CC BY
21УДК 614.8
АКИМОВ Валерий Александрович Доктор технических наук, профессор Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России (Федеральный центр науки и высоких технологий), Москва, Россия E-mail: [email protected]
ОВСЯНИК Александр Иванович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
DOI 10.25257/FE.2021.2.95-100 ИВАНОВА Екатерина Олеговна
Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России (Федеральный центр науки и высоких технологий), Москва, Россия E-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНОГО, ТЕХНОГЕННОГО И БИОЛОГО-СОЦИАЛЬНОГО ХАРАКТЕРА МЕТОДАМИ ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ: ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Статья посвящена актуальным проблемам безопасности жизнедеятельности в современной научной картине мира. Дано краткое описание этапов развития науки. Показано, что современный (постнеклассический) этап развития науки характеризуется радикальными сдвигами в основаниях науки, изменениями характера научной деятельности, обусловленными стремительным ростом междисциплинарных и проблемно-ориентированных форм исследований.
Кратко изложены основные положения теории катастроф как математической основы для формализации скачко-образных изменений состояний динамических систем. Поставлена проблема адекватного исследования чрезвычайных ситуаций природного, техногенного и биолого-социального характера современными методами нелинейной науки.
Ключевые слова: безопасность, общенаучная картина мира, система, синергетика, нелинейные методы, теория катастроф, типы элементарных катастроф, прогнозирование.
Классическая наука - от механики Ньютона до теории относительности Эйнштейна -это, по существу, методология изучения плавного поведения. Классический пример - движение планет вокруг Солнца. Но изменения совершаются и скачками. Сотрясается земля, рушатся дома, гибнут люди. Происходят биржевые крахи, кризисы и катастрофы.
Эти внезапные изменения вызываются обычно гладкими изменениями ситуации. Плановые учения на Чернобыльской АЭС привели к крупнейшей радиационной катастрофе. Весеннее таяние снегов или длительные дожди могут вызвать серьёзные наводнения. Глобальное изменение климата ведёт к увеличению частоты и силы опасных природных явлений и т. д. Такого рода изменения гораздо хуже поддаются мониторингу и прогнозу, чем исследования динамических систем, когда будущее однозначно определяется прошлым, а процессы полностью детерминированы и предсказуемы. Современные науки только накапливают аналитические средства, которые бы им позволили изучать сложные системы со скачкообразным поведением.
В течение тысяч лет перед человечеством стояли три основные проблемы: голод, мор и война [1]. Поколение за поколением люди продолжали миллионами умирать от нехватки пищи, эпидемий и насилия. Но в последние несколько десятилетий эти беды
удалось унять. Полностью эти напасти не побеждены, но из непостижимых и неконтролируемых явлений они превратились в вызовы, поддающиеся контролю. Какие же угрозы займут их место в XXI веке?
Во-первых, мы так и не научились противостоять стихийным бедствиям. Согласно [2] за последнее десятилетие в результате природных катастроф более 700 тыс. чел. погибли, свыше 1,4 млн чел. получили увечья, 23 млн чел. лишились жилья. В общей сложности в результате бедствий пострадали более 1,5 млрд чел. Общий экономический ущерб превысил 1,3 трлн долл. США. Бедствия, многие из которых усугубляются изменением климата и становятся всё более частыми и интенсивными, существенно препятствуют достижению прогресса на пути к устойчивому развитию во всех сферах. Уровень подверженности населения и территорий стихийным бедствиям повышается быстрее, чем снижается уязвимость, порождая новые риски и обусловливая устойчивое увеличение ущерба от природных катастроф.
Во-вторых, актуальна проблема защиты человечества от угроз, заключённых в нашей собственной мощи. Феноменальный экономический рост нарушает экологическое равновесие на планете. Несмотря на активное обсуждение вопросов загрязнения атмосферы, глобального потепления и изменения климата, большинство стран не готово идти
© Акимов В. А., Овсяник А. И., Иванова Е. О., 2021
95
на серьёзные экономические и политические жертвы ради улучшения ситуации.
В-третьих, назрела необходимость защиты от централизованной обработки данных, биотехнологий и искусственного интеллекта.
В XXI в. обострились многие глобальные проблемы, чреватые негативными и угрожающими последствиями для всей жизни на планете.
Повышение интереса к феномену безопасности ставит перед учёными фундаментальную проблему поиска оснований безопасности, выявления её природы, как для социальных, так и материальных систем. Причём речь должна идти не только о прикладных исследованиях, но и о становлении фундаментального и междисциплинарного научного знания в области безопасности [3].
Общенаучная картина мира - один из основных элементов общенаучного знания определённой исторической эпохи. Описание периодов, выделяемых в развитии науки, представлено в таблице 1 [4].
После открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) - самого простого из всех возможных состояний системы, не обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности и возвращению к исходному хаосу [5].
В конце XIX в. великий французский математик и физик А. Пуанкаре заложил основы методов нелинейной динамики и качественной теории дифференциальных уравнений. Он впервые ввёл понятия аттракторов, точек бифуркаций, неустойчивых траекторий и, фактически, динамического хаоса в задаче трёх тел небесной механики. В работах австрийского физика Л. Больцмана были обоснованы вероятностные методы статистической физики. Нелинейные
и статистические методы сегодня стали основой математических методов синергетики [6].
В 1963 г. происходит эпохальное открытие динамического хаоса, сначала Э. Лоренцом в задачах прогноза погоды, затем начинается изучение странных аттракторов в работах Д. Рюэля и Ф. Такенса. В последнее время активно изучаются системы, в которых хаотическое поведение является нормой, а не кратковременной аномалией, связанной с кризисом системы. Это, прежде всего, турбулентность, климатические модели, техногенные катастрофы и стихийные бедствия.
Создаётся математическая теория катастроф (скачкообразных изменений состояний динамических систем Р. Тома и В. И. Арнольда) [7, 8].
Таким образом, происходит формирование новой научной парадигмы самоорганизации, в контексте которой немецкий физик Г. Хакен в 1970 г. вводит в научный обиход неологизм «синергетика» для обозначения нового междисциплинарного направления исследований сложных самоорганизующихся систем [9].
Развитие науки последних десятилетий отмечается целым рядом особенностей, что позволяет говорить о становлении его нового, постнекласси-ческого, этапа. Этот этап характеризуется радикальными сдвигами в основаниях науки, изменениями характера научной деятельности, обусловленными стремительным ростом междисциплинарных и проблемно-ориентированных форм исследований [10]. Преимущественным типом объектов современной науки являются сложные системы, системы открытого типа, эволюционирующие объекты, человек, общество, биосфера и техносфера.
Обычно синергетики стремятся редуцировать (сократить) многомерную систему уравнений до небольшого числа существенных уравнений с малым количеством параметров порядка. Учитывая, что основными переменными большинства катастроф
Таблица 1
Описание исторических этапов развития науки
Table 1
Description of historical stages in science development
Название этапа Период Основные положения
Античный VII в. до н.э. - III в. н.э. Натурфилософия Аристотеля, геометрия Евклида, физика Аристотеля, астрономия Птолемея. Светский характер греко-римской цивилизации
Средневековый IV-XVII вв. Формальная логика. Религиозный (христианский) тип цивилизации
Классический XVII-XIX вв. Механика Галилея и Ньютона, астрономия Коперника и Кеплера, электромагнетизм Фарадея -Максвелла, термодинамика Джоуля - Томсона, геометрия Декарта, математический анализ Ньютона - Лейбница, химия Гей-Люссака. Индустриальный тип цивилизации
Неклассический XX в. Теория относительности, квантовая механика, теория элементарных частиц, генетика, информатика, вычислительная математика. Постиндустриальный тип цивилизации
Постнеклассический Конец ХХ - начало XXI вв. Теория самоорганизации, синергетика, теория катастроф, теория хаоса, нелинейная динамика. Междисциплинарность
и стихийных бедствий являются время, место и мощность негативного события, то формальное описание всех чрезвычайных ситуаций природного, техногенного и биолого-социального характера можно свести к математическому описанию «элементарных катастроф»: «складка», «сборка», «ласточкин хвост», «бабочка» и трёх омбилик (эллиптическая, гиперболическая, параболическая) (табл. 2).
Таблица 2
Виды функций и типы «элементарных катастроф» в теории катастроф
Table 2
Types of functions and types of "elementary catastrophes" in the catastrophe theory
Потенциальная функция Тип катастрофы
С одной активной переменной: x2 + ax «Складка»
x2 + atx2 + a2x «Сборка»
x2 + atx2 + a2x2 + a3x «Ласточкин хвост»
x2 + atx2 + a2x2 + a3x2 + a4x «Бабочка»
С двумя активными переменными: х,2 + xl + a^x, -a2x2 + a^ «Гиперболическая омбилика»
x\ - Ъх\х1 + ai (jq2 + xl) - a2x2 - a3x1 «Эллиптическая омбилика»
*2*1 + Xl + aiXi + a2X\ °4*1 «Параболическая омбилика»
КАТАСТРОФА - резкое качественное изменение объекта при плавном количественном изменении его параметров [8]. ТЕОРИЯ КАТАСТРОФ анализирует критические точки потенциальной функции, то есть точки, где не только первая производная функции равна нулю, но равны нулю и производные более высокого порядка. Динамика развития таких точек может быть изучена при помощи разложения потенциальной функции в рядах Тейлора.
Обычно та или иная синергетическая система может принимать не все возможные состояния в пространстве состояний, но только лишь некоторую их часть. Это связано с наложением каких-либо ограничений на возможное поведение системы. Обычно такие части пространств, в которых система может принимать свои состояния, называют «поверхностями», по аналогии с геометрическими поверхностями. Система в этом случае принимает свои состояния, находящиеся только на поверхности. Она может быть представлена как точка, движущаяся по поверхности.
В этом случае обычно оказывается, что все параметры системы можно разделить на два класса -управляющие (независимые) и управляемые (зависимые). Управляющие параметры системы - это такие её параметры, которые можно менять независимо от остальных. Через них можно управлять поведением
всей системы в целом, в то время как управляемые параметры оказываются зависимыми от управляющих, меняются вслед за их изменением таким образом, чтобы состояние системы всегда находилось на соответствующей поверхности.
В связи с этим оказалось, что теория поверхностей в абстрактных многомерных пространствах тесно связана с описанием поведения различных систем в синергетике. Первые фундаментальные результаты в этой области были получены американским математиком Х. Уитни, который развил так называемую «теорию особенностей» [11].
Представим себе трёхмерное пространство с координатами ХУ1, в котором расположена сфера. Построим проекцию этой сферы на координатную плоскость ХУ (рис. 1). Тогда все точки на плоскости проецирования XУ можно разбить на три класса, в зависимости от того, сколько прообразов имеют эти точки на сфере.
Точки вне круга имеют 0 прообразов. Точки на границе круга - один прообраз (эти прообразы лежат на «экваторе» сферы). Наконец, точки внутри круга имеют по два прообраза - один на нижней, второй -на верхней полусфере. В этом случае особенностью под названием «складка Уитни» будет являться то множество точек на сфере, проекции которых на плоскости проецирования ХУ разделяют области точек с разным числом прообразов. В данном случае это будет «экватор» сферы. Именно его проекция на плоскость ХУ образует окружность, разделяющую области с нулевым и двойным числом прообразов на сфере.
Ещё одним примером широко распространённой особенности является так называемая «сборка Уитни» (рис. 2). В этом случае на поверхности образуется область изогнутой деформации, передне-верхний и задне-нижний край которой образуют особенность, разделяющую множества точек
Рисунок 1. «Складка Уитни» Figure 1. «Whitney's fold»
Рисунок 2. «Сборка Уитни» Figure 2. «Whitney's cusp»
на плоскости проецирования с одним и тремя прообразами (в проекции самой особенности лежат точки с двумя прообразами).
Самое интересное и сложное в поведении си-нергетической системы - это наличие разного рода скачков, или «катастроф», когда система при непрерывном изменении управляющих параметров резко и скачком меняет значение управляемых параметров. Оказалось, что такого рода катастрофы удаётся описывать как процессы пересечения особенностей на поверхности состояний системы.
В этом случае управляющие параметры принадлежат плоскости проецирования поверхности, а управляемые параметры испытывают «бифуркацию» (раздвоение или размножение), выбирая
из множества прообразов на поверхности один из нескольких прообразов. Поверхности могут быть деформированы, и если система попадает в область деформации, то она качественно, скачком, меняет свои состояния, возникают катастрофы, которые можно предсказать, только исследуя эти особенности [12].
В качестве выводов авторы отмечают следующее. Развитие науки последних десятилетий отмечается целым рядом особенностей, что позволяет говорить о становлении её нового, постнеклассического, этапа. Этот этап характеризуется радикальными сдвигами в основаниях науки, изменениями характера научной деятельности, обусловленными стремительным ростом междисциплинарных и проблемно-ориентированных форм исследований. Преимущественным типом объектов современной науки являются сложные системы, системы открытого типа, эволюционирующие объекты, человек, общество, биосфера и техносфера.
Основными угрозами человечеству в XXI в. являются стихийные бедствия, нарушение экологического равновесия на планете, неконтролируемое развитие биотехнологий и искусственного интеллекта. Предложенные в статье современные подходы к формализации катастроф и стихийных бедствий направлены на мотивацию нынешних и будущих учёных на дальнейшие исследования вопросов безопасности и устойчивого развития человеческой цивилизации, практической целью которых должны стать максимально возможное уменьшение риска чрезвычайных ситуаций, сохранение здоровья людей, снижение размеров ущерба окружающей среде и материальных потерь в случае их возникновения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Харари Ю. Homo Deus. Краткая история будущего. М.: Синдбад, 2018. 496 с.
2. Сендайская рамочная программа по снижению риска бедствий на 2015—2030 годы. Женева: Организация Объединенных Наций, 2015. 40 с.
3. Акимов В. А. Междисциплинарные исследования проблем безопасности. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2017. 136 с.
4. Акимов В. А. Общая теория безопасности жизнедеятельности в современной научной картине мира. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2017. 136 с.
5. Буданов В. Г. Методология синергетики в постнеклассиче-ской науке и образовании. Изд. 4-е доп. М.: Ленанд, 2017. 272 с.
6. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. Изд. 7-е. М.: Едиториал УРСС, 2014. 304 с.
7. Том Р. Структурная устойчивость и морфогенез. М.: Логос, 2002. 280 с.
8. Арнольд В. И. Теория катастроф. Изд. 7-е. М.: Ленанд, 2016. 136 с.
9. Хакен Г. Синергетика: Принципы и основы. Изд. 2-е. М.: УРСС: Ленанд, 2015. 448 с.
10. Акимов В. А, Диденко С. Л. Междисциплинарные исследования проблем комплексной безопасности: состояние и пути решения // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2019. № 6. С. 16-26. 001:10.36535/0869-4176-2019-06-2
11. Уитни Х. Геометрическая теория интегрирования. М.: Иностранная литература, 1960. 536 с.
12. Акимов В. А, Диденко С. Л., Олтян И. Ю. Нелинейная наука для исследования аварий, катастроф и стихийных бедствий. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2020. 142 с.
Материал поступил в редакцию 5 марта 2021 года.
Valery AKIMOV
Grand Doctor in Engineering, Professor
All-Russian Research Institute on Civil Defense Problems
and Emergency Situations of EMERCOM of Russia
(Federal Center for Science and High Technologies),
Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Aleksander OVSYANIK
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Ekaterina IVANOVA
All-Russian Research Institute on Civil Defense Problems and Emergency Situations of EMERCOM of Russia (Federal Center for Science and High Technologies), Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
STUDY OF NATURAL, MAN-MADE AND BIOLOGICAL-SOCIAL DISASTERS BY THE METHODS OF POSTNONCLASSICAL SCIENCE: PROBLEM STATEMENT
ABSTRACT
Purpose. The article is devoted to life safety topical issues in modern science. A brief description of science development stages is given. The catastrophe theory critical points are outlined as a mathematical basis for formalizing abrupt changes in the states of dynamic systems.
Methods. The authors have posed the problem of adequate study of natural, man-made and biological-social disasters by means of modern methods of nonlinear science.
Findings. There is an emerging new, postnonclassical stage in the development of science, which is characterized by radical shifts in its foundations and changes in the nature of scientific activity due to the rapid growth of interdisciplinary and problem-oriented forms of study. The objects of study in modern science are predominantly complex systems, open systems, evolving objects, human being, society, biosphere and technosphere.
It turned out that disasters can be described as feature crossing processes on the system state surface. The surfaces can be deformed, and if the system gets into the deformation zone, it qualitatively
and abruptly changes its states leading to emergencies that can be predicted only by studying these features.
Research application field. The proposed approaches to the formalization of disasters are aimed at motivating scientists to further studying issues of safety and sustainable development of human civilization. The practical goal of the study must be the maximum possible disaster risk reduction, human health preservation, reduction of environmental damage and material losses in case of emergencies.
Conclusions. Taking into account that the main variables of most disasters are time, place and size of an emergency, the formal description of all natural, man-made and biological-social disasters can be performed with the help of a mathematical description of "elementary catastrophes": "fold", "cusp", "swallowtail", "butterfly" and three umbilics (elliptic, hyperbolic and parabolic).
Key words: safety, scientific picture of the world, system, synergetics, nonlinear methods, catastrophe theory, types of elementary catastrophes, prediction.
REFERENCES
1. Harari Yu.N. Homo Deus. A brief history of the future. Moscow: Sinbad, 2018. 496 p.
2. Sendaiskaia ramochnaia programma po snizheniiu riska bedstvii na 2015-2030 gody [Sendai Framework for Disaster Risk Reduction 2015-2030]. Geneva: United Nations, 2015. 40 p.
3. Akimov V.A. Mezhdistsiplinarnye issledovaniia problem bezopasnosti. [Interdisciplinary studies of security problems]. Moscow, Federal State Establishment All Russian Science Research Institute of Civil Defense and Emergency Situations (Federal Center of Science and High Technologies) Publ. 2017. 136 p.
4. Akimov V.A. Obshchaia teoriia bezopasnosti zhiznedeiatelnosti v sovremennoi nauchnoi kartine mira [General theory of life safety in the modern scientific picture of the world]. Moscow. Federal State Establishment All Russian Science Research Institute of Civil Defense
and Emergency Situations (Federal Center of Science and High Technologies) Publ. 2017. 136 p.
5. Budanov V.G. Metodologiiasinergetikiv postneklassicheskoinauke i obrazovanii. Izd. 4-e dop. [Methodology of synergetics in postnonclassical science and education. Ed. 4th supplement] Moscow: Lenand, 2017. 272 p.
6. Prigozhin I., Stengers I. Poriadok iz khaosa: Novyi dialog cheloveka s prirodoi [Order from chaos: A new dialogue between man and nature]. Moscow, Editorial URSS, 2014. 304 p.
7. Tom R. Strukturnaia ustoichivost i morfogenez [Structural stability and morphogenesis]. Moscow, Logos, 2002. 280 p.
8. Arnold V.I. Teoriia katastrof [Theory of catastrophes]. Moscow, Lenand, 2016. 136 p.
9. Khaken G. Sinergetika: Printsipyiosnovy [Synergetics: Principles and Foundations. Ed. 2]. Moscow, URSS: Lenand, 2015. 448 p.
© Akimov V., Ovsyanik A., Ivanova E., 2021
99
10. Akimov V.A. Didenko S.L. Interdisciplinary studies of problems of integrated safety and security: current situation and solutions. Problemy bezopasnosti i chrezvychainykh situatsii (Safety and Emergencies problems), 2019, no. 6, pp. 16-26. DOI:10.36535/0869-4176-2019-06-2
11. Uitni Kh. Geometricheskaia teoriia integrirovaniia [Geometric theory of integration]. Moscow. Foreign literature, 1960. 536 p.
12. Akimov V.A., Didenko S.L., Oltian I.Iu. Nelineinaia nauka dlia issledovaniia avarii, katastrof i stikhiinykh bedstvii [Nonlinear science for the study of accidents, catastrophes and natural disasters]. Moscow, Federal State Establishment All Russian Science Research Institute of Civil Defense and Emergency Situations (Federal Center of Science and High Technologies) Publ. 2020. 142 p.
