Синергетическое управление сложными системами

Синергетическое управление сложными системами

Синергетика

(от др.-греч. — приставка со значением совместности и — «деятельность») — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…»

Автором термина синергетика является Герман Хакен (Hermann Haken, род. 12 июля 1927 г.).Немецкий физик-теоретик, основатель синергетики. Назвал теорию самоорганизации синергетикой- теория совместного дйствия

Смысл и содержание синергетики состоит в том, что в открытых системах, обменивающихся с внешней средой энергией, веществом и информацией, возникают процессы самоорганизации, т.е. процессы рождения из физического (биологического, экономического, социального) хаоса некоторых устойчивых упорядоченных структур с новыми свойствами систем

Анализ обширнейшей литературы по критериям феномена самоорганизации в различных системах: физической (от элементарных частиц до Вселенной), химической, биологической, социальной природы позволяет выделить ключевые характеристики систем, являющиеся необходимыми и достаточными условиями возможности протекания в них процессов самоорганизации новых структур (диссипативных структур) - «порядка из хаоса».

Такие системы должны быть:

• - сложными;

• - открытыми и сильно удаленными

от состояния термодинамического равновесия;

• - анизотропными по структуре;

• - процессы взаимодействия между частями системы и между системой в целом и внешними факторами должны быть нелинейными

Например, цунами в Японии в 2011 г наряду с прямыми разрушениями вызвало аварию на атомной электростанции Фукусима.

Для проявления многих опасностей характерен синергетический эффект, который состоит в том, что проявление одной опасностей вызывает усиление другой и т. д. (эффект домино).

Синергетический подход к управлению

• Традиционный «Линейный» - чем больше вложишь ( энергии, средств, материальных ресурсов и т.д), тем больше отдача
• Синергетический подход к проблеме управления: существует множество путей развития системы, но необходимо выйти на свой аттрактор, свою цель Т.е. необходима разработка алгоритма выхода системы на свой путь развития (аттрактор), что сохраняет время, усилия и т.п.

Основные особенности СТУ состоят, во-первых, в кардинальном изменении целей поведения синтезируемых систем; во-вторых, в непосредственном учете в процедурах синтеза естественных свойств нелинейных объектов; и, в-третьих, в формировании нового механизма генерации обратных связей, т.е. законов управления. Конкретно суть этих нововведений состоит в следующем:

целью функционирования систем является достижение целевых аттракторов — асимптотических пределов в их пространстве состояний, отражающих желаемые технологические режимы систем;

целевые аттракторы и инвариантные многообразия отражают физическую сущность естественных процессов, протекающих в соответствующем объекте. Эти многообразия формируются на основе желаемых технологических инвариантов;

введение в процедуру синтеза инвариантных многообразий позволяет построить регулярный механизм аналитической генерации естественной совокупности отрицательных и положительных нелинейных обратных связей, которые формируют процессы направленной самоорганизации в синтезируемых системах.

Для СТУ характерна оптимизация поведения систем не только в “большом”, но и в “сверхбольшом” — это “макропостановка” задачи управления. Ее суть состоит во введении в рассмотрение качественно новых режимов поведения нелинейных систем — бифуркаций и фазовых переходов, опасных аттракторов в их пространстве состояний, неединственности решения задачи управления и др. Необходимость введения этих понятий связана с установлением фундаментального факта современного естествознания — возможности возникновения диссипативных пространственно-временных структур в фазовом пространстве сложных динамических систем.

Таким образом, в СТУ целью синтезируемой системы является достижение соответствующего желаемого аттрактора, т.е. асимптотически устойчивого конечного состояния. Размерность аттрактора — цели исходной системы — обычно существенно меньше размерности ее фазового пространства. Отсюда вытекает идеология процессов обработки информации и управления в сложных нелинейных динамических системах: для этого необходимо, чтобы указанные процессы включали, по меньшей мере, две фазы: во-первых, фазу расширения и, во-вторых, фазу сжатия пространства состояний. Эти фазы реализуются с помощью соответствующей совокупности нелинейных положительных и отрицательных обратных связей. При этом в фазе расширения в системе формируется подмножество различных альтернатив поведения для ее взаимодействия с внешней средой или другими системами. В фазе сжатия система сжимает область притяжения аттракторов, ранее построенных, в один из желаемых аттракторов — цель системы.

В рамках синергетики описываются закономерности функционирования и трансформации самоорганизующихся систем. Эти закономерности не задаются в системе извне, а являются продуктом ее собственной деятельности, поэтому их истоки и содержание следует искать внутри системы - в этом специфика синергетического подхода. Среди таких закономерностей наибольший интерес для синергетики представляет механизм перехода от беспорядка к порядку. Само собой разумеется, это не абсолютные, а соотносительные понятия. Некоторая упорядоченность присутствует в системе всегда, иначе последняя не была бы системой, поэтому под "беспорядком" и "порядком" понимается лишь меньшая или большая степень упорядоченности. Для синергетики свойственно стремление выявить один, главный фактор, который оказывает основное влияние на процесс движения к "порядку" и которому подчинены все остальные переменные. Данный фактор условно именуется "параметром порядка". Однако его действие во многом непредсказуемо, и это не позволяет напрямую управлять развитием системы, т.е. переводить ее в иное, заранее определенное состояние. Всегда возможны случайности - флуктуации , т.е. отклонения от средних, равновесных состояний, обусловленные произвольным сочетанием факторов, и система постоянно обладает набором вариантов дальнейшего развития. Точки, в которых возникает выбор, "дерево альтернатив", именуются "точками бифуркации" (от лат. - "раздвоение", "разветвление"). Бифуркации - взрывные изменения, дающие новые, непредсказуемые направления эволюции. Это означает, в частности, что направление времени, а также направление эволюции любой системы не предзадано извне. Оно творится постоянно на уровне элементарных физико-химических процессов. Саморазвитие, согласно Пригожину, — это постоянно осуществляемый «выбор на молекулярном уровне», где господствует случайность, неустойчивость. Человеческое общество — это очень сложная система, способная претерпевать множество бифуркаций, что подтверждается множеством культур, сложившихся на протяжении сравнительно короткого периода в истории человечества. Это вселяет в нас одновременно и надежду и тревогу: надежду на то, что даже малые флуктуации могут усиливаться и изменять всю их структуру (это означает, в частности, что индивидуальная активность вовсе не обречена на бессмысленность); тревогу потому, что наш мир, по-видимому, навсегда лишился гарантий стабильных, непреходящих законов. Мы живем в опасном и неопределенном мире, внушающем не чувство слепой уверенности, а лишь чувство умеренной надежды.