупность элементов (объектов), объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции. В понятие «системы», на разных этапах ее рассмотрения можно вкладывать разное содержание, говорить о системе как бы в разных ее формах, в зависимости от задачи, которую ставит перед собой исследователь. В философском словаре система - «совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих некоторое целостное единство».

Согласно общей теории систем система - это реальная или мыслимая совокупность частей (элементов, сущностей), целостные свойства которой, определяются связями (отношениями, взаимодействиями) между частями. Система - это ограниченное множество взаимодействующих элементов.

В свое время физиолог П.К.Анохин в известной работе “Теория функциональной системы” (1970) привел 12 формулировок понятия системы разных авторов. В учебнике Волковой В.Н. и Денисова А.А. «Основы теории систем и системного анализа», 1997 г. авторы говорят уже о 30 определениях понятия «системы». Сейчас таких формулировок можно было бы собрать в несколько раз больше.

Определение системы постоянно эволюционировало. Л.фон Берталанфи – определил систему как «комплекс взаимодействующих компонентов» или как «совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой». В Большой Советской Энциклопедии - «система – объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе». Позднее в определение «система» вводится понятие цели: в трактовке Анохина “системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, взаимодействие и взаимоотношение которых приобретает характер взаимосодействия компонентов для получения фокусированного полезного результата”. Подчеркнув, что “взаимодействие компонентов” является общим для всех формулировок, Анохин аргументирует недостаточность самого по себе взаимодействия для любого системного процесса. Он аргументирует ключевое значение результата (цели) деятельности, направленно ограничивающего множество произвольных взаимодействий. Таким образом, в определение «системы» вносится «цель».

Ю.И. Черняк, объектом исследования которого были экономические системы, вводит в определение системы - наблюдателя. «Система есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания» [5 ]. Позднее, он же: «Система есть отображение на языке наблюдателя (исследователя, конструктора) объектов, отношений и их свойств в решении задачи исследования, познания». Таким образом, сопоставляя эволюцию определения системы следует отметить, что вначале в определении появляются «элементы и связи», затем – «цель», затем – «наблюдатель». В экономических системах, если не определить наблюдателя (лицо принимающее решение, ЛПР), то можно не достичь цели, ради которой создается система.

Однако, во всех этих определениях не упомянуто очень важное свойство систем, которое будет нас интересовать при переходе от экономической системы к эколого-экономической. Поэтому придется ввести дополнение. Системой условимся называть такое сочетание элементов, которое в совокупности приобретает новое качество: у элементов этого качества не было, а у системы – появляется. Мозг человека состоит из нейронов, которые сами по себе не способны к какому-либо разумному действию. Но в своей совокупности они рождают некое системное свойство, присущее этой совокупности, которое мы называем мышлением. Его изучение не сводится к изучению свойств отдельных нейронов – это действительно системное свойство совокупности нейронов [ 6 ]. Другими словами, система обладает особыми системными свойствами. Изучение свойств кооперативных взаимодействий представляется важнейшим направлением современной науки. На примере мозга мы рассмотрели эффект кооперативности элементов материальной системы. Но и в абстрактных системах, которые полностью конструируются человеком это системное свойство ярко проявляется. Так, если мы возьмем просто набор слов: мира, у, два, есть, человека: нас, один, который, творил, от, мы, века, другой, по, наших, мере, сил - то вряд ли нам удастся выделить в нем какой-то смысл. Этот набор слов-элементов не будет системой в нашем понимании. А теперь расставим слова в определенном порядке и получим известное четверостишие из стихотворения Н. Заболоцкого:

Два мира есть у человека:

Один, который нас творил,

Другой, который мы от века

Творим, по мере наших сил.

Слова те же, но в такой их расстановке, в такой их связи появилось то самое новое качество - смысл. Теперь они образуют систему. Само определение системы показывает нам одно из ее основных свойств - она состоит из элементов. Эти элементы принято называть подсистемами. В приведенных строках подсистемы - слова. Но каждое из этих слов мы вправе считать самостоятельной системой. И тогда подсистемами слова будут буквы. По отношению же к процитированным строкам буквы будут под-подсистемами.

Еще одно важное свойство систем заключается в том, что любая из них сама является частью какой-то еще большей системы. То же четверостишие является частью всего стихотворения. Стихотворение будет для этой цитаты надсистемой. Для слова надсистемой была бы фраза, для буквы надсистемой является слово. А фраза для буквы будет уже над-надсистемой, а стихотворение для буквы будет над-над-надсистемой.

Такая многоэтажная структура носит название иерархии систем. А каждый "этаж" этой иерархии называют рангом систем. В нашем примере мы рассмотрели ранг стихотворения, ранг процитированного четверостишия, ранг слова и ранг буквы. Если бы понадобилось, то мы могли бы заметить, что процитированный отрывок состоит из четырех крупных подсистем - четырех фраз. То есть, выделили бы еще один ранг. В другом случае можно было бы отметить, что для букв может быть надсистемой слог, и только потом - слово. И так далее. Давайте запомним одно простое правило, которое поможет нам в дальнейшем: на каждом ранге у системы есть своя функция, причем только одна. Функции рангов не совпадают между собой.

Итак, одно из важнейших понятий в теории систем - функция. Помните, мы говорили о новом качестве, которое появляется у систем в отличие от простого набора элементов? Система приобретает свойство делать нечто, чего элементы делать не умели. Вот это и есть функция системы. Функция – это то, что система делает, то, ради чего она создана.

Откуда же берутся функции систем? Кто задает системе функцию? Запомним еще одно правило: функцию системы определяют ее надсистемы.

Кроме умения увидеть вертикальную составляющую системы (иерархию системы) необходимо предвидеть и ее горизонтальную составляющую. Это линия времени, линия жизни системы. У каждой системы было свое прошлое и "есть" свое будущее.Многие процессы развития, происходящие в природе, в биологических, технических, социальных системах описываются внешне похожими кривыми, получившими название S- образных кривых. Системы не вечны: они возникают, переживают периоды становления, расцвета, упадка и, наконец, сменяются другими системами. Типичная история жизни системы показана на рис. 1.1., где на оси абцисс отложено время, а на оси ординат – один из главных показателей системы, Q, например, для экономической системы – это может быть объем выпуска продукции, для эколого-экономической системы – природоемкость, ассимиляционный потенциал, экологическая техноемкость территории и пр. (О важных показателях ЭЭС будем говорить в следующих разделах).

Q




В

t

Рис. 1.1. Кривая развития системы во времени


Возникнув, новая система не сразу начинает активно выполнять функцию: идет период обрастания системы необходимыми элементами, позволяющими реализовать главную цель системы. Система эффективно развивается, ассимилируя множество усовершенствований, как в технологии так и в организации. С какого-то момента темпы развития замедляются. Обычно это происходит после возникновения и обострения противоречий между данной системой и другими системами или надсистемой (внешней средой). Некоторое время система продолжает развиваться, но темпы развития падают, следует исчерпание всех ресурсов, питающих развитие системы: старение основных и оборотных средств, основных принципов функционирования, потеря потребителей и пр. В дальнейшем система может находиться долгое время без изменений ( зона стабилизации) или быстро регрессирует. На смену системе А, приходит система В.

Таким образом, линия времени так же "предопределена", как и вертикальная иерархическая линия. Будущие системы на ней уже "есть". Но не в материальном виде, а в виде закономерностей развития данного типа систем. Эти закономерности имманентны - т.е. присущи системам самим по себе. Они не зависят от воли отдельного человека. Но вполне поддаются изучению и могут сознательно применяться для развития этих систем. Человек свободен создавать, развивать или менять системы, но выживут только те из них, которые согласуются с определенными закономерностями, присущими развитию систем.

В середине ХХ в. большое значение для понимания поведения больших, сложных систем приобрели кибернетика, системный подход и системный анализ. Они быстро получили широкий спектр практических приложений в различных областях знания.


Лекция 2. Системный подход и системный анализ.


Весь ХХ век можно охарактеризовать как век постоянного нарастания комплексных проблем, требующих для своего разрешения все больше информации и участия специалистов различных областей знаний. Все острее ощущается потребность в специалистах «широкого профиля», обладающих знаниями не только о «своей системе», но и в смежных областях знания, умеющих эти знания обобщить. По мере усложнения типов систем, усложняются и отношения во всех сферах человеческой деятельности. Исследование вопросов организации эколого-экономических систем невозможно без использования понятия комплексного системного подхода.

Системный подход - это методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования сложно организованных объектов - систем разных типов и классов. В настоящее время системный подход используется и подвергается осмыслению философами, биологами, кибернетиками, физиками, инженерами, экономистами и другими специалистами. Системные представления все шире включаются в учебный процесс многих вузов, и в настоящее время такие курсы как «Теория систем», «Системный анализ», «Системология» служат базовым образованием для многих специальностей.

Системный подход ориентирует исследователя на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину. Часто под системным подходом понимают направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем. Соответственно, суть системного подхода в макроэкологии заключается в представлении об экосфере как о единой макросистеме. Кроме этого системный подход представляет любую систему как подсистему: над любой системой есть надсистема, которая находится на более высоком уровне иерархии систем. Системный подход представляет собой определенный этап в развитии методов познания, методов исследования и конструирования, способов описания и объяснения природных или искусственно создаваемых объектов. Системный подход вошел в современную науку как особо востребованная методология научного анализа и мышления. Способность к системному мышлению стала одним из требований к современному руководителю.

Можно встретить двоякое понимание системного подхода: с одной стороны это рассмотрение, анализ существующих систем, с другой - создание, конструирование, синтез новых систем для достижения целей. Применительно к сложным динамическим системам чаще всего под системным подходом понимают комплексное изучение объекта как единого целого с позиций системного анализа. Таким образом, системный подход шире системного анализа: системный подход - это направление, методология, которая немыслима без системного анализа.

Действительно, на практике системный подход реализуется чаще всего в виде системного анализа. Системный анализ используется как один из важнейших методов в системном подходе, как эффективное средство решения сложных, обычно недостаточно четко сформулированных проблем. Соответственно системный анализ сводится к уточнению проблемы и ее структуризации в серию задач, нахождению критериев их решения, детализации целей. Системный анализ можно считать дальнейшим развитием идей кибернетики: он исследует общие закономерности, относящиеся к сложным системам, которые изучаются любой наукой. Реальные материальные системы архисложны и поэтому для целей системного анализа используются модели, отражающие свойства реальной системы в определенном приближении. То есть в процессе системного анализа необходимо построить объяснительную модель, более или менее отражающую реальную систему.

Построение и развитие объяснительных моделей начинается со сбора информации и анализа разрозненных фактов, позволяющих сделать определенные обобщения и выявить эмпирические закономерности. Далее переходят к определению механизмов, реализующих эти закономерности. Можно утверждать: если существует какая-то подтвержденная фактами закономерность, то существуют и механизмы, обеспечивающие проявление этой закономерности. Познание этих механизмов может помочь объяснить и предвидеть поведение системы. В конце-концов, задача любой науки и есть предвидение.

При исследовании сложных систем зачастую используют несложные вспомогательные концепции черных ящиков и белых ящиков. «Черный ящик» (blackbox) – понятие кибернетики, с помощью которого пытаются справиться с трудностями при изучении сложных систем. Представление системы в виде черного ящика означает, что при настоящем уровне знаний мы не можем проникнуть вглубь данной системы (или подсистемы) и разобраться, каковы внутренние закономерности, преобразующие ее входы и выходы. Однако мы можем изучать поведение этих входов и выходов, т.е. зависимость изменений на выходе от изменений на входе. Многократный учет позволяет открыть закономерность между поведением входов и выходов и предвидеть поведение системы в будущем, а значит управлять ею. Хотя метод «черного ящика» имеет прогностическое значение, он не позволяет вывести конструктивные рекомендации о том, какие необходимы изменения в системе, для того, чтобы она лучше функционировала с позиций достижения целей. Таким образом, «черный ящик» - это объект, который воспринимает входные сигналы и генерирует выходные сигналы, предварительно ассоциируя их с входом по некоторому закону (см. рис.2.1.)


(Множество законов)




Закон

Входной сигнал Выходной сигнал







(Множество (Множество

входных сигналов) выходных сигналов)


Рис. 2.1. “Черный ящик”


Успехи в анализе и конструировании систем могут быть условно представлены как постепенное замещение «черных ящиков» « белыми ящиками». «Белый ящик» - это система, состоящая из известных компонентов, соединенных известным образом и преобразующих сигналы по известным алгоритмам или законам (см. рис 2.2.).

P₀




1



D

2 3 P_D= P₀ e^-D/D







1

1/D₀


Рис. 2.2. “Белый ящик”

Обозначения: 1 - потенциометр, 2 - интегратор, 3 - усилитель.

На рис.2.2. представлена экспоненциальная зависимость между дозой D и реакцией P (например, для зависимости количества заболевших людей и концентрацией вредного вещества в питьевой воде) в виде схемы аналогового моделирования.

Но, как правило, для сложных динамических систем этот алгоритм никогда не может быть построен «раз и навсегда», в силу постоянно изменяющихся внешних или внутренних условий. Таким образом, говорить следует о модели, с помощью которой можно исследовать свойства и поведение системы. Представления, которые складываются у нас о тех или иных системах, условимся называть моделями. Все мышление человека – по сути моделирование на основании имеющейся информации. И другого способа мыслить у человечества пока нет. Любое представление об объекте (системе), любое обобщение имеет свою область применимости. И только в рамках этой области применимости оно будет правильным. А за пределами - вполне может оказаться неверным. Многие наши проблемы возникают не потому, что мы пользовались неправильной моделью, а потому, что мы ее применяли не там, где она может работать. С построением мысленных моделей окружающего связана еще одна интересная вещь. Уже давно было замечено, что одно и то же явление можно описать по-разному, построить разные модели, но ни одна из них не будет исчерпывающей.

Что же делать? Как выбрать правильную модель, с помощью которой можно изучать поведение системы? Единственно правильной модели в принципе не может быть. В разных случаях удобными могут оказаться разные модели одного и того же явления, в зависимости от задачи исследования. Системное мышление требует нового взгляда на модели: не может быть отображена реальность (сложная система) единственно правильной моделью системы. В нашем сознании вполне могут сосуществовать и сотрудничать разные, даже взаимоисключающие модели. И в разных случаях, в разных ситуациях мы сможем применять ту модель, какая лучше будет отражать данное явление в данном случае.

Время "одной, но правильной" модели безвозвратно уходит в прошлое. Слишком много вреда человечеству стало приносить стремление любой ценой к единственной модели -"истине". Системный анализ учит не противопоставлять модели, а объединять их, пользуясь по любому поводу теми, которые в данном случае, в данной области применимости удобнее. И легко переходить с одной модели на другую. Короче говоря, учиться полимодельному мышлению.

Итак, в рамках приведенных определений системный подход и системный анализ выступают в качестве методологии исследования сложных объектов посредством представления их в качестве систем, моделирования этих систем и их анализа. Именно системный анализ позволяет выявить условия, приводящие к наилучшим результатам функционирования и оптимизации системы. При этом любой объект рассматривается не только как неразделимое, единое целое, но и как система взаимосвязанных составных элементов, их свойств и качеств.

Признавая любую социальную организацию сложной открытой динамической системой, и используя принцип универсальности в науке можно сказать, что каждая организация должна обладать всеми свойствами и признаками системы. Ниже перечислены основные из них:

Структурированность организации. Каждая организация (фирма, компания) имеет определенную структуру, обусловленную формой пространственно-временных связей или взаимодействий между элементами организации.

Необходимое разнообразие. Согласно принципу необходимого разнообразия организация не может состоять из элементов, лишенных индивидуальности, идентичных.

Свойство эмергентности, как степень несводимости свойств целого к сумме свойств отдельных частей, из которых состоит организация. Сочетание двух или нескольких взаимодействующих элементов, свойств (качеств, потенциалов) любой организации в подавляющем большинстве случаев придает ей новое качество. Это свойство в теории организации обозначают термином синергия - совместное действие. В зависимости от знака или суммы (условно - алгебраической суммы +, -) знаков взаимодействий синергия может быть положительной или отрицательной. Более подробно это свойство систем-организаций будет рассмотрено позднее.

Свойство открытости организаций как социальных систем. По характеру связей, в частности, по возможности обмена веществом и энергией со средой в принципе мыслимы: изолированные системы (никакой обмен не возможен); замкнутые системы (невозможен обмен веществом); открытые системы (возможен обмен и веществом, и энергией). В природе существуют и в теории организации рассматриваются только открытые системы.

Свойство динамичности социальных систем. Системы, между внутренними элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем.

Способность к самосохранению. Каждая система-организация стремится к достижению главной цели - самосохранению (в том числе и путем самовоспроизведения). Преобладание внутренних взаимодействий в организации над внешними и лабильность по отношению к внешним воздействиям определяет способность организации к самосохранению. Гомеостаз организации поддерживается благодаря непрерывному протоку и преобразованию энергии в системе. Вероятность достижения главной цели определяется как ее потенциальная эффективность.

Адаптивность системы. Изменение поведения обозначают как реакцию организации на воздействие. Качественное изменение реакции системы, связанное с изменениями структуры и направленное на стабилизацию поведения, - как ее приспособление, или адаптацию.

Эволюция системы. Возникновение и существование всех материальных систем в природе обусловлено эволюцией. Социальные организации эволюционируют в сторону усложнения и образования все новых подсистем.

Неравномерность, отсутствие монотонности как общее системное свойство организаций. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации - раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. От выбора того или иного продолжения пути в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира вещей, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы.

Управляемость и самоорганизация. Закрепление адаптивных изменений структуры и связей в организации, при котором ее потенциальная эффективность увеличивается, рассматривается как способность к самоорганизации и самоуправлению.

Моделирование организаций. Любая организация как объект исследования может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, т.е. соответственно аналоговой или знаковой моделью организации. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей.

Остановимся подробнее на некоторых из этих свойств, имеющих наиболее непосредственное отношение к теории организации.

Структура чаще всего рассматривается как упорядочение элементов системы, результат процесса организации. В прямом смысле структура - это строение системы. Вне систем структур не существует. Посредством структуры реализуются свойства, обеспечивающие желаемое функционирование системы. Структура характеризует систему со стороны ее строения, конструкции, пространственно-временного расположения частей, устойчивых взаимосвязей. Говоря о структуре, часто подразумевают большее: выделяют количество элементов, пространственное расположение, способ и характер их связи. Иногда употребляют понятие “структурные срезы”, подразумевая горизонтальную структуру, вертикальную или штатную структуру, структуру планов и пр.

В саморазвивающихся системах структура непрерывно меняется. В период организации систем структура усложняется, включаются новые связи, меняется пространственное расположение. При дезорганизации, напротив, связи ослабевают или исчезают, свойства элементов нарушаются, целостность системы уменьшается.

Эмерджентность (эмергентность, лат. emergere - появляться, возникать) как степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, по существу отрицает применимость редукции к сложным динамическим системам. Сочетание двух или нескольких взаимодействующих элементов, свойств (качеств, потенциалов) любой системы в подавляющем большинстве случаев придает системе новое качество, отличающее систему от простой суммы независимых качеств ее элементов. Это свойство в теории организации обозначают термином синергия - совместное действие. В зависимости от знака или суммы (условно - алгебраической суммы +, -) знаков взаимодействий синергия может быть положительной или отрицательной.

Развитие системы - процесс закономерного изменения, перехода из одного состояния в другое, более “совершенное”, от простого к сложному, от “низшего к высшему”. Здесь имеется в виду “прогрессивное” развитие - поступательное “улучшение” в процессе развития. Взятые в кавычки слова этих дефиниций отражают традиционное субъективное отношение к сущности развития. Для отдельных, даже очень больших систем и для больших промежутков времени по-настоящему объективны лишь смена качественных состояний и усложнение.

В процессе развития системы возникают и более или менее успешно разрешаются противоречия между новыми и старыми элементами системы, противоречия между самими новыми элементами, противоречия между процессами дифференциации и интеграции. При этом происходят закономерные изменения свойств организации как системы: возрастает разнообразие ее элементов и связей между ними, увеличивается сложность и эмерджентность системы.

Зрелость - состояние системы, когда процессы организации и дезорга-низации уравновешивают друг друга и когда перечисленные выше свойства достигают оптимального сочетания для установившихся внешних условий функционрования, обеспечивая высокую устойчивость. В зрелом состоянии все передаточные функции системы работают в стабильном режиме.

Признаки зрелой системы. Каждая система стремится достичь зрелости, используя при этом системные свойства и процессы самоорганизации. Для зрелой системы характерно: множество элементов; единство главной цели для всех элементов; наличие связи между элементами; целостность и единство элементов; структура и иерархичность; относительная самостоятельность; наличие функции управления; длительная работа в стационарном режиме.


Лекция 3. Иерархии материальных систем. Тенденции взаимодействия

В мире материальных систем существуют определенные иерархии - упорядоченные последовательности соподчинения и усложнения. Они служат эмпирической основой системологии. Все многообразие нашего мира можно представить в виде последовательно возникших иерархий: физико-химико-биологической (Ф,Х,Б) и, возникшей на ее основе социо-технической (СТ) иерархии (рис.2.4.). Объединение систем из разных иерархий приводит к смешанным классам систем: биотехнических, эколого-экономических, социо-эколого-экономических и пр.

Природная иерархия - от элементарных частиц до современной биосферы - отражает ход эволюции материи. В масштабах, близких к современным по разнообразию форм, числу видов ( 10⁷) и индивидуумов ( 10²⁷  10²⁸), по общей биомассе и продуктивности биосфера существует по меньшей мере 180—200 млн лет. За это время в процессе биологической эволюции через жесткий естественный отбор пропущено на 2—3 порядка большее число видов организмов — микробов, грибов, растений и животных. А сами организмы несмотря на их ничтожную совокупную массу по сравнению с массой других геосфер Земли в результате интенсивного обмена веществ тысячекратно (в пределах 10³  10⁵) пропустили через себя, через свои клетки, ткани, органы, кровь всю земную атмосферу, весь объем мирового океана, большую часть почв, гигантскую массу минеральных и органических веществ, колоссальное количество энергии. И не только «пропустили», но и видоизменили облик и химизм планеты, по существу создав всю земную среду. Отсюда суждение В.И. Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества биосферы. Древние микроорганизмы, растения и животные участвовали в создании мощных запасов ископаемых топлив, толщ известняков, фосфоритов, некоторых руд и глинистых пород, содержащих железо, алюминий, марганец и другие металлы.







Биосфера Техносфера

Техногенез Человечество Т

Биоценоз Сообщество

Социум

Популяция Коллектив С

Человек

Организм

Б

Клетка

Молекула

Атом

Х

Ф


Рис. 3.1. Иерархии материальных систем

Ф - физическая, Х - химическая, Б - биологическая, С - социальная, Т - техническая


Биогенная миграция веществ во многом определила формирование ландшафтов и природно-климатических зон. Фотосинтез в растениях обусловил современный состав атмосферы, от которого зависят окислительно-восстановительное равновесие среды, радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света.

Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение многих химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие.

Таким образом, совокупность живых организмов — биота биосферы — обладает мощной средообразующей функцией. Ее работа направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов, в том числе и человека. Она слагается из газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной, биохимической и информационной функций живого вещества. Следует четко представлять себе, что окружающая нас среда — это не возникшая когда-то и непреходящая физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой множества живых существ. Средообразующая функция биосферы, обусловленная биотическим круговоротом веществ, тесно связана со средорегулирующей функцией — исключительно точной биотической регуляцией окружающей среды. Она задается высокой степенью замкнутости биотического круговорота — равенством скоростей синтеза и распада органических веществ.

Социо-техническая среда по вселенскому масштабу времени сформировалась совсем недавно: современный человек в биосфере появился всего около 10 тыс. лет назад. Человеческая цивилизация привела к появлению на планете новой глобальной материальной системы в виде многослойной сферы искусственно созданных объектов. Все мировое хозяйство можно рассматривать как быстро растущую видовую экологическую нишу человечества – техносферу. Техносферу можно определить как планетарное пространство, находящееся под воздействием инструментальной и технической производственной деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности. Техносфера возникла в процессе нескольких тысячелетий техногенеза. К ней в равной мере относятся первый костер, зажженный человеком, и Чернобыль, египетские пирамиды и небоскребы Манхэттена, оросительные каналы шумеров и Асуанская плотина, Стоунхендж и Эйфелева башня, дротик первобытного охотника и баллистические ракеты, великая китайская стена и туннель под Ла-маншем, идолы острова Пасхи и памятник Петру I в Москве.

Техногенез выступает как материальное слагаемое истории человечества. С экологической точки зрения, это последний по времени этап эволюции, обусловленный деятельностью человека и вносящий в природу Земли вещества, силы и процессы, которые в конечном счете изменяют и нарушают равновесное функционирование биосферы и замкнутость биотического круговорота. Вместо того, чтобы вписаться в циклы биосферы, социум создает параллельную макросистему, сопоставимую по материальному балансу со своей надсистемой – биосферой. Общая масса техносферы в настоящее время сопоставима с биомассой живого вещества всей биосферы. В табл.2.1. сопоставлены основные количественные показатели биосферы и техносферы.

В таблице 3.1 указывается «сферообразующее число» биологических видов: 10⁷ видам биоты биосферы противопоставлен один вид — Homo sapiens, создавший техносферу.


Таблица 3.1. Сравнение биосферы и техносферы (По Хаскину, Акимовой, 2000г.)

Сравниваемые показатели	Биосфера	Техносфера
Сферообразующее число биологических видов	107	1
Число контролируемых видов	все 107	104
Масса сферы, Гт *	5104	2104
Годовая нетто-продукция, Гт	850	1,5
Годовой расход органического вещества, Гт	130	24
Годовой расход энергии, Дж	2,31021	4,5 1020
Годовой расход воды, км3	2,2104	5103
Степень замкнутости круговорота веществ, %	99,9	 10
Скорость переработки информации, бит/с	1034	1016
Информационная скорость эволюции, бит/с	0,1	107
* Гт — гигатонна = 109 т

Из сопоставления количественных характеристик биосферы и техносферы следует:

• главным «сферообразующим» видом техносферы является человек;
  
• человек контролирует и в той или иной степени использует небольшую часть биологических видов биосферы;
  
• полная масса биосферы в 2,5 раза больше массы техносферы;
  
• годовая нетто-продукция биосферы почти в 600 раз превышает нетто-продукцию техносферы;
  
• отношение расхода органического вещества к продукции в биосфере в 100 раз меньше, чем в техносфере: соответственно 0,15 и 16;
  
• годовые расходы энергии биосферы значительно больше, но энергоемкость нетто-продукции техносферы во много раз больше, чем энергоемкость биосферной продукции;
  
• расход воды в техносфере в 4,5 раза меньше, чем в биосфере, но водоемкость продукции техносферы в 130 раз больше;
  
• степень замкнутости круговорота веществ в техносфере на порядок меньше, чем в биосфере;
  
• скорость прогресса цивилизации в ХХ в. на 8 порядков больше скорости биологической эволюции в биосфере;
  
• суммарная скорость переработки активной информации в биосфере на 18 порядков больше, чем скорость переработки информации цивилизации;
  
• триады «вещество — энергия — информация» в биосфере и техносфере резко различны.: соотношение порядков их потоков (кг/с : Вт : бит/ c) в биосфере —
  

1 : 10⁶ : 10²⁸; в техносфере — 1 : 10⁷ : 10¹⁰.


Общий вывод: биосфера как единая система несравненно совершеннее и умнее созданной человеком техносферы, она более гармонична, эффективна и экономична, она гораздо лучше сбалансирована, потоки ее веществ и энергии регулируются с чрезвычайно высокой точностью.


Рассмотренный нами ранее холистический подход, предполагает рассмотрение двух главных иерархий материальных подсистем как единую систему, которую мы назвали экосферой. Ранее в своих работах мы не раз использовали модель системы: человек – экономика – биота – среда (модель ЧЭБС), и неоднократно рассматривали взаимоотношения между элементами этой системы [ 9,10 ]. Но в предыдущих работах нами не был учтен важнейший системный принцип – принцип соразвития (коэволюции) систем.¹ Свойства подсистем (элементов) определяются целями самой системы. Система способна отбраковываать те элементы, те структуры, цели которых противоречат ее собственным. Это одно из важнейших системных свойств. В этом процессе выстраивания своей структуры велика роль информационных взаимодействий между элементами и системой, системой и ее внешней средой. Задача надсистемы – обеспечить соразвитие с подсистемами. Если система оказалась не в состоянии обеспечить соразвитие системы и ее собственных элементов, происходит «системный кризис». Итак, системный подход обязывает соотносить цели развития подсистем с целями надсистемы. Взлелеянная человеком техносфера должна соотносить свои цели с биосферой как своей надсистемой, вписывать свои технологии в биосферные циклы для сохранения основных характеристик природной среды и среды обитания человека. Однако современные достижения человека показывают, что если весь остальной природный мир живет по закону подчинения внешней среде, ее законам, то человек, напротив, подчиняет окружающую среду себе.

На рис 3.2. мы представляем модель взаимодействия биосферы и техносферы с позиций принципа коэволюции. Известно, что поведение систем определяется не столько конкретными функциональными характеристиками связей, сколько их направленностью. Процессы саморегуляции в природных системах основаны на механизме отрицательной

обратной связи. Классическим примером контура отрицательной обратной связи может служить взаимосвязь между хищником и жертвой, или взаимодействие между основными компонентами в экосистеме водоема, на котором основан процесс самоочищения водоема, взаимосвязь между биотой и средой в биосфере и др. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей, т.е. являются саморегулируемыми. В отличие от них контуры положительных обратных связей приводят к разрушению системы. На контурах положительной обратной связи основаны механизмы человеческой экономики, когда рост производства поддерживается не действительными потребностями, а усилиями маркетинга, навязчивой рекламой, диктатом предложения. Ярким примером фатальности положительной обратной связи может быть гонка вооружений,


+






















_


Рис. 3.2. Модель взаимодействий между биосферой и техносферой

«Биота – Среда» - отрицательный контур связей в биосфере ( + - )

«Человек – экономика» - положительный контур связей в техносфере (+ +)


при которой увеличение количества оружия увеличивает риск поражения и потребность в новом витке производства еще более мощных вооружений. Известный аналитик в области эколого-экономических проблем Д. Медоуз определяет системы, основанные на контурах положительных обратных связей как порочные системы, называя их «мания-структурами». На фоне кажущегося благополучия, например роста ВВП, действительное состояние системы ухудшается: результат действия (обратная связь) замыкается не на подлинное, а на кажущееся здоровье системы. Система «идет в разнос».

На рис. 3.2. показаны два контура связей: между биотой и средой (контур биосферы) и между человеком и его экономикой (контур техносферы). Контур биосферы имеет отрицательный знак, так как взаимодействия между организмами и средой в природе в целом превосходно уравновешены: биота биосферы выполняет средообразующую функцию (знак +), а условия среды лимитируют увеличение массы биоты (знак -), контур биосферы саморегулируемый. Подобной уравновешенности нет во взаимоотношениях контура техносферы. Он имеет положительный знак, поскольку взаимосвязь между людьми и их хозяйством обоюдна положительна: человечество растет и наращивает производство ресурсов для своего дальнейшего роста. Из схемы видно, как подсистема «человек – экономика» давит на систему «биота – среда», стараясь или расширить ее, или совсем вытеснить. Так как контур техносферы по отношению к контуру биосферы является подсистемой, то можно прогнозировать дальнейшее поведение всей системы: надсистема будет отбраковывать те варианты развития своих элементов, которые препятствуют ее собственному развитию или угрожают ее самосохранению.


Лекция 4. Классификация систем. Особенности эколого-экономической системы


Классификация систем может быть проведена по различным признакам. Основной является группировка по трем категориям: естественнонаучной, технической и социально-экономической. В естественных (биологических) системах место и функции каждого элемента, их взаимодействие и взаимосвязь предопределены природой, а совершенствование этой организации происходит по законам эволюции. В технических - место и функции каждого механизма, узла и детали предопределены конструктором (технологом), который в процессе эксплуатации совершенствует ее. В социально-экономических системах место, функции и взаимосвязь элементов предопределяются управляющим (менеджером), им же и корректируются и поддерживаются.

В зависимости от решаемой задачи можно выбрать разные принципы классификации. Системы могут быть:

• материальными и знаковыми
  
• простыми и сложными,
  
• естественными и искусственными,
  
• активными и пассивными,
  
• открытыми и закрытыми,
  
• детерминированными (жесткими) и стохастическими (мягкими).
  

Объективно реальные материальные системы обычно определяются как совокупность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции (железная дорога, завод и пр.).

Среди систем, созданных человеком, есть и абстрактные, знаковые, чисто информационные системы, являющиеся продуктом познания, - мыслимые, идеальные и модельные системы. Их элементами являются не вещи, а понятия, сущности, взаимодействующие массивы и потоки информации. Например, система математических уравнений, система аксиом Эвклида, система множеств, логические системы, система химических элементов, систематика организмов, правовая система кодексов, система власти, система целей компании, правила дорожного движения и т.п. И конечно Интернет.

Как правило, организации как системы являются конкретными материальными системами, но в своих функциях и поведении содержат некоторые свойства абстрактных систем - систем инструкций, правил, предписаний, законов, учета, счетов и т.п..

За основу классификация систем по сложности разные авторы принимают различные признаки: размер системы, количество связей, сложность поведения системы. На наш взгляд, разделение на простые и сложные системы должно происходить на основании наличия цели и сложности заданной функции.

а) Простые системы, не имеющие цели и внешнего действия (атом, молекула, кристалл, механически соединенные тела, часовой механизм, термостат и т.п.); это неживые системы.

б) Сложные системы, имеющие цель и “выполняющие заданную функцию”; одновременно это живые системы или системы, созданные живым: вирус, бактерия, нервная система, многоклеточный организм, сообщество организмов, экологическая система, биосфера, человек и материальные системы, созданные человеком - механизмы, машины, компьютеры, Интернет, производственные комплексы, хозяйственные системы, глобальная техносфера. И, конечно, - различные организации. В отличие от простых систем сложные системы способны к актам поиска, выбора и активного решения. Кроме того, они обязательно обладают памятью. Все это - конкретные материальные системы. Они состоят из материальных элементов. Если взаимодействия между элементами имеют характер сил или переносов вещества, энергии и информации и могут изменяться во времени, мы имеем дело с динамическими системами. Они выполняют функции, относимые к внешней среде - защиты от среды или работы по оптимизации среды, по меньшей мере, одну внешнюю функцию - функцию самосохранения.

Довольно полная классификация по уровням сложности предложена К. Боулдингом (Табл. 4.1.)

Открытые и закрытые системы. Открытая система для достижения целей существенным образом взаимодействует с другими системами. Понятие открытой системы ввел Л. фон Берталанфи. Открытые системы способны обмениваться с внешней средой веществом, энергией и информацией. Закрытые – лишены этой способности. Любая социально-экономическая система принадлежит к классу открытых динамических систем. Именно к открытым динамическим системам применимо понятие самоорганизации.


Таблица 4.1. Классификация систем по уровням сложности

Тип системы	Уровень сложности	Примеры
Неживые системы	Статические структуры (остовы) Простые динмические структуры с заданным законом поведения Кибернетические системы с управляемыми циклами обратной связи	Кристаллы Часовой механизм Термостат
Живые системы	Открытые системы с самосохраняемой структурой (первая ступень, на которой возможно разделение на живое и неживое) Живые организмы с низкой способностью воспринимать информацию Живые организмы с более развитой способностью воспринимать информацию, но не обладающие самосознанием Системы, характеризующиеся самосознанием, мышлением и нетривиальным поведением. Социальные системы Трансцендентные системы или системы, лежащие в настоящий момент вне поля нашего познания	Клетки, Гомеостат Растения Животные Люди

По степени организованности. Иногда системы пытаются классифицировать по степени ее организованности, подразумевая при этом структуризованность (хорошо структуризованные, плохо структуризованные, неструктуризованные). Позднее была предложена более простая классификация: хорошо организованные и плохо организованные или диффузные системы; еще позднее, когда появился класс самоорганизующихся систем, соответственно появилось и разделение их на саморегулирующиеся, самообучающиеся, самонастраивающиеся, самоадаптирующиеся. Но все эти классификации достаточно условны.

Под хорошо организованными системами часто понимают системы, в которых исследователь может определить все элементы, связи и детерминированные зависимости между элементами и целями системы. Как правило, к таким системам относится класс технических систем.

При изучении, так называемых, плохо организованных или диффузных систем задача определить все компоненты и связи не ставится. Система характеризуется набором основных макропараметров и закономерностей, с помощью которых можно оценивать поведение системы. В таком случае необходимо ввести понятие вероятности, т.е. выявленные закономерности распространяют на поведение системы с какой-то вероятностью. Поэтому этот класс систем относят к вероятностным или стохастическим системам.

Но сама классификация по признаку хорошо организованные или плохо организованные не соответствует семантическому смыслу употребляемых слов: названная плохо организованной, вероятностная система по уровню организованности выше, чем та, которую авторы назвали хорошо организованной.

Детерминированные (жесткие) и стохастические (мягкие). О детерминированных системах уже было сказано достаточно. Социально-экономические процессы имеют вероятностый (стохастический) характер. Это означает, что принципиально невозможно в данный момент получить точные сведения о всех процессах, которые происходят в системе и в деталях предвидеть будущее поведение системы (в противоположность тому, как мы предвидим, что произойдет от нажатия кнопки на стенде управления каким-либо механизмом, который есть детерминированная система). Но именно в вероятностных недетерминированных системах проявляются признаки самоорганизации систем. Увеличивая детерминацию, устанавливая жесткие связи между элементами в системе можно лишить ее способностей к самоорганизации.

Класс самоорганизующихся систем характеризуется следующими особенностями:

• изменчивостью, нестабильностью, случайностью отдельных параметров и стохастичностью поведения;
  
• способностью адаптироваться к изменяющимся условиям среды и помехам ( как к внешним так и внутренним);
  
• способностью к самосохранению за счет действия системных законов и принципов: развития, синергии, информированности-упорядоченности, гармонии и др.;
  
• способностью вырабатывать цели, варианты поведения и изменять структуру.
  

Таким образом, повышение организованности, вернее самоорганизованности, наблюдается именно в открытых, стохастических, динамических системах.

Особенности эколого-экономической системы. Объектом нашего изучения являются эколого-экономические системы (ЭЭС). Гуманизация экономики через уравновешивание ее с возможностями природы, требования к сохранению оптимальной среды обитания человека делают эколого-экономическую систему (ЭЭС) главной организационной формой и основным условием нормального развития общества.

Требования соразмерности и сбалансированности двух частей эколого-экономической системы многократно постулировались на многочисленных международных форумах как важнейшие требования будущего развития социума. К сожалению, до сих пор эти требования остаются на уровне деклараций. Другого быть не может, т.к. объектом управления остается все та же экономическая система с ее основными критериями оптимизации – прибылью, доходом, объемом продукции. Призыв М.Стронга в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде и развитию к переходу от экономической системы к эколого-экономической системе так и остался, к сожалению, только призывом. Дело в том, что переход этот связан со сменой самой парадигмы развития человечества, со сменой главных целей развития системы. Если объект управления – экономическая система, то и цели ясны: она должна быть эффективной с позиций роста ВВП, роста общественного производства, доходов на душу населения. Если же нашим объектом управления становится эколого-экономическая система, то ее главными целями становятся соразмерность, уравновешенность, сбалансированность двух ее частей, а рост экономики ограничен именно этими целями.

Понятие эколого-экономической системы (ЭЭС) широко используется в современной экономической и экологической литературе наряду с близкими по смыслу понятиями “природно-экономическая система” и “биоэкономическая система”.

Эколого-экономическая система (ЭЭС) – это определенное сочетание совместно функционирующих экологической и экономической систем, обладающее новыми эмерджентными свойствами, не сводимыми к сумме свойств элементов. Понятие эколого-экономической системы ориентирует науку и практику, прежде всего на поиски закономерностей механизмов соединения разнородных компонентов в единое, целостное эффективное образование. Не секрет, что в последние десятилетия важнейшими становятся отношения экологические, как отношения между человеком и природой, поэтому становится обязательным рассматривать любую организацию как социо-эколого-экономическую систему. Основной целью таких систем является вписанность их в природные комплексы, в биосферу. Говоря об ЭЭС, мы будем представлять ее как динамическую систему, т.е. систему, изменяющуюся во времени. Как правило, это нелинейные системы, с нелинейными взаимодействиями и нелинейными законами развития, для которых имеет смысл использование понятия "траектория развития". На языке теории систем, траектория, около которой происходит реальное развитие событий называют аттрактором. Сложная нелинейная динамическая система может иметь множество аттракторов - возможных траекторий развития. Эти области отделены друг от друга некоторыми энергетическими барьерами, которые выступают в качестве границ стабильности [31]. Происходящие изменения в системе накапливаются, в результате система теряет стабильность и переходит на другую траекторию и развивается дальше в других границах стабильности. Такую потерю стабильности в теории систем называют бифуркацией, а момент перелома траектории, или перехода - называют точкой бифуркации. Исходя из внешних и внутренних условий, конкретная система может проходить несколько состояний бифуркации, что, в конце концов, определит траекторию ее жизненного цикла.

Следует хорошо понимать, что человек в ЭЭС является не только объектом и субъектом управления, но он же и есть тот самый «норматив», от которого зависит, какие пределы загрязнения окружающей среды он определит, какие технологии будут использованы в настоящем и будущем и т.д. Именно этот факт является ключевым в понимании общих эколого-экономических проблем и в экологическом нормировании в частности. Человек берет на себя функции регулирования своих отношений с природой, но пока явно не считает эти функции наиважнейшими для собственного выживания и ничего не предпринимает для реализации главной цели ЭЭС – согласования целей развития социальной системы с возможностями природной системы (надсистемы).

Принцип усложнения организационных форм в процессе эволюции распространяется и на эколого-экономические системы. При этом адекватно этим усложнениям должны изменяться и подходы к организации и управлению. Увеличивается объем оперативной и структурной информации о системах, усложняются процедуры, позволяющие принимать оптимальные решения, а в силу того, что значительно сложнее становится внутренняя и внешняя среда, большие трудности возникают и при реализации решений.

При исследовании поведения ЭЭС, следует помнить, что любая рассматривая система всего лишь элемент некоторой другой тоже нелинейной динамической системы. Например, предприятие с зоной своего воздействия можно рассматривать как эколого-экономическую систему.

В свою очередь, предприятие как эколого-экономическая система, является частью более крупной эколого-экономической системы, например, промышленного узла с его зоной воздействия. Промышленный узел, соответственно, является частью более крупной системы, например, города и т.д. Одним словом принцип матрешки», при котором у каждой системы по отношению к предыдущей будет своя надсистема, которая и будет задавать функции подсистемам.

На рис 4.1. представлена схема управления ЭЭС, из которой видна противоречивая роль человека. Человек одновременно субъект управления, объект управления и главный норматив, по которому оценивается эффективность системы.

Эколого-экономическая система

Управляющая подсистема стемаподсистема


Блок

регулирования

Блок определения целей















Социально-экономическая деятельность: производство, обмен, потребление


Управляемая подсистема



Природные ресурсы, компоненты окружающей среды




Рис. 2.8. Общая схема производственной компании

Рецептор - человек потребитель в среде обитания




Рис. 4.1. Принципиальная схема управления ЭЭС


Исходя из сказанного эколого-экономические системы следует отнести к классу открытых, сложных, стохастических, динамических систем, главными отношениями в которых, являются отношения между материальными структурами, созданными человеком и природой.