1. Геотехнические системы

1.1. Системы. Основные понятия

Система – это определенным образом упорядоченная материально-энергетическая совокупность, существующая и управляемая как единое целое за счет взаимодействия, распределения и перераспределения вещества, энергии и информации, имеющихся, поступающих извне и продуцируемых этой совокупностью, при условии преобладания внутренних связей над внешними.

Природные (естественные) системы можно представить двумя типами:

• Биологические живые системы, т.е. отдельные биологические элементы или их совокупности в зависимости от уровня рассмотрения. Так, например, на суборганизменном уровне эти системы представляют собой клетки, ткани, органы, на организменном уровне –непосредственно сам организм; на надорганизменном уровне - стая, популяция.

• Биокосные системы, т.е. природные системы, образовавшиеся в результате взаимодействия биологических живых систем с окружающей их средой. Например, биосфера.

Искусственные (техногенные) системы представляют собой совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых технических элементов или объектов.

Как известно, практически любой техногенный объект (сооружение) не может существовать не испытывая воздействия окружающей среды и не воздействуя на эту среду. Таким образом, можно говорить о новом уровне систем, а именно геотехнических системах.

Геотехнические системы – это совокупность природных и техногенных объектов, во взаимосвязи и взаимозависимости за счет обмена веществом, энергией и информацией.

Из определения следует, что они включают в себя природные системы (биологические живые и биокосные) и техногенные системы в качестве подсистем.

Наличие в составе геотехнических систем биологических живых подсистем означает, что данные системы должны обладать основными свойствами живых систем, а именно:

• Открытость системы, т.е. наличие обмена веществом, энергией, информацией с окружающей средой;

• Саморегуляция (самоуправляемость), т.е. поддержание структуры системы и управление протекающими в ней процессами метаболизма за счет обмена информацией с окружающей средой и её переработки;

• Самовоспроизводимость, т.е. способность к поддержанию оптимальной численности составляющих систему организмов при сохранении их характеристик.

При рассмотрении геотехнических систем необходимо учитывать, что они могут существовать только при сохранении определяющих характеристик природных подсистем, входящих в их структуру. В противном случае наблюдается деградация природных составляющих, доминирование технических и утрата состояния динамического равновесия в системе, следствием чего является образование новой системы техногенного характера (например: отвалы пустой природы, утраченные земли и т.д.).

Геотехнические системы, как любые другие системы, могут быть классифицированы по различным признакам. Основной принцип классификации систем исходит из их внутренней сложности. В соответствии с этим выделяют 4 основных типа систем:

1. Морфологические системы – это системы, содержащие одновременные по внешнему проявлению физические свойства, совокупность которых образует различимую и определяемую часть физической реальности. Морфологические (структурные) изменения в такой системе являются следствием изменения отдельных переменных в результате преобладания отрицательной обратной связи между её составляющими и взаимодействия с окружающей средой;

2. Каскадные системы – это системы, состоящие из цепи подсистем динамически связанных между собой перепадом массы, энергии или информации. В этом случае выходные параметры предыдущей подсистемы цепи являются входными для последующей. При изучении указанных систем основное внимание уделяется исследованию выходных параметров системы как функции входных. Каскадные системы обычно анализируются с использованием трех типов моделей, последовательно переходя от наиболее простой к наиболее сложной. Этими моделями являются:

• Модель «черный ящик», т.е. модель, в которой система рассматривается как единое целое без учета её структуры и процессов, протекающих внутри нее;

• Модель «серый ящик», т.е. модель, подразумевающая частичное рассмотрение ограниченного числа составляющих подсистем и основных процессов их связывающих и влияющих на выходные параметры системы в целом.

• Модель «белый ящик», т.е. модель, максимально полно исследующая всю внутреннюю структуру системы и все процессы, протекающие в ней с целью получения наиболее детальной информации относительно способа влияния данного входного параметра на тот или иной выходной параметр системы.

3. Процессорные системы – это системы, образующиеся путем сочетания морфологических и каскадных систем при доминирующей роли отражательной обратной связи.

4. Управляемые системы – это процессорные системы, включающие в себя переменные, допускающие изменения в распределении массы, энергии и информации в каскадных подсистемах и вызывающие изменения равновесия в морфологических подсистемах.