Процессы самоорганизации в системах. Синергетика.

Хаос и самоорганизация. Хаосом в древнегреческой мифологии называлась беспредельная, но обладающая какими-либо формами упорядоченности масса, из которой и возникло все сущее. Позже хаотическими стали называть действия, события, расположения предметов и их частей, не подчиняющиеся какому-либо порядку, взаимному упорядочению, не обладающие какими-нибудь определенными формами. В частности, динамическим хаосом называются случайные движения динамических систем. Если обратиться к свойствам, которыми должна обладать динамическая система, чтобы в ней с высокой вероятностью возник динамический хаос, то окажется, что большое число динамических переменных, их сильная взаимосвязь в процессе движения, нелинейность и большой запас энергии в системе, как правило, ведут к существованию хаотических режимов движения. Динамический хаос - это отсутствие пространственных и временных корреляций событий.

Уже простейшие, не обладающие какими-либо исключительными свойствами динамические системы обнаруживают способность пребывать в стохастических режимах движения. Поэтому не следует ожидать, что системы сложные, со многими степенями свободы, с большим числом независимых динамических переменных и разнообразными связями, взаимодействиями между подсистемами будя обладать лишь регулярными движениями, пространственно регулярными структурами.

Самоорганизацией называется возникновение упорядоченности в пространственной структуре или форме движения из первоначально неупорядоченных, нерегулируемых форм движения без специальных, упорядочивающих внешних воздействий на систему. Другими словами, самоорганизация означает самопроизвольное усложнение формы, или в более общем случае структуры системы при медленном и плавном изменении ее параметров. Например, периодические колебания динамических переменных системы под действием периодической силы не являются самоорганизацией движения - это просто отклик системы на упорядочивающее влияние внешней силы. А вот образование волнового рельефа песка под действием дующего с постоянной скоростью ветра - пример самоорганизации.

Явление самоорганизации всегда связано с потерей устойчивости менее организованного или неупорядоченного состояния движения и всегда является по своей природе нелинейным. При этом баланс притока и оттока энергии в открытой системе – необходимое условие существования стационарного состояния движения, в том числе самоорганизации, эквивалентное балансу внешних сил и сил трения при установлении асимптотически устойчивых состояний движения в динамических системах.

Что такое синергетика? На этот вопрос можно дать несколько ответов.

Во-первых, буквальный - слово заимствовано из греческого языка и в переводе означает "совместное действие". Речь идет о явлениях, которые возникают от совместного действия нескольких разных факторов, в то время как каждый фактор в отдельности к этому явлению не приводит. В науке термин "синергетика" появился сравнительно недавно, он был предложен немецким Г. Хакеном.

Во-вторых, синергетику часто определяют как науку о самоорганизации. Обычно в качестве примера приводят ячейки Бенара. Явление состоит в следующем. В плоском сосуде с жидкостью, равномерно подогреваемом снизу, самопроизвольно образуются конвективные вихревые течения, если мощность подогрева превосходит некое критическое значение. Вихри образуют регулярную структуру. Эта структура образуется в результате "конкуренции" (а также совместного у действия) нескольких процессов: теплопроводности, гидродинамической/ конвенции и теплопередачи.

Примером самоорганизации во времени является самопроизвольное возникновение автоколебаний. Обыкновенные часы, как известно, стоят, но начинают работать в периодическом режиме с определенным периодом, если напряжение выше критического. Примеров таких автоколебательных процессов великое множество. В химии это периодические реакции. В живой природе к таковым относятся все биологические ритмы.

Важный класс явлений пространственно-временной самоорганизации – так называемые автоволны. Наиболее известный ив то же время яркий пример - распространение импульса по нервному волокну. В двухмерной и трехмерной средах (например, в сердечной мышце) это же явление выглядит еще ярче и богаче: тут могут образовываться спиральные волны, торроидалъные структуры, концентрические волны и т.п. Здесь, как ив предыдущих случаях явление исчезает (или возникает) при медленном изменении параметров активной Среды.

Можно дать и третье определение: синергетика - наука о неожиданных явлениях. Это определение не противоречит, а скорее дополняет предыдущие. Действительно, на первый взгляд все перечисленные явления неожиданные. При низкой температуре подогрева ячеек Бенара не было, а при ее увеличении структура "вдруг" появилась. То же можно сказать об автоколебаниях:

ритмический режим появляется "вдруг" при медленном плавном и монотонном изменении параметров. Можно сказать, что любое качественное изменение состояния системы (или режима ее работа) производит впечатление неожиданного. При более детальном анализе выясняется, конечно, что ничего "неожиданного" в этом нет. "Причиной" неожиданного, как правило, оказывается неустойчивость. Анализ, вскрывающий причину неожиданного явления, и составляет предмет синергетики.

Метод (или математический аппарат), который используется в синергетике, -это теория динамических систем. Сам метод не нов, он развивается в физике и математике почти столетие. Более того, явления, о которых шла речь выше, также изучались давно. Таким образом, само понятие "синергетика" не привнесло в науку ни нового предмета, ни нового метода.

Стохастичность и самоорганизация в ЭЭС. Стохастичность состояний и поведения ЭЭС - это довольно обыденные вещи. Стохастичность состояний определяется случайными флуктуациями режима ЭЭС вследствие того, что значения нагрузок потребителей в каждый момент времени случайны.

Стохастичность поведения ЭЭС, например, динамического поведения во времени, также определяется вполне объективными факторами. Прежде всего, если это динамическое поведения вызвано возмущением, то нужно иметь в виду, что многие возмущения имеют случайную природу (например, место, время и параметры короткого замыкания на ЛЭП). Далее, желаемое поведение ЭЭС после возмущения с целью сохранения устойчивости системы достигается за счет разнообразных устройств управления и противоаварийной автоматики, которые отказывают и эти отказы случайны. Каждый такой отказ автоматики ведет к своим последствиям, связанным со специфичностью поведения ЭЭС, последующих действий противоаварийной автоматики и т.д.