Эволюция сложных систем

Согласно концепции общей теории систем сложность – это совокупность огромного числа различных объектов, функционирующих вместе и взаимодействующих непростым способом. Сложность есть взаимодействие, более того, взаимозависимость, т.е. поведение одного или нескольких элементов воздействует на поведение других элементов. Сложность зависит не только от взаимозависимости, но и от числа взаимодействующих компонентов.

Для моделирования выгоднее рассматривать систему как упорядоченную совокупность объектов, которые в процессе взаимодействия друг с другом обеспечивают функционирование системы как единого целого. На системном уровне при решении ряда задач сложную систему можно рассматривать как дискретную, т.е. состоящую из отдельных элементов (подсистем), взаимодействующих между собой в определенные моменты времени.

Все сложные системы имеют тенденцию к развитию во времени, при этом во многих случаях сложная система оказывается результатом развития работающей простой системы. В результате взаимодействия отдельных частей системы возникают новые свойства, не присущие этим частям в отдельности. На эти процессы оказывает влияние и среда, которая не является статически целостной, а динамична, так как подвержена внешним и внутренним возмущениям.

В качестве общих свойств сложных динамических систем можно назвать следующие:

· эволюционность развития;

· неравновесность, проявляющаяся в постоянном обмене с внешней средой энергией и информацией;

· самоорганизация и самовоспроизведение;

· нарушение законов симметрии.

Первым серьезным вкладом в изучение эволюции является теория Дарвина, согласно которой в результате флуктуаций (мутаций), происходящих под воздействием внешней среды и естественного отбора, производимого также внешней средой, происходит зарождение новых структур в живой природе. Появившиеся новые работы в области эволюции показали, что ведущая роль в эволюции принадлежит не внешней среде, а внутренним процессам системы. В этих работах определен важный принцип эволюции, заключающийся в увеличении информации, содержащейся в вышестоящих эволюционных структурах. Иными словами, процесс эволюции есть процесс увеличения сложности.

Становление сложной динамики, обусловливающей свойства сложных систем, можно определить следующим образом. Особенность сложных систем – появление новых ветвей решений в результате бифуркации (разделении на две ветви), происходящей вследствие потери устойчивости стандартного состояния, вызванной нелинейностями. Таким образом, нелинейная система за счет бифуркации имеет возможность множественного выбора. Выбор одной из ветвей решения осуществляется с помощью флуктуаций (от лат. fluctuatio – колебание, случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), имеющих место в диссипативных (лат. dissipatio – рассеяние) системах. Возможность реализации только одной ветви решения и неосуществимость состояний, связанных с другой ветвью, приводит к пространственной или временной асимметрии. Нарушенная симметрия играет роль «устройства» отбора развивающихся структур.

Таким образом, несмотря на существование различных концепций сложных систем и отсутствие общепризнанного определения этого понятия, анализ свидетельствует о наличии у сложных систем разной природы общих характерных признаков. При этом феномен сложности во всех случаях связан с эволюцией системы.

Рассматривая, в качестве примерна, развитие производственных систем как класса сложных систем в координатах «степень неопределенности» и «разнообразие», можно получить картину эволюции этих систем от достаточно простых к сложным (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Процесс эволюции производственных систем

На рис. 3.9 приведены лишь часть этапов развития современных производственных систем. В левом нижнем углу расположены автоматические линии, достаточно однородные по составляющим их элементам и работающие в хорошо определенных условиях. Более сложными и более эффективными являются гибкие технологические модули, состав которых уже достаточно разнороден – станки, роботы, системы числового управления. Далее идут гибкие производственные системы, в которые помимо основного оборудования входят складское, транспортное, системы планирования и управления, локальная сеть ЭВМ и т.п. Их функционирование имеет гораздо более стохастичн\еский характер, чем у предшествующих системах и протекает в условиях отсутствия полной и точной информации как о внешней среде, так и о процессах, протекающих в ней.

Таким образом, производство эволюционирует как сложная система. Следовательно, можно считать, что свойство эволюции является наиболее глобальным для сложных производственных систем, аккумулирующем в себе другие более частные свойства сложных систем.

Учитывая сложность производственных систем, мы увеличиваем их эффективность за счет получения таких свойств системы, которыми не обладают ее составляющие части (эффект эмерджентности).

Компьютерное интегрированное производство представляет собой еще более сложную систему, чем гибкие производственные системы, включая в свой состав системы проектирования, автоматизированной подготовки производства, локальную вычислительную сеть, систему информационной поддержки жизненного цикла изделий и т.д. Дальнейшее развитие производства как организации ведет от компьютерного интегрированного производства к таким видам производства, как виртуальные.

Абстрактное описание сложной производственной системы и процессов в ней могут получаться с использованием различного математического аппарата. Однако по мере приближения к границе хаоса (рис. 1.4) сложность взаимодействия подсистем возрастает настолько, что лишь имитационное моделирование позволяет получать результаты, удовлетворительные с точки зрения решения задачи анализа и управления.

Аналогичную картину можно наблюдать, если рассмотрим, например, развитие информационных систем (рис. 3.10). Здесь, как и в случае производственных систем, можно наблюдать, как в процессе эволюции образуются более сложные системы, которые никто и никогда целенаправленно не проектировал и не создавал. Так не существует организации или корпорации, которая поставила своей целью создание INTERNET и осуществила данный проект.

Рис. 3.10. Процесс эволюции информационных систем

Всемирная сеть появилась в процессе эволюции информационных систем. При этом следует отметить, что она функционирует на грани хаоса (в условиях большой неопределенности и непредсказуемости), но, тем не менее, миллионы пользователей ежеминутно успешно работают в данной системе. Она продолжает развиваться по некоторым законам аналогичным биологическим, так как между органическим миром, созданным природой, и миром, создаваемым человеком, существует много общего.

Законы эволюции являются общими для живого и неживого в природе. Это относится не только к сходству в структуре и функционировании, но также и к вопросам управления и принятия решений в сложных системах различной природы. Сложная природа, возникшая эволюционным путем, не может управляться каким-либо единым центром управления. Она требует распределенной системы управления, в которой существует большое число локальных подсистем управления, принимающих самостоятельные решения на основе знаний и механизмов логического вывода. Данные подсистемы образуют некоторое сообщество, в котором они объединяются общими целями и используют общее множество ограниченных ресурсов для достижения этих целей. Все это способствует возникновению и развитию многоагентных систем и интеллектуальных организаций.

С развитием человеческой цивилизации число таких систем постоянно растет. При этом возникает большое число общесистемных задач, связанных со спецификой сложных систем с эволюцией, управлением, обеспечением устойчивости их функционирования, повышением эффективности их работы и т.д.