ОСНОВАНИЯ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОСИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ

Существует очевидное противоречие между огромным объемом фактических материалов, накопленных географическими науками по отдельным компонентам природы, и ограниченными методологическими и методическими возможностями их обобщения и осмысления. В процессе решения методических задач возникают следующие методологические вопросы, ответы на которые имеют прин­ципиальное значение.

1. Как и какими методами осуществить анализ фактического материа­ла, чтобы результаты отражали не только простейшие закономерно­сти, получаемые при сопоставлении обобщенных средних значений, а максимально полно отображали бы многообразие существующих от­ношений?

2. С помощью какого метода можно осуществить не только анализ предмета исследования, но и синтез такой его модели, которая давала бы возможность предсказывать состояния изучаемого объекта в задан­ных условиях среды?

3. Каковы условия сопоставимости при анализе характеристик различ­ных компонентов природных систем и внешних условий среды?

4. На основе каких методологических приемов можно не только кон­статировать факт тех или иных отношений между изучаемыми явлениями, но и исследовать причины, порождающие эти отношения?

5. Для каких реальных природных условий справедливы результаты конкретного анализа реального объекта и построенная на основе такого анализа математическая модель этого объекта?

Для решения этих вопросов, пришлось обратиться к общей теории систем, особенно к тем ее разделам, которые прямо связаны с проблемами отображения реальных систем в конкретных исследованиях.

Истоки системного анализа, как общенаучного подхода ориентированного на проведение междисциплинарных (комп­лексных) исследований в различных областях человеческого знания, восходят к началу XX века. Его основы, как теоре­тической дисциплины, были заложены А.А.Богдановым. Л. Берталанфи.

Понятие системы всегда было атрибутом географии и экологии. Так, еще в 1922 г. Л.С. Берг в работе по теории эволюции рассматривал особенности живого с чисто системных позиций. " Система есть агрегат, приведенный в порядок. В каждой сис­теме можно наблюдать известное закономерное отношение одних эле­ментов к другим" [Л.С. Берг, 1922; цит. по изд. 1977, с. 46]. Агрегат понимается Бергом как "беспорядочное скопление материи, где распо­ложения одних элементов в отношении других подчинено закону слу­чайности".

Как бы ни была определена система, всегда мыс­лится некоторое множество элементов и какое-то системообразующее отношение. Все различия сводятся лишь к использованию различных системообразующих отношений.

Для систем, образованных из чрезвычайно боль­шого числа компонентов, взаимодействие, взятое в его общем виде, не может сформировать систему из "множества компонентов" [Ано­хин, 1973, с. 28]. В таких случаях целесооб­разно определять систему через системообразующий фактор, который в конечном итоге выражает результат ее функционирования. " Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействия и взаимоотношения приобре­тают характер взаимосодействия компонентов на получение фокусиро­ванного полезного результата".

Это определение по смыслу почти полностью совпадает с "машиной" Л.С. Берга, под которой он понимал определенный класс систем "Ма­шина есть такая система тел, в которой отдельные элементы образуют единое целое, т.е. являются органами, служащими для выполнения из­вестной цели. Одним из видов машин является организм".

Если пренебречь спецификой конструкции этого определения, то его можно свести к общему случаю: имеется множество компонентов (элементов) и имеются отношения "взаимодействия" и "фокусирования" на множестве возможных результатов. Следовательно, все множест­во, на котором задана система этого класса, включает не только множе­ство компонентов самой системы, но и некоторое множество компо­нентов внешней среды, на котором оценивается конкретный результат.

Конкретные системы - предметы исследования каждой науки — образуются не только через конкретизацию вида отношений, но и через определение свойств эле­ментов. Свойство — то, что присуще предметам, что отличает их от других предметов или делает их похожими на другие предметы. Каждый предмет обладает бесконечным множеством свойств. Таким образом, пред­мет нельзя исчерпывающе описать через его свойства. Два предмета, описываемые двумя различными конечными подмножествами свойств, могут быть в одном случае различны, в другом тождественны. Вместе с тем свойства есть объективный атрибут любого предмета.

Итак, существуют реальные объекты, реальные системы, обладающие бесконечным множеством свойств. Пред­мет исследования как формальная система выделяется на основе лишь ограниченного, конечного множества свойств. Вьгбор этого конечного множества определяется целью исследования и техническими возможностями. Различные цели - делают необходимым рассмотрение различных свойств, а значит соответственно делают необходимым и выделение различных формальных систем, описывающих с различных позиций одну и ту же реальную систему.

Следовательно, во всех случаях, реализуя системный подход, прежде всего необходимо сформулировать цель конкретного исследования; далее необходимо, исходя из этой цели и возможностей наблюдения, определить множество свойств, потенциально описывающих каждый элемент множества наблюдаемых объектов или явлений; далее, необходимо определить элемент и множество и ввести или определить сущест­вующее между ними отношение.

Если на множестве элементов не осуществляется выделение подмно­жеств, то может быть введено отношение частичного или полного упоря­дочивания элементов по некоторым свойствам. Введение отношения по­рядка очевидным образом вводит структуру.

Обобщая пути выделения систем в географии, Н.А. Гвоздецкий назы­вает два основных: "Первый путь — выделение геосистем как особых физико-географических комплексов, объединяемых в функционально-целостные системы односторонне направленными потоками вещества и энергии. Второй путь — рассмотрение в качестве геосистем традиционно выделяемых в физической географии типологических и региональных единиц" [1977, с. 62-64]. Для первого пути основным системообразую­щим отношением служит некоторая функция, определяющая соответ­ствие между элементами в пространстве (например, трансформация энер­гии или вещества). При втором пути геосистемы выделяются на основе объединения территориально соседствующих элементов отношением подобия.

При выделении конкрет­ных систем ведущее значение приобретает цель исследования, и в конеч­ном итоге именно она определяет избираемые системообразующие отно­шения, свойства элементов и объем рассматриваемого множества.

Общая цель исследования формальных систем как некоторых абстракт­ных отображений реальной природы заключается, во-первых, в описании их функций и структуры и, во-вторых, в установлении связи структуры с качеством и особенностями реализации каждой из конкретных функций. Совокупность таких действий приводит к созданию некоторой модели реальной системы, т.е. к формулировке представлений, достаточных для предсказания поведения реального объекта. Предсказание поведения создает возможность управления объектом.

Оставаясь в рамках системного подхода, можно реализовать два пути: вo-пepвыx,пoльзyяcь некоторыми априорными прeдстaвлeниями об отношениях, построить некоторую систему-модель и осуществить проверку ее соответствия реальному объекту, выделенному на тождественном множестве свойств, и во вторых определив некоторое множество элементов и их свойств, попытаться, отказавшись первоначально от априорных представлений, построить модель, непосредственно исследуя поведение системы.

Свойство управлять чем-то или своим собственным состояни­ем — обязательный атрибут любой системы. Управляет ли система внеш­ним по отношению к ней объектом или управляет сама собой, зависит как от ее типа, так и от условий ее определения. Понятие "управляющая" акцентирует внимание в первую очередь на изучение наиболее существенных свойств системы.

Управляющая система задаётся элементами, схемой и координатами. Как было показано выше, элементы определяются через их свойства. Схема показывает характер соединения между элементами, а координа­ты - относительное положение этих элементов. Применительно к геосис­темам совокупность элементов, схемы и координат определяет структу­ру системы. Какого типа будет рассматриваемая структура, зависит от способа, каким будут заданы координаты. Например, функционально-трофическая структура экосистемы подразумевает выделение элементов по свойству питания и определенную последовательность их соединения. Схемой в этом случае являются ребра графа, соединяющие элементы по трофическим связям, в координатой может быть, например, по­рядок поступления вещества и энергии к элементам системы. Но мо­гут быть введены другие координаты, например вторая определит место каждого элемента по количеству трансформированной энергии, третья — вещества, четвертая — приращению энергии за единицу време­ни и т.д.

Любая управляющая система не мыслится без понятия функции. В наиболее общем случае функция есть отображение одного множест­ва в другом. Применительно к реальным объектам это определение в принципе сохраняет свою силу. Так, если на множестве свойств каких-либо элементов задано множество их состояний, то функция устанавли­вает соответствие (не обязательно однозначное) между состояниями этих элементов. В качестве функции управляющей системы в целом мо­жет рассматриваться отображение множества состояний входов на мно­жество состояний выходов. Такое отображение дает представление о по­ведении системы.

Система может обладать многими функциями, каждая из которых дает отображение состояний входов на множество состояний одного из выхо­дов. Функция, которая обеспечивает постоянство (инвариантность) некоторого состояния или конечного множества состояний на выходе системы при всем разнообразии комбинаций состояний на входах, может быть определена как целевая. Иными словами, целевая функция это та функция, которая в самых разнообразных условиях среды обеспечивает сохранение определенного состояния системы или переход в это состояние.

Цель технических управляющих систем формулируется заранее перед их созданием, и в конечном итоге именно она и определяет структуру самой системы. Что касается природных систем, то, во-первых, они могут иметь несколько целей, а во-вторых, эти цели часто не явны и исследова­телю не известны. При изучении таких объектов основная задача и заклю­чается в установлении их целевой функции. Однако достаточно часто для таких систем, так же как и для технических, целевая функция исходя из общих соображений вводится до начала исследований. Так, считается, что цель фитоценоза — максимизация продуктивности, но с других пози­ций цель этой же системы может быть определена как максимизация инвариантности к возмущениям внешней среды, или максимизация устойчивости.

Введение цели в управляющую систему обязательно и потому, что только цель дает возможность оптимизировать систему для реализации заданной цели. Именно с таких позиций подходит, например, к логичес­кому построению пространственной и временной структуры геосистемы В.Н. Солнцев [1976]. В качестве целевой функции геосистемы им в неяв­ном виде вводится "целостность" системы и устойчивость ее свойств и процессов в природных взаимодействиях. Действительно, если бы этого не было, то выделение геосистемы как относительно замкнутого образо­вания было бы невозможно.

из наиболее существенных черт системы отметим следующие:

1) система состоит из отдельных частей (элементов), между которыми устанавливаются определенные взаимоотно­шения (связи);

2) наборы элементов образуют подсистемы;

3) система обладает определенной структурой, под кото­рой понимается набор элементов системы и характер связи между ними;

4) каждая система может рассматриваться как часть системы более высокого порядка (принцип иерархичности);

5)система имеет определенные границы, характеризу­ющие ее обособленность от окружающей среды:

6) по степени "прозрачности" границ системы разделя­ются на открытые и закрытые:

7) связи классифицируются на внутрисистемные и меж­системные. положительные и отрицательные, прямые и обрат­ные:

8) система характеризуется устойчивостью, степенью са­моорганизации и саморегуляции.

Новые идеи самоорганизации систем были предложены в 70-е годы нашего столетия И. Пригожиным. Среди них важным было положение не о статическом, а динамическом характере многих систем, с особой силой проявляющееся в системах открытого типа. Самоорганизацию системы И. Пригожин рассматривает как результат неравновесных сос­тояний. Теория самоорганизации систем называется синергетикой. В отличие от кибернетики, в которой основное внимание уделяется изучению процессов управления и обмена информацией, синергетика изучает математическими методами процессы самоорганизации различных систем (физических, экологических и т.д.).

Центральное место а СА занимает моделирование. Модель - это объект (материальный. идеальный), который воспроизводит наиболее существенные черты и свойства рассматриваемого явления или процесса. Целью построения модели является получение и/или расширение знаний об исследуемом объекте.

Этапы системного анлиза

При использовании системного анализа в решении практических задач экологии мы прежде всего выделяем семь этапов. Эти этапы и их взаимосвязь схематически представлены на рис. 1.1 и вкратце описаны ниже.

Рис. 1.1. Этапы системного анализа и их взаимосвязь.

Выбор проблемы

Осознание того, что существует некая проблема (или совокупность взаимосвязанных проблем), которую можно исследовать с помощью СА и которая достаточно важна для детального изучения, не всегда ока­зывается тривиальным шагом. Как показывает горький опыт, удивительно легко просмотреть какие-то практиче­ские аспекты экологии, которые необходимо было учесть, и не менее легко поверить, что общепринятые представле­ния об экологических процессах и системах истинны уже потому, что они широко распространены. Однако осозна­ние того, что исследование действительно необходимо, столь же важно, как и выбор правильного метода исследо­вания. С одной стороны, можно взяться, за решение проб­лемы, не поддающейся СА, а с другой — выбрать проблему, которая не требует для своего решения всей мощи СА и изучать которую данным методом было бы неэкономично. Такая двойственность первого этапа делает его критическим для успеха или неудачи всего исследования.