Основы теории систем. Геосистемный подход

Для исследования систем, возникших при участии человека и существующих при активном его воздействии применяется системный анализ. Это совокупность методов и средств, предназначенных для выработки, принятия и обоснования решений при проектировании, создании и управлении различными системами.

Системный анализ рассматривает проблему создания и управления такими системами как нечто целое; при этом необходимо определить цели как всей системы, так и отдельных подсистем; очертить множество альтернативных путей достижения этих целей и в соответствии с некоторыми критериями выбрать наиболее эффективный. Системный анализ очень часто использует моделирование рассматриваемых систем как наиболее эффективное средство, во-первых, для изучения сложных объектов, а во-вторых, для прогнозирования поведения систем с учетом различных сценариев управления и других воздействий. Опирается системный анализ на системный подход и общую теорию систем.

Природообустройство имеет дело с разнообразными системами: природными (геосистемами), техническими (устройствами, конструкциями, сооружениями), социально-экономическими (демографическими, финансовыми, налоговыми и пр.), нормативно-правовыми и, конечно же, техно-природными. Важно понимать, что техно-природные системы не являются простой комбинацией природной и технической подсистем, и поэтому закономерности, действующие для них по отдельности, могут проявляться по-другому при рассмотрении природно-техногенного комплекса в целом.

Для использования системного подхода нужно определиться с понятием системы, рассмотреть свойства систем и законы системного поведения.

Понятие системы

В переводе с греческого, systema – составленное из частей, соединенное. Система – реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между элементами системы.

Внимание исследователя должно быть сосредоточено на элементах (частях, подсистемах) – как, например, ограждающая, регулирующая, проводящая сети осушительной системы или генетические горизонты в почве. Кроме элементов нужно рассматривать и взаимодействия между ними: например, в осушительной сети – взаимное расположение и соединение осушителей или дрен, коллекторов и каналов; в почве - потоки вещества (влаги, солей, питательных веществ), энергии и информации. Такой анализ позволит описать и изучить свойства и поведение системы в целом.

Постулаты теории систем

Теория систем и системный анализ опираются на ряд предпосылок, постулатов. Их можно сформулировать в следующем виде:

1. Всё – система. Реальные и концептуальные сложные объекты можно рассматривать как состоящие из большого числа сложно и разнообразно связанных и взаимодействующих частей – другими словами, как системы. Это позволяет применять специальные научные методы для их изучения и создавать методы управления ими с помощью системного анализа.

2. Всё – часть ёще большей системы. Недостаточно изучать только внутренне строение систем, поскольку каждая система является подсистемой более крупного объекта. Внешние связи системы раскрывают её иерархическое положение, взаимодействие с другими системами. Знание внешних связей позволяет объяснять и предсказывать распространение воздействий из подсистемы в надсистему, что крайне важно при решении задач природообустройства.

3. Вселенная бесконечно систематизирована. Каждая система не только входит в состав более крупной надсистемы, но сама состоит из подсистем. Постулат указывает, что при изучении системы следует четко представлять порядок вложенности подсистем, влияющий на их функционирование.

4. Все системы бесконечно сложны. Сложность системы зависит от количества входящих в неё элементов и связей между ними. Но при анализе системы мы выделяем элементы по своему усмотрению так, чтобы можно было установить связи между ними, и их число было не слишком велико. В полной системе число связей между элементами равно числу сочетаний из N по два. Так, два элемента имеют 1 связь, три – уже 3 связи, десять – 45 связей и т.д. При составлении математической модели каждая связь – это соотношение того или иного вида (равенство, неравенство, уравнение, статистическая связь), очень часто – сложного вида и обладающее существенной нелинейностью.

Понятно, что чем больше система, тем сложнее её анализировать. Поэтому при изучении систем стараются строить обобщенные модели, состоящие из возможно меньшего числа элементов, не приводящего к заметному снижению точности и прогностичности модели (такие модели называют оптимально сложными). Нельзя забывать, что в данном случае исследователь имеет дело лишь с более или менее адекватным подобием реального объекта.

 

Природа, геосферы, компоненты природы, геосистема

Для разумного выбора рассматриваемой природной системы необходимо определить само понятие «природа».

Природа – совокупность естественных факторов и условий существования человеческого общества.

Фактор – материально-энергетическая составляющая процесса, условие - обстоятельство, при котором развивается процесс.

Понятие «окружающая среда» несколько шире, поскольку включает ещё и «вторую природу» - технические системы, встроенные в природу. Для изучения природно-техногенных комплексов полезно понимать этот термин в узком, специальном смысле:

Для упрощения анализа природных процессов и устройства оболочки Земли её делят на геосферы: атмосфера – воздушная, гидросфера – водная, литосфера – земная кора, биосфера – оболочка земли, в которой присутствует жизнь и биогенное вещество, педосфера – почвенная оболочка.

Но они, в свою очередь, достаточно сложные системы, состоящие из компонентов: воды (во всех состояниях), воздуха, массы твердой земной коры, почвы, живых организмов.

Компоненты природы: массы вод во всех состояниях, воздух, массы твердой земной коры, почва, биота.

Одна из фундаментальных проблем природообустройства, как и природопользования – встраивание деятельности человека в единое природное тело. Сразу возникает вопрос: а как же выделить это природное тело?

Введено понятие геосистемы - пространственно-временного комплекса всех компонентов природы, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое.

 

 

Свойства систем

Теория систем позволяет отыскать ряд свойств, характерных для всех сложных объектов, которые функционируют как единое целое благодаря взаимодействию составных частей. Часть этих свойств присуща всем системам, часть – только динамическим, в которых роль связей играют потоки вещества, энергии и информации. Геосистемы являются динамическими системами, т.е. частным случаем систем вообще, поэтому их свойства можно разделить на три группы: присущие им как системам вообще, как динамическим системам и своеобразные свойства, которые есть только у земных природных систем.

Общие свойства систем

Целостность (эмерджентность) – это способность систем проявлять полностью свои свойства только при взаимодействии элементов, важнейшее свойство, наличие которого, согласно определению, позволяет отнести объект к системам.

С этих позиций геосистемы нужно рассматривать как совокупности взаимосвязанных и взаимообусловленных элементов - компонентов природы или подсистем более низкого ранга. Так, невозможно достоверно судить о процессах в почве, не учитывая особенностей функционирования ландшафта в целом. С другой стороны, относительно замкнутые круговороты веществ на уровне ландшафта невозможно изучать, не имея информации о региональных и глобальных процессах.

Сложность. В соответствии с принципом «Вселенная бесконечно систематизирована» можно представлять систему состоящей из элементов различных уровней существования материи, вплоть до атомного, элементарного и даже кваркового. В таком случае во всех природных системах число элементов очень велико.

Но при изучении геосистем нужно оставаться на уровне рассмотрения процессов, значимых для ландшафта, местности, урочища, фации, для чего рассматривать уже укрупненные элементы – природные тела (атмосферные потоки, почву и её горизонты, водные объекты, фитоценозы, популяции животных и колонии микроорганизмов, грунты и гидрогеологические системы). При моделировании стараются рассматривать по возможности меньшее число элементов. Наиболее рациональный путь упрощения модели – выделение и описание взаимодействия между подсистемами, включающими в себя множество элементов. Важная для природообустройства система «почва – вода – атмосфера - растение» состоит из четырех подсистем, каждую из которых можно описывать более или менее сложной моделью в зависимости от поставленных задач.

Разнообразие Система жизнеспособна только тогда, когда состоит из разнообразных элементов и связей. В геосистемах это свойство выражается в изменчивости и неоднородности свойств компонентов природы в пространстве и может быть детерминированным (упорядоченным, тогда можно говорить о трендах и нанесении на карту распределения некоторой величины) и стохастическим (случайным), т.е. когда какое-то свойство (плотность, пористость, коэффициент теплопроводности и т.п.) меняется из точки в точку, не подчиняясь какой-либо функциональной закономерности. Внутренняя неоднородность и изменчивость повышают устойчивость геосистемы.

Структурность характеризует организацию системы. В геосистемах выражается в виде пространственно-временной упорядоченности (организованности), определенным расположением ее частей и характером их соединения. Различают вертикальную, или ярусную структуру, указывающую на взаиморасположение компонентов, слоистость, и горизонтальную, или латеральную структуру, раскрывающую порядок расположения геосистем низшего ранга. Поэтому нужно рассматривать как вертикальные или межкомпонентные связи, так и горизонтальные, или межсистемные связи. Система без выраженной структуры неустойчива и подвержена случайным воздействиям, которые её «расшатывают». Так ведёт себя песчаная дюна, перемещаемая ветром.

Система со сложной жесткой структурой устойчива, но не способна развиваться и усложняться. Оросительная система, состоящая из насосной станции, трубопроводов, дождевальной техники, выдерживает нормальные эксплуатационные нагрузки, но самовосстанавливаться она не может, и уж тем более не может самопроизвольно, за счет внутренних факторов превратиться во что-то более совершенное.

Системы со средне выраженной структурой занимают промежуточное положение; они обладают достаточной устойчивостью, но способны в некоторых пределах изменяться, а иногда и перестраиваться в другие системы со своей устойчивостью. Так, пожарище со временем превращается в луг, а он сменяется лесом. Создание ПТК разрушает ранее существовавшие природные структуры и вносит новые структуры в геосистемы, что делает их более «жесткими» и может снизить их способность к развитию и адаптации. Если же природные структуры разрушаются или упрощаются человеком (монокультура взамен лугового разнотравья, планировка поверхности и ликвидация микрорельефа), то системы становятся менее устойчивыми из-за меньшего разнообразия.

Четыре отмеченных свойства характерны для всех систем: природных, технических и др. На этих свойствах основаны принципы целостности и необходимого разнообразия, которые позволяют создавать оптимальные техногенные подсистемы природообустройства с учетом наиболее общих закономерностей теории систем.