Свойства самоорганизующихся систем.

Под самоорганизацией обычно понимают процессы самоконструирования, саморегулирования, самовоспроизведения систем различной природы. Это «изменение организации, происходящее в большей или меньшей мере относительно активно, самостоятельно и спонтанно».
Непосредственным объектом теории самоорганизации являются самоорганизующиеся системы. Рассмотрим основные признаки самоорганизующихся систем.
1. Самоорганизующаяся система — это система динамическая, ее движение носит нелинейный характер.
Особенности феномена нелинейности состоят в следующем.
Во-первых, благодаря нелинейности имеет силу важнейший принцип «развертывания малого» или «усиления флуктуаций». Под «флуктуацией» в широком смысле слова понимается внешнее воздействие, в строгом смысле слова — как физическая категория – случайные отклонения мгновенных значений величин от их средних значений (от состояния равновесия). При определенных условиях нелинейность может усилить флуктуации – делать малое отличие большим, макроскопическим по последствиям.
Во-вторых, определенные классы нелинейных открытых систем демонстрируют другое важное свойство – пороговость чувствительности. Ниже порога все уменьшается, стирается, забывается, не оставляет никаких следов в природе, науке, культуре, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает.
В-третьих, нелинейность порождает своего рода квантовый эффект – дискретность путей эволюции нелинейных систем (сред). То есть на данной нелинейной среде возможен не любой путь эволюции, а лишь определенный набор этих путей, определяемый спектром устойчивых состояний, структур-аттракторов.
В-четвертых, нелинейность означает возможность неожиданных, называемых в философии эмерджентными, изменений направления течения процессов. Нелинейность процессов делает принципиально ненадежными и недостаточными весьма распространенные до сих пор прогнозы – экстраполяции от наличного. Ибо развитие совершается через случайность выбора пути в момент качественных преобразований системы, а сама случайность обычно не повторяется вновь.
2. Самоорганизующаяся система — это система открытая, что обеспечивает вещественно-энергетический и информационный обмен со средой. Открытая система обладает как “источниками” – зонами подпитки ее энергией окружающей среды, действие которых способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, так и “стоками” – зонами рассеяния энергии, в результате действия которых происходит сглаживание структурных неоднородностей в системе. Открытая система способна усваивать внешние воздействия и находится в постоянном изменении.
3. Самоорганизующаяся система — это система неравновесная, т.к. процессы самоорганизации возможны только в открытых неравновесных системах, находящихся достаточно далеко от точки термодинамического равновесия.
Равновесие, устойчивость – свойства, которые в классической парадигме мышления, как правило, отождествлялись и характеризовали стационарное состояние системы. В синергетической концепции эти понятия конкретизируются в зависимости от типа системы. В идеальных, закрытых системах устойчивость, действительно, обозначает высокую степень упорядоченности и организованности системы. Но в закрытой системе неизбежно наступает момент, когда внутренние резервы системы оказываются исчерпаны, далее — по законам термодинамической необратимости — происходит нарастание энтропии (беспорядка, дезорганизации) и – в конечном результате – абсолютное равновесие означает фактическую «смерть» системы (словами Г.Спенсера), ее распад, возвращение к состоянию термодинамического хаоса.
Описанное в первой модели состояние характерно и для открытых систем с высоким уровнем энтропии, когда система как бы флуктуирует около конечного (наиболее вероятного) состояния, отклоняясь от него лишь на небольшие расстояния и на короткие промежутки времени. Эти отклонения связаны с теми незначительными изменениями условий, которые возникают благодаря ее открытому состоянию. В конечном счете, она неизбежно перейдет в одно из микроскопических состояний, соответствующих макроскопическому состоянию хаоса, поскольку именно такие макроскопические состояния составляют подавляющее большинство всех возможных микроскопических состояний. И.Пригожин называет такое состояние (за его «неизбежность») глобальным, асимптотически устойчивым состоянием или глобальным аттрактором – исключительно сильной формой устойчивости, связанной с неуклонным ростом энтропии. Таким образом, в модели данного типа устойчивости мы встречаемся с первым парадоксом (а точнее – взаимодополняющим описанием) хаоса и порядка: максимально устойчивое, равновесное и симметричное состояние системы, соответствующее интуитивному образу порядка, есть описание молекулярного, термодинамического хаоса.
Другой тип устойчивости открытых динамических систем И. Пригожин и называет термином «стационарное состояние». Как образуется такое состояние? Чтобы понять это, необходимо учесть те изменения, которые разворачиваются в открытой системе за счет «переработки» ею внешнего вклада энергии и ресурсов. Изменения энтропии во времени в данном случае связаны с двумя противоположными процессами: «потоком энтропии», зависящим от обмена системы с окружающей средой (негэнтропии), и «производством энтропии», обусловленным необратимыми процессами внутри системы. В стационарном состоянии положительное производство энтропии компенсируется отрицательным потоком энтропии за счет обмена с окружающей средой. Так возникает особого рода устойчивое состояние в системе, находящейся вдали от равновесия (сильно неравновесной), т.е. устойчивое состояние сильно неравновесной системы. Вместе с тем такое «устойчивое стационарное состояние» является крайне неустойчивым в своем хрупком балансе энтропийно-негэнтропийных потоков. Эта неустойчивость проявляется в том, что такое состояние чрезвычайно чувствительно к флуктуациям. Если рассмотренная ранее равновесная система с высокой энтропией с легкостью гасила такие флуктуации, то сильно неравновесная система может реагировать на них самым решительным образом. Возможность потери устойчивости состояний в системах, далеких от равновесия, при определенных условиях открывает путь процессам самоорганизации. Именно самоорганизация в данной ситуации выступает механизмом упорядочения системы. Синергетика изучает два типа структур: диссипативные (возникающие в результате самоорганизации, для осуществления которой необходим рассеивающий (диссипативный) фактор) и нестационарные (возникающие за счет активности нелинейных источников энергии). Исследование диссипативных структур развивается, в частности, в работах И.Пригожина, нестационарных – в работах С.П.Курдюмова и Е.Н.Князевой.
Структура изменяющейся системы характеризуется единством устойчивости и неустойчивости. Каждая такая система имеет (как минимум) два различных стационарных состояния, из которых в данный момент лишь одно устойчиво. Более того, одно и то же стационарное состояние такой системы при одних условиях может определяться как устойчивое, а при других – как неустойчивое, т.е. возможен переход в другое стационарное состояние. Свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы обусловлено нелинейным характером ее развития (см. признак№1). Внешние воздействия могут вызвать отклонения такой системы от ее стационарного состояния в любом направлении, поэтому эволюция поведения данного типа систем сложна и неоднозначна, прогноз в области неустойчивости может опираться только на предшествующий опыт.
Таким образом, мы в очередной раз убедились, насколько важно, применяя термины «устойчивость», «стационарность», «равновесие», учитывать методологический контекст их интерпретации.
Важной отличительной чертой процесса возникновения структур является появление синергетического эффекта – коллективного движения микроэлементов системы.
4. Самоорганизующаяся система — это система, в образовании которой решающую роль играют кооперативные процессы, основывающиеся на когерентном, или согласованном, взаимодействии элементов системы. Изменяется сам тип молекулярного поведения. И.Пригожин характеризует эти изменения, используя следующий образ: «В равновесном состоянии молекулы ведут себя независимо: каждая из них игнорирует остальные. Такие независимые частицы можно было бы назвать гипнонами («сомнамбулами»). Каждая из них может быть сколь угодно сложной, но при этом «не замечать» присутствия остальных молекул. Переход в неравновесное состояние пробуждает гипноны и устанавливает когерентность, совершенно чуждую их поведению в неравновесных условиях» (45. -С.240). Условием появления согласованности, когерентности, «коллективного поведения» молекулярных частиц является синхронизация пространственно разделенных процессов.

Опубликовано 20.11.2010.

1 Комментарий для “Свойства самоорганизующихся систем.”

  1. В статье «Методы адаптации и поколения развития программного обеспечения», опубликованной в Известиях Пензенского педагогического университета, Выпуск №17 / 2009, говорится: «Ни разработка более мощных языков программирования и объектных библиотек, ни использование Case-средств проектирования и создания программных систем, к сожалению, не дали ожидаемого эффекта на фоне грандиозных возможностей современных компьютеров и компьютерных сетей вследствие пассивности программно-технических систем и слабой модифицируемости создаваемого программного обеспечения (ПО)».

    Но уже давно фирма ИнформСистем разработала Инновационную Динамичную Самоорганизующуюся MES-Систему «MES-T2 2020» v.6.500.

    Получается очень странная картина, когда учёные констатируют о сильном отставании развития ПО, то мы это самое ПО уже создали. Так в сборнике материалов третьей международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD’2009)», Институт проблем управления Российской академии наук, Москва 2009, опубликована наша статья «Автоматизированная система управления производством электростанции MES-T2 2007», в которой освещены вопросы полной самонастройки MES-Системы. А это в корне опровергает пассивность ПО и его слабую модифицируемость.

    В пензенской статье приводятся следующие поколения развития ПО: 1) ПО под ключ; 2) ПО с установкой и инсталляцией; 3) ПО со встроенными средствами доработки; 4) ПО, создаваемое на основе проектирования, и самонастраивающееся ПО; 5) Самоорганизующееся ПО. В этой статье сказано, что «существенно повысить качество и срок эксплуатации с принципиальным снижением трудоемкости и затрат на создание и сопровождение систем позволяет только Самоорганизующееся ПО. Самоорганизующимся является ПО, способное длительное (потенциально бесконечное) время быть адекватным внешней среде на основе адаптации к изменениям внешней среды (решаемым задачам, объектам взаимодействия) и внутренней организации системы (объему данных, их размещению и т. д.)».

    А сейчас покажем, что наша MES-Система «MES-T2 2020» полностью соответствует именно Самоорганизующемуся ПО, согласно приведённых в пензенской статье принципиально новых свойств. При этом за десятилетие своего становления данная MES-Система прошла все перечисленные пять поколений развития ПО от «под ключ» до «Самоорганизующейся». И так:

    1) «Самоорганизующаяся Система должна являться автономной, активной, интенсивной, и способной самостоятельно функционировать в определенной изменяющейся среде».

    Автономная система (АС) должна иметь собственную цель – как можно более длительное существование, что требует её приспособления (адаптации) и выживания в изменяющейся среде. Одним из важнейших условий выживания АС является выполнение ею определенной полезной функции для внешней среды.

    Наша MES-Система внешне состоит из EXE-файла (Конструктор АРМов) и набора текстовых описаний – Проектов технологических задач. Конструктор, как новорождённое дитя, в части технологического функционала абсолютно пуст, т.е. для выполнения конкретной полезной работы его следует обучить. Процесс обучения, как и человека, происходит через текст. Обучение Конструктора осуществляется в реальном времени в темпе выполнения им полезной работы и происходит постоянно, как и человека. В настоящее время сфера деятельности MES-Системы распространяется на непрерывные производства, но эти же принципы обучения могут быть заложены в создание Системы и для дискретных производств.

    2) «Самоорганизующаяся Система должна быть открытой на всех уровнях организации: структурном, функциональном, интерфейсном и организации данных».

    По определению, принятому Комитетом IEEE POSIX 1003.0, открытой информационной системой называется система, которая реализует открытые спецификации на интерфейсы, сервисы (услуги среды) и поддерживаемые форматы данных. Основные свойства открытых систем: расширяемость, масштабируемость, переносимость, интероперабельность, способность к интеграции, высокая готовность.

    Наша MES-Система обладает всеми этими свойствами. В ней используются стандартные интерфейсы доступа к базам данных, полностью отсутствуют ограничения на количество и размерность технологических задач. Она выполняет взаимодействие, как с нижним уровнем сбора данных, так и с верхним уровнем бизнес-процессов. В MES-Системе все сервисы настраиваются после обучения её для конкретного использования.

    3) «Самоорганизующаяся Система должна функционировать преимущественно на основе собственной цели и внутренних потребностей с учетом неспецифических воздействий внешней среды».

    Потребность – это надобность в каком-либо благе. Благом для Системы является наличие её корректной постоянной работоспособности. Это как у человека основная цель – быть сытым и здоровым.

    Наша MES-Система, используя текущую ZIP-архивацию, в случае сбоя по какой-либо причине сама автоматически себя восстанавливает, как происходит регенерация у живых организмов. В данном случае ей даже не страшна глобальная порча или удаление всех баз данных и настроек.

    4) «Самоорганизующаяся Система должна обеспечивать корректность и высокий уровень надежности и эффективности функционирования в изменяющейся среде».

    Наша MES-Система, как было уже сказано выше, в исходном положении состоит из двух логических элементов: базис (EXE) и надстройка (Текст). Базис – программный скелет или сущность информационной Системы. Надстройка – совокупность алгоритмов на инженерном языке, порожденных базисом и активно влияющих на него. Другими словами, EXE-программа подготавливает Текст, по этому Тексту, она формирует базы данных и шаблоны экранных форм и отчётов, а также DLL-программы для расчётов, и, используя это окружение, EXE-программа функционирует для выполнения производственных задач.

    Таким образом, EXE-программа является полностью прерогативой Разработчика и к конкретному технологическому Объекту не имеет отношения. Текст же наоборот является прерогативой Пользователя, который на инженерном языке формулирует технологические задачи для конкретного Объекта. Этим достигается независимое постоянное развитие системного функционала и технологического, что и обеспечивает высочайший уровень надёжности и эффективности MES-Системы.

    5) «Самоорганизующаяся Система должна обеспечивать взаимодействие с внешней средой на семантическом уровне и предоставлять простой интерфейс взаимодействия, скрывающий от внешней среды высокую внутреннюю сложность системы».

    Наша MES-Система обеспечивает наиболее приближенный к реальности язык формулирования технологических задач в табличном виде. Отдельно описывается содержание колонок (Оборудование) и строк (Показатели). Описание строк включает: обозначение, единицу измерения, наименование и алгоритм расчёта. Обозначение показателя пишется в естественном виде: Pп – давление пара. Алгоритм расчёта записывается в обычном виде: Ni = Эi / тi.

    6) «Самоорганизующаяся Система должна иметь способность с течением времени предоставлять внешней среде (пользователям) все более широкие возможности по решению задач, организации и обработке данных».

    Наша MES-Система постоянно развивается путём выпуска новых версий. Поэтому, для приобретения нового системного функционала Пользователям достаточно просто заменить EXE. Текст же позволяет самим Пользователям без ограничений увеличивать технологический функционал.

    7) «Самоорганизующаяся Система должна иметь способность возникать и формироваться естественным путем без участия программистов и разработчиков».

    Наша MES-Система позволяет создание большой работающей Системы от нажатия одной кнопки. В этом случае при компиляции Текста автоматически создаются все составляющие: базы данных, справочники, меню, экранные формы, отчёты, DLL-программы и Сервер приложений.

    Однако, в пензенской статье делается странный вывод, что «в настоящее время практически нет программных систем, у которых достаточно четко проявлялись бы указанные свойства. Таким образом, создание программных систем данного класса является делом будущего и, возможно, ознаменует собой третью революцию в области ПО».

    Так вот, к сведению всех учёных и, особенно, в области информатики, третья революция в области ПО давно уже свершилась, и она ознаменовалась рождением Инновационной Динамичной Самоорганизующейся MES-Системы «MES-T2 2020». Жаль, что в научных кругах досадно пропустили этот факт.

Ответить

Фотогалерея

Войти