ГЛОБАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ: НАУКА И ИГРА

 

Белотелов Н.В.

 

(Москва)

 

В статье обсуждается вопрос научности при создании и использовании имитационных моделей биосферных процессов на глобальных масштабах. Показано, что глобальные модели принципиально имеют ограниченную предсказательную силу вследствие невозможности измерений переменных, входящих в модель с нужной точностью. Тем не менее, такая деятельность полезна, поскольку позволяет представить проблему на формализованном математическом языке, что дает возможность по-новому посмотреть на процессы, происходящие в биосфере. Обсуждается проект создания Эколого-Социально-Демографической имитационной игры.

 

GLOBAL MODELS – SCIENCE AND GAME

 

Belotelov N.V.

 

(Moscow)

 

The problem of the scientific character of the simulation biosphere models is under consideration. It is shown that such models have restricted prediction possibilities due to impossibility estimating model’s variables with sufficient accuracy. Nevertheless this activity is not usefulness as it permits look at the biosphere problems through the formal mathematical approach. The project of the creation the Ecological-Social-Economical simulation game is under discussion.

 

«Мы слишком много знаем, но слишком мало понимаем» (А.Энштейн)

«То, что мы наблюдаем, - это не сама природа, которая выступает в том виде, в котором она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов» (В.Гейзенберг)

Проблематика Устойчивого Развития приобретает все боль­шее значение в самых разнообразных областях человеческой жизни. Одним из важнейших аспектов этой проблематики является глобализация. Важнейшим инструментом научного анализа процессов глобализации является метод матема­тического моделирования. Необходимость использования методов математического моделирования при решении задач, касающихся проблем Устойчивого Развития, связана в первую очередь с возможностью построения «виртуального» объекта - копии сложной системы, о которой известно множество закономерностей в различных фазовых пространствах, с целью последующего анализа различных гипотез при использовании имеющихся данных.

В настоящее время складывается парадоксальная ситуация в области исследования биосферных процессов и так называемых «проблем устойчивого развития». С одной стороны, вроде бы увеличились «познавательные мощности» человечества в связи с развитием информационных технологий, которые позволяют обрабатывать огромные объемы информации. А с другой стороны, возрастают неопределенность и неоднозначность в понимании и интерпретации возможных действий (векторов развития человеческой цивилизации) по стабилизации биосферных нарушений, которые широко и многоаспектно обсуждаются политиками и широкой общественностью. Целью настоящей статьи является обсуждение с естественнонаучных позиций складывающейся ситуации.

Что такое глобальные модели? Термин «глобальный» получил ныне широкое распространение. Это веяние времени – сегодня вопросы глобального, общепланетарного характера играют все большую роль в жизни человеческого общества. Глобальными теперь принято называть любые проблемы, относящиеся к планете в целом. Это и вопросы экологии человечества – дисциплины, в которой человечество рассматривается как единое целое, и международные социально-правовые и экономические проблемы, и вопросы климата, и многие другие, требующие рассмотрения нашей планеты как единого организма.

«Взаимосвязь людей по мере развития цивилизации настолько усиливается, что решение многих практических вопросов не позволяет ограничиваться изучением ситуаций, локализованных в каком-либо одном регионе земного шара. Интерес к проблемам глобального характера вполне оправдан ролью, которую они сегодня играют в жизни общества. «Глобальный» подход превращается постепенно в большое самостоятельное научное направление. Оно охватывает не только проблемы, относящиеся к естественным наукам (проблемы климата, глобальная циркуляция океана, биогеохимические циклы). Сегодня глобальными проблемами начали заниматься и представители общественных наук, и прежде всего, экономисты, обеспокоенные возможным исчерпанием природных ресурсов.» (Н.Н.Моисеев)

В данной работе под глобальными моделями мы будем понимать сложные замкнутые имитационные модели процессов экологической, экономической и социальной природы, которые «описывают» эколого-социально-экономическую динамику большой территории. С развитием средств вычислительной техники моделей такого рода было построено большое количество. Наиболее известными авторами являются Форрестор и Медоуз, модели, которых дали мощный толчок к развитию системной динамики и использованию математических имитационных моделей для для задач исследования и прогноза мировой динамики. В настоящее время в мире существует огромное число такого рода разработок. Это проекты типа IMAGE, BIOME, биосферная модель Вычислительного Центра и многие другие. В настоящее время проекты создания глобальных моделей постоянно появляются вновь и вновь. Так что же такое глобальные модели и почему к ним не исчезает интерес?

Глобальные модели – это по существу модели объектов неизмеримых, а следовательно, полностью ненаблюдаемых. При построении глобальных моделей происходит формализация осознаваемых в настоящий момент причинно-следственных связей, определяющих пространственно-временную динамику системы. Человек не несет в себе абсолютно полных образов, окружающего мира, он только отбирает концепции и взаимосвязи, которые затем использует, чтобы представить себе реальную систему. Мысленный образ – это модель. Все наши решения и действия определяются моделями. Создание глобальных моделей является попыткой понимания планетарных процессов с целью определения целенаправленного развития. “Целенаправленное развитие – это развитие управляемое. А любое управление сводится, в конечном счете, к принятию того или иного решения субъектом - наблюдателем. Его выбор, в свою очередь, основывается на информации о состоянии управляемого объекта и знании его свойств. Оно предполагает возможность оценить результаты принимаемых решений и действий по их реализации и по их соответствию целям управления.» (Н.Н.Моисеев)

В этой связи определяющую роль играют цели, преследуемые при проектировании и создании глобальных моделей. Как писал Дж.Форрестор: «Человеческий ум отбирает некоторые концепции (принципы), которые могут быть справедливы или ошибочны, и использует их для описания окружающего нас мира. На основе этих предположений человек оценивает системное поведение, которое, как он полагает, свойственно системе, Если человек хочет улучшить поведение системы, он думает о том, какое действие следует предпринять, чтобы ее изменить. Однако этот процесс часто приводит к ошибкам.

Человеческий ум в высшей степени приспособлен к анализу элементарных сил и действий и очень эффективен при идентификации структуры сложной ситуации. Но опыт показывает, что наш разум не приспособлен для оценок динамических последствий в тех случаях, когда части системы взаимодействуют друг с другом».(Дж.Форресер).

Итак, понимание глобальных процессов происходит посредством построения и изучения глобальных моделей, которым присущи как элемент научности, так и большой элемент эвристики.

Что такое наука? Это рациональная деятельность, направленная на познание мира, общества, человека. Наука определяет понятия, вводит процедуры измерения "количеств", заключенных в понятиях. Проще говоря, вводит меру в пространстве понятий и способы ее измерения. А также формулирует законы, которые определяют "взаимосвязи" понятий и процедуры оперирования количествами. Можно выделить гуманитарные и естественные науки. Первые определяют понятия и взаимосвязи между ними, тогда как естественные науки вводят "количества понятий" и определяют функциональные  правила взаимосвязи количеств понятий.

Наука – это процесс причинно-следственного упорядочивания понятий языка и процедуры измерений, то есть, введение мер (количеств) понятий, создание процедуры проверки получаемых выводов.

Научное познание мира - важнейшая функция человеческой цивилизации. На протяжении всей писаной истории цивилизации человек учился понимать мир, экспериментируя, размышляя, совершая поступки. Все знание человека представлено в языке, в понятиях. Человек видит мир сквозь призму понятий. Он накладывает свою, существующую в конкретное время, человеческую размерность на природу, общество и самого себя.

Научное познание – особый вид познавательной деятельности и человеческой активности, когда мир осваивается в форме объекта, предметности. При этом всегда остается проблема выделения субъекта – наблюдателя, который осуществляет измерения, контроль, понимание и управление изучаемой системой в соответствии со своими целями.

"Всякое новое знание дается нам в оболочке старых понятий, приспособленной для объяснения прежнего опыта, и что всякая такая оболочка может оказаться слишком узкой для того чтобы включить в себя новый опыт… Расширение системы понятий не только восстанавливает порядок внутри соответствующей области знаний, но еще и раскрывает аналогии в других областях". "Задачей науки является увеличение и упорядочивание нашего опыта. Основой такого процесса является язык, выработанный для ориентировки в окружающем и для организации человеческого общества" (Н.Бор)

Если рассматривать естественнонаучную деятельность, то можно выделить следующие важнейшие этапы такой деятельности: эксперимент, теория, практика. Причем важным вопросом является соотношение между характерными пространственно - временными масштабами изучаемого процесса и характерными масштабами наблюдателя. Другим - является выделение независимого наблюдателя из «пространвтва» изучаемого научными методами явления.

«Понятие наблюдения принадлежит именно причинному пространственно-временному способу описания». Принципиальное положение, которое было осознано в 20-ом веке, заключается в том, что «детерминистическое описание классической физики основано на предположении о неограниченной совместимости локализации в пространстве и времени и применения динамических законов сохранения». На микроуровне «наблюдения нарушают ход явления». Для описания таких процессов необходимо опираться на принцип дополнительности. «Понятия дополнительности ни в коем случае не предполагает отказа от нашего положения независимого наблюдателя природы; это понятие необходимо рассматривать как логическое выражение нашей ситуации по отношению к объективному описанию в этой области опытного знания». «Идея дополнительности имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающими из разделения субъекта и объекта» (Н.Бор).

В настоящее время наука не ограничивается только теми объектами, которые уже попали в поле массового практического освоения, она также открывает человечеству предметные миры возможного будущего освоения. Развитие глобальных моделей лежит в русле перенесения естественнонаучной традиции (методологии) познания мира, на явления и системы  пространственно-временные масштабы, которых намного превосходят масштабы человека - наблюдателя и, более того, в которых сам наблюдатель является элементом системы.

Наше понимание какого-либо явления или процесса всегда предполагает наличие цепочки логического вывода: из A следует B, следует C и т.д. Причем, если в A мы абсолютно верим, «понятийное» следование обеспечивается либо построением математической конструкции (модели), либо натурным экспериментом, либо процедурой логического вывода «общепринятой» в данной области науки. То есть наше понимание базируется на некоторых первичных представлениях, логике выводов и натурных экспериментах, либо наблюдениях. При этом научность при изучении глобальных процессов заключается в перенесении на объекты, имеющие пространственно-временные масштабы, превышающие пространственно-временные масштабы субъекта-наблюдателя понятий, нахождении балансов – суть причинно-следственных связей, и методологии оперировании с понятиями, которые были сформулированы для объектов меньших масштабов. По существу научность при изучении глобальных процессов заключается в соблюдении принципа соответствия, который был сформулирован «копенгаенской школой физиков».

Что такое игра? Игра - это процесс времяпрепровождения, - это процесс, структурирования человеком времени жизни. Игра – это активность индивида, направленная на условное моделирование той или иной деятельности. Немецкий ученый К.Гросс отметил, что игра и животных, и детей имеет упражняющую функцию: игра характерна именно для тех животных, у которых поведение не сводится лишь к автоматической реализации инстинктивных актов и которым требуется вариативное приспособление к изменчивым условиям существования. Игра в этом случае служит для предварительного приспособления инстинктов к условиям будущей жизни.

«Человеческая культура возникает и разворачивается в игре, как игра». «Всякое абстрактное выражение есть речевой образ, всякий речевой образ есть не что иное, как игра». «Однажды сыгранная, она остается в памяти как некое духовное творение или духовная ценность», «мы можем назвать игру, с точки зрения формы, некой свободной деятельностью, которая осознается как «ненастоящая», не связанная с обыденной жизнью и тем не менее могущая полностью захватить играющего» (Й. Хёйзинга).

Можно выделить следующие функции – определения игры: игра как процесс времяпрепровождения; игра как процесс изменения состояния сознания играющего (манипулирование, обучение); игра как процесс познания .

Итак, мы приходим к выводу, что, с одной стороны, в реальной жизни только в процессе игры рефлексирующий субъект - наблюдатель познает окружающий мир, то есть формирует понятия. А с другой - формализация наших знаний о глобальных процессах происходит посредством создания глобальных имитационных моделей, которые закрепляют причинно-следственные связи между понятиями, описывающими изучаемый, но по существу ненаблюдаемый (неизмеримый) объект. Все выше перечисленное важно для осознания научного и игрового аспектов при изучении любых эколого-социально-экономических явлений любого масштаба, прежде всего глобального.

Синтезом модельного и игрового подходов к изучению глобальных процессов являются имитационные игры. Имитационные игры посредством введения «игроков» - человеческого фактора в поле математической модели позволяют обойти сложную проблему формализации процессов восприятия, эволюции представлений и пониманий.

Именно в таком направлении в настоящее время разрабатывается концепция Эколого-Социально-Экономической игры в Вычислительном Центре РАН в отделе «Имитационных систем», возглавляемом Ю.Н.Павловским. В этой игре предполагается выделение трех типов игроков: государства (основным их свойством является «закрепление» на определенной территории;  их цель - улучшение благосостояния населения, при этом возможны и другие цели: власть, агрессия, территориальная и экономическая экспансия); ТНК (транснациональные корпорации) – «подвижные игроки», которые ориентируются на максимизацию прибыли; «нулевой игрок» - собственная динамика биосферы. Игра имеет блочное устройство, которое позволяет включать в систему модели разной степени детализации.

В настоящее время, ведутся работы по созданию макета такой имитационной Эколого-Социально-Экономической Игры. Разработана концепция имитационной модели. Она предназначается для изучения на характерных временах порядка жизни поколения (несколько десятков лет) взаимосвязей между демографическим процессом, развитием науки, образования, здравоохранения, процессом общественного производства, инновационным процессом, т.е. процессом формирования новых технологий, эволюцией структуры общественного производства и эволюцией структуры потребления, вызываемых инновационным процессом, процессом загрязнения окружающей среды. Предполагается разработать варианты модели, которые воспроизводят указанные взаимосвязи, как в масштабе отдельной страны (всего мирового сообщества), так и для группы стран с учетом их взаимного влияния друг на друга. Считается, что наука производит новые знания, эти знания приводят к возникновению новых технологий в имеющихся отраслях производства и к возникновению новых предметов потребления и производящих их новых отраслей производства. Новые технологии в существующих отраслях уменьшают трудоёмкость имеющихся производств. В то же время новые технологии для своего внедрения и использования требуют более высокого уровня образования и квалификации.

Главным предметом интереса при разработке модели являются кризисные явления в стране или группе стран, происходящие в результате взаимного влияния перечисленных выше процессов. В условиях фиксированной структуры потребления в изолированной стране рост объемов производства материальных благ в силу совершенствования технологий обгоняет рост спроса на них. Тогда, если экономика страны рыночная, то периодически будет возникать перепроизводство тех материальных благ, объемы потребления которых ограничены (имеется в виду, например, еда, потребление которой ограничено физическими рамками), и связанные с перепроизводством кризисные состояния экономики, характеризуемые высокой безработицей. Представляется, что в таких ситуациях бескризисное развитие экономики может быть обеспечено изменением структуры потребления людей путем появления новых потребительских товаров, производящих их новых технологий и соответствующих отраслей производства, а также благодаря развитию информационной отрасли (в частности, рекламы новых товаров). Однако, имеются механизмы, сохраняющие структуру потребления людей. Структура потребления связана с иерархией базовых ценностей, которые приняты в данной стране. Она поддерживается воспитанием детей в семьях. Механизмы, сохраняющие структуру потребления, действуют тем сильнее, чем меньше уровень образования в семьях. Тенденция сохранения структуры потребления через рыночные механизмы препятствует внедрению технологий, производящих новые товары. Кроме того, само потребление новых предметов потребления требует часто достаточно большого уровня образованности и квалификации. Новые технологии, далее, как в области производства традиционных предметов потребления, так и в области производства новых предметов потребления, высвобождают наименее квалифицированную рабочую силу и, наоборот, предъявляют более высокий спрос к образованности и квалификации работников.

Разрабатываемая модель описывается на трех уровнях подробности. Базовая модель ¾ это вариант модели, который хотелось бы иметь, но который невозможно программно реализовать при имеющихся у разработчиков людских и финансовых ресурсах. Реализуемая модель ¾ это упрощенный вариант базовой модели, который разработчики описывают на алгоритмическом языке. Игровая модель ¾ это вариант реализуемой модели, на базе которого разрабатывается и программно реализуется демонстрационный вариант простейшей имитационной игры, предназначенной для использования в учебных целях на кафедрах устойчивого развития в ВУЗах.

В базовой модели выделяются следующие группы  отраслей производства (секторов народного хозяйства): добывающие отрасли, обрабатывающие отрасли, образовательная отрасль, здравоохранение, экологическая отрасль, информационная отрасль, кратко ¾ информатика, т.е. сбор, передача, хранение, обработка информации, наука, отрасль, производящая новые технологии.

Добывающие отрасли производят природные ресурсы. Обрабатывающие отрасли производят "традиционные" предметы потребления. Образовательная отрасль производит "образованность" людей, необходимую во всех других отраслях. Здравоохранение "производит" коэффициенты человеческой рождаемости и смертности. Экологическая отрасль производит технологии с ограниченными выбросами загрязнителей окружающей среды и средства для удаления загрязнений из окружающей среды. Можно сказать, что экологическая отрасль производит параметры окружающей среды, влияющие на характеристики модели, связанные с людьми. Наука производит новые знания. Во всех отраслях используются различные технологии, которые выпускает седьмая группа отраслей. Технология, используемая в некоторой отрасли, ¾ это количество продуктов других отраслей (в частности, количество людей с различными уровнями образованности и квалификации), необходимых для обеспечения выпуска единицы продукта данной отрасли и количество загрязнений, выбрасываемых в окружающую среду на единицу производимого продукта.

В настоящее время создана компьютерная версия такой игры, разработчиками которой являются Ю.Н.Павловский, Ю.И.Бродский, Н.Н.Оленев и автор этой статьи. Игра находится по адресу: http://www/ccas.ru/Pavlovsky/Game/index.htm. Процесс создания имитационной игры находится по существу в начальной фазе. Можно перечислить некоторые проблемы, которые требуют разрешения. Это - описание пространственно-временных потоков «фазовых переменных модели», описание социальной нестабильности. Существует проблема введения и описания в имитационной игре игроков - стран, экономических агентов и т.д. Формальное описание их целей управления, понимание ими текущего состояния, информационная ограниченность. Это – проблема синхронизации принимаемых решений и описание переговорных процессов и ряд других.

 

Работа поддержана грантом Российского Гуманитарного Научного Фонда 01-02-00019а

 

 

Список литературы:

1. Н.Бор. Избранные научные труды т.II. «Наука», М., 1971

2. Дж. Форрестор. Мировая динамика, Мир, М, 1978

3. Моисеев Н.Н. Возхождение к разуму.ИЗДАТ, М.,1973

4. Павловский Ю.Н. Экологический контроль ¾ составная часть индустрии// Вестник РАН. № 2, 1993. С.29-38.

5. Павловский Ю.Н.Имитационные системы, Фазис, М.,2000

6. Хёйзинга Й. Homo Ludens; Статьи по истории культуры, М.: Прогресс - Традиция, 1997

7. Белотелов Н.В. Экологический кризис и проблемы цивилизации (концепция курса лекций), Труды 4-ой Международной конференции “Математика, компьютер, образование”, Москва, 1997,  31-34.