Иерархия и закономерности систем

Иерархия и закономерности систем Лекция 3 Вселенная Галактики Звёздные системы Звёзды Планеты Горные породы Эко (био) системы Сообщества Вещества Кристаллы Этнос Регион Коллектив Город Семья Район Человек Предприятие Организмы Органы Молекулы Ткани Атомы и ионы Клетки Элементарные частицы … Кванты поля Государство системная организация мира нелинейна Элементы могут входить в систему Опосредовано – как подсистемы других подсистем Частные науки Непосредственно самостоятельно Проблема несводимости Теория систем Свойство ? Свойство ! Свойство ! Свойство ! законы высокоорганизованных систем определение Не снимаемые на высших уровнях противоречия законы низкоорганизованных систем © А.В. Фоменко Фундаментальные принципы в системах Законы сохранения Законы несохранения материя не исчезает в никуда и не возникает ниоткуда, но только переходит из одного вида в другой закон сохранения массы закон сохранения энергии все нужно откуда-то брать и куда-то девать закон несохранения информации в замкнутой (не обменивающейся с внешней средой ни массой, ни энергией) термодинамической системе все процессы протекают в направлении увеличения энтропии © А.В. Фоменко Система предоставлена сама себе Разрушение структуры Уничтожение информации Энергия равномерно распределяется между всеми компонентами, уничтожая тем самым любые разности потенциалов, а значит – любое движение Конечный пункт развития любой замкнутой системы – состояние с максимумом энтропии © А.В. Фоменко Структурированная энергия Менее структурированная Структурирование среда прекращается Структурированная энергия Структурированная энергия НЭ Е1 > Е2 Неструктурированная Структурированная Структурированная энергия энергия энергия Энтропия входящего потока ΔS1 Энтропия выходящего потока Система ΔS > 0 Энтропия системы Поток поддерживает разницу потенциалов в системе ΔS2 Образование структуры → увеличение энтропии окружающей среды на величину не меньшую, чем была потеряна при образовании структуры Ресурсы → Отходы Качественная масса → Некачественная масса © А.В. Фоменко Ремонт Структурированная энергия Структурированная масса СЭ СМ НЭ НМ НЭ НМ СЭ СМ ≈ 0 © А.В. Фоменко Материя Взаимозаменяемость Запасы Информация Прогнозы Информация Свойства Информация © А.В. Фоменко Функционирование систем так или иначе связано с потоками Непрерывность движения: все тела непрерывно движутся друг относительно друга. Первое следствие заключается в невозможности существования абсолютно однородных объектов. Сегодня Хаотическое движение микрочастиц и приводит рано или поздно любую изолированную систему к состоянию с максимальной энтропией. Внутреннее Второе следствие постулата о непрерывном движении заключается в том, что условия, в которых находится любой объект, постоянно меняются, хотя иногда эти изменения незначительны. Внешнее Завтра © А.В. Фоменко Принцип наименьшего действия (механические процессы протекают так, чтобы произведение затрачиваемой энергии на время ее затрачивания было минимальным) Если на тело не действуют другие тела или действия других тел скомпенсированы, то тело движется равномерно и прямолинейно или покоится. В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной Необходимость затрат массой, прямо пропорционально энергии для изменения равнодействующей всех скорости тела приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе. Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими Принцип «действие одинаковую природу, направленными равно вдоль прямой, соединяющей эти точки, противодействию» равными по модулю и противоположными по направлению Ограниченность скорости перемещения в пространстве Для перемещения не в пустоте, равно как и для изменения направления или скорости движения, нужны ресурсы Однонаправленное воздействие невозможно: если первый объект воздействует на второй, то второй тоже воздействует на первый. Никакие воздействия не передаются мгновенно: для этого нужно хоть какое-то время. Диалектика – общая теория развития Три закона диалектики: 1. Единство и борьба противоположностей. 2. Отрицание отрицания. 3. Переход количественных изменений в качественные. Два понятия находятся в единстве (немыслимы друг без друга) Диалектическая пара Пара диалектических противоположностей Функционирование обоих компонентов направлено на изменение качества друг друга Единство и борьба в диалектической паре уже есть противоречие Жертва Отдельно не могут существовать Хищник Вместе – стремятся изменить качество друг друга © А.В. Фоменко Подходящие амплуа Формирование системы с интегративными качествами Объект, который можно моделировать диалектическим понятием, иногда может существовать и в отсутствие своей диалектической противоположности, но тогда его бессмысленно моделировать таким понятием Любая диалектическая пара уже формирует систему, интегративное свойство которой заключается в развитии системы через снятие противоречий в паре структура – функция компонент – связь на то и щука в море, чтобы карась не дремал материя – информация © А.В. Фоменко Формирование системы происходит за счет контура обратной связи, который в диалектической паре имеется по определению Контур обратной связи, с одной стороны, снимает противоречие между компонентами, а с другой – придает диалектической паре интегративное свойство функционирование функционирование жертвы – на то, чтобы хищника направлено на хищник ее не догнал уничтожение жертвы ? победа одной из сторон или как хищники в борьбе с жертвой поддерживают ее существование неограниченно долго, так и жертвы в борьбе с хищником делают то же самое © А.В. Фоменко Объект Закон единства и борьбы противоположностей выражает источник самодвижения и развития явлений природы и социально-исторической действительности. Издержки Уровень логистического обслуживания, % 10 40 60 80 100 © А.В. Фоменко Разрыв связи Свободные элементы Появление новых связей Меньше свободных элементов Стабилизация © А.В. Фоменко Закон перехода количественных изменений в качественные проявляется тогда, когда накопленное количество изменений достигает определенного предела. Появление нового качества по существу означает появление объекта с новыми закономерностями и мерой, в которую заложена уже иная количественная определенность. Скачок Скачок Точечное изменение Частный Процесс Общий © А.В. Фоменко В ходе качественных скачков часть компонентов системы всегда меняет свой класс на противоположный связаны раздельны Процесс перехода объекта в противоположный класс называется отрицанием Связь есть – связи нет Существует – не существует Не существует - существует Развитие любой системы всегда проходит через отрицание Диалектические противоположности – всегда подсистемы некой системы © А.В. Фоменко Если одна из противоположностей вдруг дезорганизует другую - отрицание противоречие стало фатальным отрицание жертв В этих условиях обратное отрицание невозможно Прошло одно отрицание — система разрушилась Развитие системы, любой качественный скачок (то есть изменение ее структуры) требует отрицания отрицания Чтобы образовать новые связи (отринув тем самым несвязанные компоненты), нужно порвать старые (отринув связанные). Если произойдет только одно отрицание (связи порвутся), система разрушится © А.В. Фоменко Одно отрицание Без осмысления и применения прагматическая модель Без изменений экспертная задача прагматическая модель познавательная модель обнаружение расхождения сценария Не может читать – не может писать Не может учиться – не может учить Не может подчиняться – не может командовать Не рвутся связи – не появятся новые © А.В. Фоменко Но развитие систем не только требует отрицания отрицания. Оно еще и приводит (диалектическая противоположность причины и следствия) к отрицанию отрицания Для дезорганизации своей противоположности объект должен, во-первых, иметь как можно больше каналов воздействия на нее, а во-вторых, моделировать свое взаимодействие с ней Для того, чтобы иметь как можно больше каналов воздействия, конфигурация объекта должна быть максимально совместима с его противоположностью Легенда о Драконе Для адекватного моделирования в структуре объекта должна содержаться структура его противоположности, обладающая всеми свойствами последней © А.В. Фоменко Что дальше? Тождественные противоположности требуют одинакового ресурса и начинают за него конкурировать. Если не удается друг друга уничтожить, они будут расходиться, чтобы получать разные ресурсы В конце концов, по крайней мере часть из них, перейдет в свою противоположность У каждого свой ПУТЬ В биологии эти процессы нашли отражение в законе дивергенции: при видообразовании выживают и образуют новые виды, как правило, такие формы, которые максимально отличаются друг от друга © А.В. Фоменко Закон отрицания отрицания определяет единство поступательности и преемственности в развитии и зарождении нового. Этим законом объясняется цикличное, эволюционное развитие объектов природы и общества. Классические технологии Эволюционные процессы сопровождаются необратимыми изменениями. Их характер наглядно отображается семейством логистических кривых Ключевые технологии D’ E’ F’ E С’ D F С А’ А В В’ Эмбриональные технологии Закон взаимной связи и взаимообусловленности характеризуется через понятие среды. Любая создаваемая система не существует сама по себе. Так, функционирование каждой системы происходит во взаимодействии с внешней средой. Среда — это совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на состояние и поведение систе­мы, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате измене­ния поведения системы. Системный подход Закон необходимого разнообразия и быстродействия только разнообразие может уничтожить разнообразие. Чтобы удержать свою целостность, т.е. способность функционировать, система управления должна отвечать на различные по характеру воздействия соответствующим противодействием, причем в нужный момент. Симптомы нарушения закона Принятие «неработающих» решений причины: 1. Первичная информация о воздействии внешней среды не доходит до системы управления или доходит с опозданием. 2. Первичная информация имеется, но система управления не успевает ее своевременно переработать. 3. Необходимая информация поступает вовремя, но система управления из-за отсутствия соответствующих знаний (программ действия) не может ее правильно понять. Исследование Проблема Разнообразие (альтернативы) возможных решений Fd. Разнообразие исследовательских возможностей Fs Задача исследователя (Fd - Fs) min Эволюция структуры организации Упорядоченный объект, число состояний которого определяется по формуле Неорганизованный объект с числом состояний (F), равным 2N F k F  2  2 Ni k i 1 Fmin k kopt где 2 — число состояний объекта: связь есть или связи нет (объект работоспособен или неработоспособен); к - число частей, на которые разделен объект; Ni - число элементов в i-й части. Закон онтогенеза. Каждая организация проходит в своем развитии следующие фазы жизненного цикла: становление, расцвет и угасание. Закон оптимальности. Согласно этому закону любая система с наибольшей эффективностью функционирует в некоторых пространственно-временных пределах (т.е. никакая система не может сужаться и расширяться до бесконечности). Согласно закону оптимальности любая сверхкрупная система распадается на функциональные части (подсистемы), размеры которых могут различаться. Закон максимизации энергии. Сущность закона такова: в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество оптимальным образом. С этой целью система совершает следующие действия: 1) создает накопители энергии и механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность к адаптации; 2) затрачивает определенное количество энергии на обеспечение поступления новой энергии и налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов. Закон внутреннего динамического равновесия. Этот закон понимается следующим образом: вещество, энергия, информация и динамические свойства системы, а также ее структура взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих компонентов вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены в состоянии остальных компонентов. Эмпирические следствия закона таковы: 1) любое изменение внутренней среды неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих или в сторону нейтрализации произведенного изменения, или к формированию новых элементов системы; 2) взаимодействие элементов системы нелинейно, поэтому слабое воздействие или изменение параметров одного из них может вызвать сильные отклонения в других (и во всей системе в целом). Закон самосохранения. Это закон гласит: «Любая реальная материальная система стремится сохранить себя как целостное преобразование и, следовательно, экономнее расходовать свой ресурс» Во-первых, самосохранение есть выживание системы через поддержание ее целостности, равновесия и устойчивости, а также за счет экономного использования ресурсного потенциала. Во-вторых, самосохранение непосредственно связано с адаптацией системы к внутренним и внешним изменениям. В-третьих, необходимым условием самосохранения являются рост и развитие организации. Закономерность возрастания и убывания энтропии или негэнтропии в системе. Энтропия – количественная мера беспорядка в системе Негэнтропия – количественная мера упорядоченности системы Деструктивное развитие Конструктивное развитие Отсутствие информации о закономерностях (хаос) Связанная информация о системе © А.В. Фоменко Закономерность возрастания и убывания энтропии или негэнтропии в системе. Энтропия – количественная мера беспорядка в системе Негэнтропия – количественная мера упорядоченности системы Закономерность – увеличение вероятности тех или иных событий, Деструктивное развитие Конструктивное развитие эффект мультипликации Отсутствие информации о закономерностях (хаос) Связанная информация о системе Закономерность зависимости потенциала системы от характера взаимодействия элементов или степени организованности системы. Целенаправленность и взаимосогласованность действий структурных элементов. Рациональность системы Соотношение потенциалов Соотношение энтропии Соотношение негэнтропии Высокая Р(А) > [Р(а1)+ Р(а2)+…+ Р(аn)] Э(А)< [Э(а1)+ Э(а2)+…+ Э(аn)] НЭ(А) > [НЭ(а1)+ НЭ(а2)+…+ НЭ(аn)] Низкая Р(А) = [Р(а1)+ Р(а2)+…+ Р(аn)] Э(А)= [Э(а1)+ Э(а2)+…+ Э(аn)] НЭ(А) = [НЭ(а1)+ НЭ(а2)+…+ НЭ(аn)] Антагонистическая Р(А) < [Р(а1)+ Р(а2)+…+ Р(аn)] Э(А) >[Э(а1)+ Э(а2)+…+ Э(аn)] НЭ(А) < [НЭ(а1)+ НЭ(а2)+…+ НЭ(аn)] Закономерность зависимости потенциала системы от характера взаимодействия элементов или степени организованности системы. Закономерность – чем выше целенаправленность и взаимосогласованность действий структурных элементов (а1, а2, …, аn ), тем выше организованность логистической системы и тем выше уровень превышения потенциала P системы А суммы потенциалов всех составляющих элементов Циклический характер функционирования систем. Закономерность – непрерывный переход из одного состояния в другое, противоположное и обратно происходит непрерывно Закономерность внутрисистемной и межсистемной конвергенции - внутрисистемная конвергенция – процесс или результат взаимовлияния, взаимосближения, взаимопроникновения между собой различных открытых подсистем внутри одной системы; - межсистемная конвергенция – процесс или результат взаимовлияния, взаимосближения, взаимопроникновения между собой различных открытых систем. Закономерность внутрисистемной и межсистемной конвергенции Закономерность –взаимовлияние, взаимосближение, взаимопроникновение между собой разных элементов или систем с высокой степенью открытости и разных открытых подсистем внутри одной системы Закономерность системы, заключающаяся в стремлении сохранить равновесие за счёт противодействия внешнему возмущению Принцип Ле-Шателье (принцип устойчивости гомеостатической системы) – если существующее равновесие системы подвергается внешнему воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направленные так, чтобы противодействовать этому изменению. Закономерность системы, заключающаяся в стремлении сохранить равновесие за счёт противодействия внешнему возмущению Закономерность – если на какую-либо систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия, производится внешнее воздействие, выводящее систему из равновесия, то равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабевает Закономерность «наиболее слабых мест» Снабжение Внутренняя среда Потребители Снабжение Внутренняя среда Потребители Закономерность «наиболее слабых мест» Закономерность – во всякий момент устойчивость всей логистической системы зависит от наименее сопротивляющихся подсистем или наиболее слабых элементов в системе Закономерность расхождения темпов выполнения функций элементами системы. Закономерность – при общем развитии системы, их элементы обладают своими темпами выполнения функций 20 % закономерность Закономерность – 20 % факторов в системе создают 80 % результата Закон системности. © А.В. Фоменко Закон системности. Закономерность – любой объект есть объект-система и любой объект-система принадлежит хотя бы одной системе объектов одного и того же рода. Закономерность перехода с макроуровня на микроуровень в системах. Развитие системы Макроуровень Микроуровень Принципиальная перестройка при сохранении функции © А.В. Фоменко Закономерность перехода с макроуровня на микроуровень в системах. Закономерность – в процессе развития системы неизбежны переходы с макро- на микроуровень и обратно Закономерность неравномерного развития составных частей системы. Закономерность – составные части системы обязательно развиваются неравномерно, чем сложнее система, тем неравномернее развиваются составные части Закономерность увеличения степени идеальности систем. Закономерность – развитие всех систем идёт в направлении увеличения степени идеальности Закономерность полноты частей системы. Закономерность – для обеспечения эффективного функционирования систем необходимы наличие основных частей системы и их хотя бы минимальная работоспособность Закон функциональной иерархии систем. Закономерность – для каждого структурного элемента системы механизм отражении реального мира обязательно содержит два уровня реакции: образ поведения и акт поведения. При этом образ, план функционирования каждой подсистемы является итогом поведения ближайшего верхнего уровня.