План истоки синергетики Сущность синергетики Тепловая конвекция как прототип самоорганизация Синергетика в промышленном производстве

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

ПЛАН

1.Истоки синергетики

2.Сущность синергетики

3.Тепловая конвекция как прототип самоорганизация

4.Синергетика в промышленном производстве

5.Синергетика в будущем

I

Сегодня слово синергетика в научном понимании означает одно – современную теорию самоорганизации. Свойство самых различных систем – физических, химических, биологических, экономических и социальных – сомоструктиризироваться, сомоорганизовываться было отмечено за долго до появления до синергетики.

В отличие от других многих наук дату рождения синергетики можно считать надёжно установленной, связав её с появлением самого термина: 1973 – год первой конференции посвященной проблемам самоорганизации, на которой Г. Хакен сделал доклад. Хакен обратил внимание, что кооперативные явления наблюдаются в самых различных системах.

В это же время примерно в том же направлении работала брюссельская школа под руководством физика – химика, русского происхождения, лауреата Нобелевской премии Ильи Пригожина. Они тоже занимались процессами самоорганизации – прежде всего определённым классом химических реакций, но использовали термодинамический подход. И эти работы рассматривают, как синергетические – под крышу синергетики желательно собрать все работы в области самоорганизующихся систем, вне зависимости от подходов и акцентов той или иной школы.

Успех синергетики тем более удивителен, что по сути никакого открытия Хакен и не сделал: не обнаружил нового эффекта, не построил теории и даже не выдвинул гипотезы, т.е. с классической точки зрения ничего. Но не классическая наука становится все более концептуальной.

Процессы самоорганизации на столько всеобщи, что само слово « самоорганизация» чуть ли не является синонимом слова «бытие».

1687г., когда вышли в свет «начала» Ньютона, физический мир представлялся учёным цельным и взаимосвязанным. Казалось, его можно описать с помощью всего нескольких компактных формул.

В 1943 г. знаменитый физик ХХ в. один из создателей квантовой механики Э. Шрёдингер говорил: “Мы унаследовали от наших предков острое стремление к объединенному, всеохватывающему знанию. С древности и в продолжении многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть доверие. А в наше время становится почти невозможным для одного ума, полностью овладеть более чем какой- либо одной специальной частью науки.”

Итак, через триста лет круг замкнулся. Перенасыщенность ин-

формационных знаний, информационный бум привели к тому, что вновь возникла ностальгия по уникальности.

Синергетика – это новое мировоззрение, отличное от ньютонианского классицизма, т. е. синергетика – плюс ко всему ещё и новая система естественнонаучных взглядов.

Синергетика стоит в ряду попыток создать достаточно общую концепцию поведения систем различной природы. Но она акцентирует внимание на когерентном, согласованном характере процессов самоорганизации в сложных системах такой подход – совершенно новый и до синергетики не применялся.

Сейчас, синергетика находится на стадии экспоненциального развития – стадии, без сомнения, самой интересной и показательной.

II

Всякий шаг эволюции связан с процессами самоорганизации. Самоорганизация – одно из основных свойств движущейся материи. Под этим, словом понимают все процессы самоструктуирования, саморегуляции, самовоспроизведение систем различной природы. Понятие структуры - ключевое слово для всей теории самоорганизации, для синергетики. Самоорганизация и есть процесс, который приводит к образованию новых структур. Есть два типа структуры: пространственные и пространственно-временные, как и самоорганизация различного типа. Система является общим понятием для теории систем, кибернетики синергетики.

В природе есть два типа процессов:

1.лазерная генерация (наблюдается труднее);

2.фазовые переходы (весьма распространены).

Физическая природа этих явлений:

1.Поток света в лазере самоорганизуется. Из хаотического он стал когерентным.

2.Приобретение или потеря намагниченности, изменение агрегатных состояний, электролизация, изменение симметрии кристаллов – все эти феномены самоорганизация.

Кооперативность - общая черта самоорганизации.

Четыре признака самоорганизации:

1.Движение. Понятно, что самоорганизовываться может лишь движущаяся система. При самоорганизации всегда имеет сложное, нелинейное движение, которое является, таким образом, переменным атрибутом.

2.Разомкнутость системы. Реальные системы, впрочем, не могут быть замкнуты, они обмениваются энергией со средой, а в случае биологических систем, ещё и веществом. Поэтому второй признак: обмен энергией и веществом со средой.

3.Кооперативность процессов происходящих в системе.

4.Неравновесная термодинамическая ситуация в системе. Остановимся на этом признаке особо, оба начала классической термодинамики сформулированы для замкнутых систем. Согласно второму началу термодинамики энтропия в системе возрастает, а сама система стремится к равновесию. Приток же энергии к системе может обеспечить отклонение от равновесия. Вместе с тем он может быть недостаточным, чтобы погасить рост классической энтропии. Тогда её рост лишь замедляется. Неравновестность это есть такое состояние, когда приток энергии из вне не только целиком гасит рост энтропии, но и заставляет энтропию уменьшаться.

Из этих четырех признаков можно увидеть, что синергетика имеет дело только с неклассическими процессами и явлениями в физике.

III

Прежде всего, рассмотрим объёмное движение текучих сред (газов или жидкостей) под действием температуры неоднородностей. Такие типы движения известны под названием тепловой конвекции.

Тепловая конвекция лежит в основе нескольких важных и впечатляющих явлений, наблюдаемых на нашей планете. Одним из таких примеров является циркуляция атмосферы и океанов, в значительной мере определяющая погодные изменения на короткие и средние сроки. Другой пример – дрейф континентов. На солнце тепловая конвекция лежит в основе переноса тепла и вещества, что в свою очередь в значительной мере определяет солнечную активность. В лабораторных условиях можно наблюдать, как тепловая конвекция приводит к некоторой организации более скромных размеров.

Представим себе слой жидкости (воды) между двумя горизонтальными параллельными плоскостями, материальные размеры которых значительно превосходят толщину слоя. Предоставленная самой себе жидкость быстро устремится к одно

родному состоянию, в котором, выражаясь языком статистики, все её части будут тождественны между собой. Например помещенный в такой слой миниатюрный наблюдатель, который строит свои суждения лишь на наблюдениях над окружающей средой, не может определить в каком из двух малых объёмов (V_Aили V_B ) он находится.

V_A

V_B

Таким образом, все объемы, которые можно выделить в жидкости будут не различимы между собой. Чтобы узнать состояние всех таких объемов достаточно знать состояние одного из них независимо от их формы и размера. С точки зрения нашего наблюдателя ему безразлично занимаемое им положение. Однородность этой системы распространяется на все ее свойства, и в частности на ее температуру, которая будет одинаковой во всех частях жидкости и равной температуре ограничивающих ее плоскостей, то есть температуре «внешней среды».

Все эти свойства характерны для системы в особом, состоянии, в котором нет объёмных движений, ни разности температур со внешним миром. Дадим количественное выражение этого свойства. Обозначим через Т₁ и Т₂ температуры плоскостей 1 и 2 соответственно. Тогда при равновесии

Т_е=Т₂–Т₁=0.

Система, находящаяся в состоянии, котором действующие на неё возмущения затухают во времени, мы говорим, что состояние является асимптотическим устройством.

Дополнительная устойчивость равномерного состояния делает в конечном счете тождественными ещё и все моменты времени. Поэтому наш наблюдатель не может получить представление о времени. Вряд ли можно говорить о поведении применительно к системе в такой простой ситуации. Несколько отклонимся от неё.

Например, нагреванием жидкого слоя снизу. При этом мы сообщаем телу энергию в виде тепла. Более того, так как Т₂ нижней плоскости выше чем у Т₁, условие равновесия нарушается

Т >0. Иначе, мы не позволяем системе достичь равновесия, налагая на неё внешнее ограничение. В данном примере внешнее ограничение подразумевает поток энергии и наоборот.

Допустим в начале, что ограничение слабое (

Т мало). В системе снова устанавливается простое и единственное состояние, в котором единственный протекающий процесс сводится к переносу тепла от слоя жидкости к верхней плоскости, от которой тепло будет передаваться во внешнюю среду для обеспечения постоянства Т₁. Единственная отличие этого состояния от состояния равновесия будет состоять в том, что температура, а с ней и плотность и давление не будут более одинаковыми.

Всё дальше отклоняя систему от равновесия путём увеличения

Т, мы увидим, что внезапно при некотором значении

Т, которая называется критическим (

Т_с), объём вещества приходит в движение. Это движение далеко не случайное: жидкость структурируется в виде небольших ячеек. Это и есть режим тепловой конвекции.

Вследствие теплового расширения жидкость расслаивается, причём часть жидкости, находящаяся ближе к нижней плоскости, характеризуется пониженной плотностью по сравнению с верхними слоями. Это приводит к градиенту плотности, направленному противоположно силе тяжести, такая конфигура-

ция потенциально неустойчива.

В жидкости могут возникать восходящие и нисходящие потоки. В принципе, изложенное выше обсуждение, вроде бы позволяет наблюдать также потоки при любом отклонении (

Т) от нуля температурного скачка. Причина, по которой такие потоки не наблюдаются при малых

Т, связанна со стабилизирующим влиянием жидкости: в результате этого в жидкости возникают внутренние силы трения, направленные против движения. Стабилизирующим фактором является и теплопроводность, вследствие которой разность температур между смещенной каплей и её окружением стремится исчезнуть. Это объясняет существование критического значения перепада температуры

Т_с.

IV

Оптимизация существующих производственных систем в концепции «гибкого производства» осуществляется в основном путем изучения затрат на каждом производственном этапе. Затем результаты исследований используются в совершенствовании процессов производства и снабжения, которые после внедрения новшеств вновь подвергаются оптимизационному анализу. Данный подход, состоящий из ряда последовательных итераций, применяется в течение всего жизненного цикла товара. При этом широко используются методы линейного моделирования.

Однако становится все более очевидным, что современные крупные хозяйственно-технологические комплексы представляют собой так называемые сложные нелинейные системы. В условиях олигополистической конкурентной среды многие из них часто работают у так называемых точек бифуркации ( особых критических точек), близ которых поведение системы становится неустойчивым. Это означает, что система под воздействием самых незначительных факторов может резко изменить свое состояние. Данная опасность подтверждается реальными событиями, когда крупные, внешне благополучные производители оказываются в кризисной ситуации: «КИА» (Корея), «СААБ» (Швеция), «Ровер» (Великобритания).

Поэтому практика управления современной промышленностью все чаще ставит под сомнение универсальность критерия экономической эффективности. При создании новых производственных систем данный показатель зачастую не отражает влияния рыночной конъюнктуры, динамично изменяющейся в условиях острейшей конкуренции. Показатель эффективности стало проблематично использовать в сложнейших нелинейных системах, когда нельзя с достаточной точностью учесть временной масштабный фактор.

Моделирование глобальной деятельности крупных компаний(включая работу на различных внешних рынках ) характеризуют другие базовые условия расчетов: нелинейность изменения экономических систем, многофакторность, разнородность, многосистемность и переменный масштабный фактор.

Поэтому концепция синергетизма как возникновения и развития мощной положительной обратной связи и последующего за этим процессом «разгона систем» должна, стать новой парадигмой управления в современной промышленности. Именно синергетические эффекты, характеризуемые как результаты кооперативного действия в суперсистемах, приводящие к изменению качества, являются адекватным инструментарием оценки инноваций в сложных моделях. Поэтому эффект логистической синергии как понятие взаимного усиления связей одной логистической системы с другой на уровне входящего материального потока приобретает в производственных системах особо важное значение.

Это предопределяет качественный переход в формировании вариантности продукции – от простого суммирования вариантов выбора и номенклатуры узлов и деталей к поиску и разработке ключевых (оптимальных с точки зрения максимального эффекта логистической синергии) систем материально-технического обеспечения и принципов построения.

Например, принцип использования одного источника комплектующих узлов значительно упрощает управление поставками. Он ускоряет принятие управленческих решений, облегчает логистическое планирование, создает более тесные связи между поставщиком и производителем конечной продукции. Этот принцип упрощает также планирование производственных на макроуровне, исключая необходимость строить балансы между производственными мощностями и числом источников (поставщиков) каждого типа продукции. Однако этот принцип можно эффективно применять лишь при наличии определенных условий, а именно:

территориальная близость поставщика;
наличие развитых систем связи;
интегрированные системы материально-технического обеспечения у поставщиков первого и второго уровней;
взаимопонимание и тесные деловые связи.

Ключевыми факторами получения эффекта логистической синергии в практике материально- технического обеспечения являются:

- оптимальный уровень вариантности конечной продукции, предлагаемой рынку;

увеличение массы прибыли путем внедрения экономических систем материально- технического снабжения, позволяющих уменьшить или полностью исключить рост издержек из-за увеличения вариантности конечной продукции;
получение комплектующих одного вида от одного поставщика;
сокращение числа используемых перевозчиков;
оптимизация системы и способов поставки;
короткие сроки исполнения заказов для серий комплектующих с высоким уровнем вариантности.

Следует отметить, что логистическая синергия может быть положительной и отрицательной. Положительная синергия возникает в случае выполнения всеми субъектами (логистическими системами) своих обязательств перед компанией. Она выражается в гибком реагировании выпуска (реализации) продукции на колебания рыночного спроса, улучшении технологической дисциплины и повышении качества продукции.

Итак, синергетические связи наиболее полно реализуются в транснациональных проектах, где в единую технологическую цепочку объединяются компании различных стран. При этом полнее используется потенциал сравнительных и абсолютных преимуществ, избыточных и дефицитных факторов, обеспечивается более благоприятный режим налогообложения и ослабление таможенных ограничений.

V

Синергетика, конечно, не может охватить всю и всяческую самоорганизацию, всевозможные процессы этого рода. Явление это настолько распространено, что в теории интересен не предмет, а круг идей и методов. Теория самоорганизации создается с разных концов специалистами разных направлений. Сегодня она напоминает Вавилонскую башню: так много языков смешалось на её строительных лесах. Возможно, эта идея окажется пророческой и единственная теория самоорганизации никогда не будет создана, но даже тогда ни одно усилие исследователей не пропадет даром, ибо все сделанное обогатит те области, из которых исследователи черпали свой предмет и свои методы.

История науки последних десятилетий знает несколько случаев подобных тому, что произошло с синергетикой: рождение идей, фейерверк кажущихся возможностей, голоса скептиков тонущие в гуле оваций поклонников, бурный рост количества публикаций конференций, перекрёстных ссылок, самые радужные надежды, но иногда и мрачные предсказания, предупреждающие о роковых последствиях. В первые годы существования синергетики были и обвинения в тривиальности посылок, в банальности примеров, натянутости аналогий.

Системный подход по охвату шире синергетического. Первый рассматривает системы самого различного характера – материальные, слабо и сильно структуризированные преднамеренно организованные человеком и самоорганизовавшиеся. Предметом синергетики являются системы только самоорганизующиеся уменьшением. Поэтому она область в некотором роде специфическая системно-структурных исследований. Но в месте с тем она является и совершенно самостоятельным междисциплинарным направлением.

Недаром мы начали говорить о системном подходе – ведь на сегодняшний день это то, что реально дала в распоряжение науки и культуры в целом незавершенная общая теория систем. Может быть и синергетика не сможет построить общую теорию самоорганизации в обозримом будущем, и точно так же от неё останется синергетический подход, а её идеи разойдутся по многим специальным областям. То, что им понадобится, возьмут от синергетики философы и психологи, дизайнеры и военные, физики и экономисты, сама же синергетика потеряет какую – либо оформленность. Возможно, так и случится: синергетика распадется на синергетику физиков и синергетику биологов, философов и социологов, а в общем общими останутся лишь некоторые основы поглощающие принципы. И в русле синергетического движения возникнет новая модельная концепция, которая взойдет «на синергетических дрожжах», также как сама синергетика «оттолкнулась» от достижений системного анализа, нашла свой метод и свой предмет.

^

Список литературы

1.Пригожин И. Стенгерс И. «Время, хаос, квант: к решению парадокса времени» М.: 1994г.

2.Климонтович Н.Ю. «Без формул о синергетике» Минск: 1986г.

3.Николис Г. Пригожин И. « Познание сложного:введение» М.:1990г.

4.Урманов И. Мировая экономика и международные отношения 2000 №3

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

ДОКЛАД