CC BY
159
УДК 72.01 ВИТЮК Е. Ю.
БАБИЧ В. Н.
Синергетические законы развития города
В статье изложены основные синергетические законы развития города как сложной динамической системы, раскрыты некоторые аспекты синергетического подхода к изучению города, актуальность и потенциал исследований данной области знаний; содержится краткое описание основных синергетических методов и обоснование возможности их применения для моделирования пространственной структуры города.
Витюк
Екатерина Юрьевна
кандидат архитектуры, помощник проректора по научной работе УралГАХА E-mail: veu@usaaa.ru
Бабич
Владимир Николаевич
кандидат технических наук, доцент УралГАХА
Ключевые слова: синергетика, флуктуация, динамическая система, город, законы развития города, методы.
VITJUK E. Y, BABICH V. N.
SYNERGETIC PRINCIPLES OF A CITY DEVELOPMENT
Inthegivenarticlethe basic synergeticprinciplesofa city development aswellasfewissues ofasynergeticapproach to a city analysis are stated. Besides that, the author describes this field of science research potential and actuality, giving a brief specification of a basic synergetic methods and their application reasons for the use of spatial modeling of a city structure.
Keywords: synergetic, fluctuation, dynamic system, city, laws of development of city, methods.
Если рассматривать с позиции синергетики, то мир сложных систем, в котором мы живем, подчиняется единым законам, синергетическое описание которых позволяет радикально редуцировать сложность поведения систем: понять сложное относительно простым способом. Так, самопроизвольный рост городов и структур города был впервые исследован Дж. Португалии с точки зрения синергетических принципов самоорганизации [1]. Им совместно с Г. Хакеном было введено понятие «интеррепрезентационные сети», на основе которого объясняется функционирование внутренне-внешних сетей, т. е. взаимодействие внутренних и внешних параметров порядка (индивидуального и социокультурного).
Цель статьи - продемонстрировать наличие нелинейных связей в городской среде, подчиняющихся синергетическим законам и явно или латентно влияющих на рождение, формирование, становление, развитие, увядание и гибель системы или ее перестройку под действием возникающих флуктуаций.
Современный город представляет собой сложную многоуровневую систему, пронизываемую разнонаправленными потоками ресурсов различной природы (информация, финансы, автомобили, люди и др.), т. е. является диссипативной структурой, при изучении которой необхо-
димо и возможно применять методологические принципы синергетики. В теории организации современного города следует изучить не только инварианты структуры (микроуровень) и положения равновесия, но и явления неустойчивости, механизмы возникновения нового, процессы рождения и преобразования полиса и его частей, их самоорганизации. Восприятия современного города как системы «каркас - ткань» недостаточно, поскольку наблюдается активное изменение самого полиса, его элементов, а также связей и отношений между ними, взаимодействия с внешней средой. В связи с этим возникает новое отношение: город рассматривается через призму системы «форма - движение» [2], что требует свежего взгляда на методы исследования динамического объекта, объединяющего в себе социальные, экономические, политические, транспортные, архитектурные и инженерные подсистемы.
Рассмотрим ряд законов синергетики применительно к архитектурному формотворчеству в городской структуре: гомеостатичность, самоорганизация, открытость, нелинейность, неустойчивость, бифуркация, хаос, иерархичность, которые подробно изложены в работах Г. Хакена, В. Г. Буданова, Е. Н. Курдюмова и др., но не раскрыты с позиции архитектуры и градостроительства.
Синергетический принцип рождения нового гомеостаза
Архитектурная среда города направлена на удовлетворение потребностей горожан, заключенных в формуле «досуг - жилье - работа». Сохранение данной пропорции позволяет поддерживать баланс полноценной функциональной насыщенности городской среды, смещение акцентов приводит к трансформации всей структуры. Таким образом, закон гомеостатичности, т. е. поддержания программы функционирования системы в некоторых рамках, позволяющих ей следовать к своей цели - аттрактору, является важнейшим условием сохранения структуры города. Полис остается структурированной субстанцией до тех пор, пока влияние пронизывающих его потоков остается в определенных пределах и соотношениях. Их отсутствие приводит к увяданию города, повышенная активность - к резким изменениям структуры. Следует помнить, что слабое, но резонансное воздействие эффективно, тогда как сильное, пересыщенное энергией действие не только неэффективно, но может даже нанести вред: именно шепот, а не крик сотрясает горы. Топологически правильно организованные влияния необходимы для эффективного управления; должна быть определенная «архитектура» действий. Локальное воздействие может вызвать нелинейные и непредсказуемые, огромные и обширные, т. е. нелокальные, почти «глобальные» результаты. Для всякой сложной сис-
темы существует дискретный спектр возможных эволюционных путей. В основании нестабильности открытой нелинейной системы может установиться всепроникающая связь различных уровней организации. Когда параметры порядка теряют свои функции, возникает критическая зона, которая, в свою очередь, способна перерасти в новое устойчивое состояние системы, но с элементами предыдущего, т. е. новый гомеостаз (см. рисунок). В данном случае эквивалентным понятием гомеостатичности в архитектуре является пропорция. Гомеостаз есть устойчивое состояние равновесия открытой, способной к развитию системы, которое возможно лишь при соблюдении определенных соотношений ее параметров. Кроме того, должно сохраняться неизменным соотношение системы со средой. В архитектуре данное понятие может трактоваться следующим образом. Устойчивое состояние архитектурного объекта при его развитии возможно путем сохранения баланса между его элементами, окружающими объектами, комплексами, ансамблями и т. п. Возможно это лишь при соблюдении пропорции - соразмерности отношений объектов.
«Разбалансировка» структурного состава города приводит к возникновению «центров тяготения», где пропорции функциональной насыщенности неравнозначны - массовые скопления объектов одного типа и недостаток других.
Кроме того, пропорциональные отношения между элементами и их связями способны меняться под воздействием внешней среды. Вследствие хаотического обмена ресурсами города с окружением может возникнуть новый объект — новое упорядоченное состояние макрообъекта, который при увеличении интенсивности обмена может претерпеть ряд переходов и усложниться вплоть до возникновения нового хаоса. Такой необратимый процесс, приводящий в результате взаимодействия подсистем к образованию более эффективных структур, называется самоорганизацией. Он возможен лишь при соблюдении ряда условий:
• открытость объекта (обмен энергией или веществом с окружающей средой);
• большое число элементов (подсистем);
• наличие стационарного устойчивого режима хаотического взаимодействия элементов системы (по Г. Хакену).
Открытость системы означает возможность ее развития лишь при обмене ресурсами с внешней средой. Внешние потоки являются катализатором процесса развития внутреннего состояния объекта, вызывая диффузионные изменения, т. е. являются управляющей силой (мегауровень). Если система закрыта, то довольно быстро наступает ее гибель, поскольку внутренний состав элементов становится однородным и истощается. Под
незамкнутостью системы в архитектуре следует понимать взаимодействие архитектурной формы с другими объектами. Замкнутые системы обладают четкими границами, внутри которых протекают все системные процессы, не выходя во внешнюю среду. Так, город находится в состоянии постоянного обмена ресурсами с внешней средой, обладая при этом «зонами подпитки энергией» из окружения, что обеспечивает структурную неоднородность организма, и зонами «рассеивания энергии», сглаживающими эту неоднородность. Именно это объясняет постоянные изменения в городском организме, являющемся открытой незамкнутой системой.
В качестве примера рассмотрим момент возникновения города Екатеринбурга. Город-завод состоялся благодаря крупным капиталовложениям государства в разработку месторождений металлов и их обработку: были выделены средства на строительство плотины и заводских корпусов, привлечены работники, мастера, управляющие и др. Когда завод стал приносить прибыль, т. е. образовались исходящие потоки, вновь возникла внешняя «подпитка» в виде денежных средств, строительных материалов, людей и многого другого. Благодаря этому были построены церковь, административные и учебные учреждения, жилье, т. е. городская территория увеличилась, ее качество улучшилось.
Развитие объекта протекает под воздействием сложных стихийных компромиссов, сформировавшихся под давлением разнонаправленных тенденций; это результат сложного взаимодействия внешней и внутренней среды. В этом заключается следующий синергетический закон развития города - принцип нелинейности.
Идея нелинейности может быть раскрыта через следующие представления [3, 91]:
• альтернативность путей эволюции;
• поливероятность выбора из альтернатив;
• скорость развития процессов;
• необратимость изменений.
Физический смысл нелинейности
можно объяснить так. В математическом смысле это определенный тип уравнений, содержащих искомые величины в степенях больше единицы и коэффициенты, зависящие от свойств среды. Нелинейные уравнения могут иметь несколько качественно различных решений. Значения параметров, при которых происходит топологическая (или качественная)
перестройка установившихся режимов движения в системе, называются бифуркационными значениями, а сама перестройка - бифуркацией. При непрерывном изменении параметров может возникнуть последовательность бифуркаций. Установление в динамической системе хаотического режима движения в результате той или иной последовательности называется сценарием.
Предположим, что динамическая система, задаваемая дифференциальными уравнениями, зависит от некоторого управляющего порядка ц:
X = и (х, (1)
Система (1) имеет стационарное решение х0. Естественно, что это решение зависит от управляющего параметра: х0 = х0(ц). Допустим, что стационарная точка х0(ц) системы (1) устойчива при ц<ц0 и неустойчива при ц>ц0. Следовательно, при ц = ц0 реальная часть некоторых собственных значений матрицы линеаризации становится положительной. Если при этом изменится топологическая структура разбиения фазового пространства системы на траектории, то точка ц = ц0 будет точкой бифуркации потока х@) динамической системы (1).
Флуктуации, возникающие в городском организме, зависят от свойств внешней среды. Поэтому возникает множество путей эволюции полиса. Но при этом в конкретной нелинейной среде возможен не любой путь эволюции, а лишь определенный спектр этих путей. Происходит баллотирование вариаций изменений городской структуры и включение в него архитектурных объектов.
Здесь следует обратиться к понятию неустойчивости полиса. Фазы неустойчивости систем, в том числе и архитектурных, и есть самые эффективные состояния для управления ими; выводя систему в неустойчивое состояние, мы лишаем ее адаптивных способностей гомеостаза - отрицательных обратных связей, на преодоление которых теперь не надо тратить энергию управляющего воздействия. В архитектуре новая идея рождается, когда архитектор находится в неустойчивом состоянии хаоса сомнений и выбора при высоком мотивационном фоне (в этом и состоит суть генерации ценной информации). Другими словами, неустойчивость в архитектуре и есть творчество: порядок рождает хаос, который приходит к новому порядку. Архитектор на основе своих знаний, ощущений и опыта создает объект, вписывает его в городскую среду, меняя тем самым как прежнюю
структуру, так и свойства спроектированного им здания. Состояние системы неустойчиво, если любые отклонения от траектории ее развития со временем увеличиваются. Чем больше знаний и творческого проектного опыта у архитектора, тем больше альтернатив развития его работы.
Городская среда также подвержена чередованию состояний покоя и хаоса. Развитие города во времени может протекать неравномерно: то ускоряться, то замедляться. Возникает чередование стадий: схождения и расхождения интересов; затухания процессов в центре и их активизации на периферии; подъема и спада и т. д., то есть в основе развития заложена идея ритмокаскадов. Поэтому за основу развития города принимают генеральный план - модель, заданное направление развития. Период реализации такой модели можно назвать состоянием покоя, поскольку цель и пути следования к ней известны, система, соблюдая поставленные условия, выполняет конкретную программу. Однако внешние и внутренние условия, требования, нормы, стандарты и т. д. могут измениться либо программа развития будет завершена, тогда система погружается в состояние хаоса - неудовлетворенности своим состоянием и поиска новых путей развития. В этот момент и возникают возможные аттракторы, т. е. варианты развития городской структуры (планы, проекты, программы, концепции и т. д.).
Такие качественные перестройки и метаморфозы архитектурных форм и градостроительных объектов, сопровождаемые изменениями их параметров, есть не что иное, как бифуркация, т. е. момент принятия решения, как дальше будет развиваться система, по какому из возможных эволюционных путей она начнет (или продолжит) свое движение. В случае градообразования следует говорить об изменении характера развития городской системы на большом временном интервале. Стоит отметить, что при возникновении точек бифуркации система приобретает поливе-роятностный выбор дальнейшего развития. В этот момент происходит эволюционный отбор альтернатив развития макроуровня, после чего система уже не может вернуться к точке бифуркации и выбрать иной аттрактор.
Однако сложность анализа городской системы заключается во многом в нелинейном характере вышеупомянутых качественных перестроек ее элементов. Если говорить об архитектурном объекте: любое сооружение
представляет собой нечто большее, чем совокупность строительных материалов, использованных при его возведении. Когда мы говорим об архитектуре, то обращаемся к таким категориям, как «образ», «гармония», «дух места» и т. п. Иначе говоря, к физическим параметрам здания добавляются чувственно-эмоциональные переживания. В системе нет линейной зависимости параметров друг от друга. Когда архитектурное сооружение становится объектом восприятия, т. е. появляется зритель, возникают различные смыслы и их трактовки.
Нелинейность - нарушение принципа суперпозиции: результат суммы причин не равен сумме результатов причин. Вместе с тем нелинейность подразумевает взаимосвязь порядка и беспорядка. Данная идея синергетики заключается в представлении
о «случайности и необходимости на разных уровнях организации, взаи-мопереходах порядка и хаоса» [4]. При проникновении в организованную систему новых ресурсов, сил или элементов происходит активное взаимодействие внутренних и внешних потоков, прерывающих состояние покоя объекта. Вызывая хаотические диффузионные «движения», они приводят систему к обновлению, т. е. к новому порядку. Ярким примером такого перехода может служить проект Ле Корбюзье по перепланировке центра Парижа, в котором он предлагал заменить существующую сетку улиц регулярной системой с ярко выраженным модулем.
Говоря о системе, следует упомянуть и такое важное свойство систем, как иерархичность. Основным смыслом структурной иерархии является составная природа вышестоящих уровней по отношению к нижестоящим. Данные уровни заключают в себе и анализируют внешнюю информацию разного качества. Так, главный архитектор города решает глобальные вопросы развития всей городской планировочной структуры, когда отдельные архитектурные бюро занимаются планировочными решениями отдельных объектов, которые будут включены в городскую структуру; работник такого бюро -архитектор-проектировщик — участвует в разработке архитектурностроительной части проекта и т. д. Всякий раз элементы, связываясь в структуру, передают ей часть своих функций, полномочий, степеней свободы, которые теперь выражаются от лица коллектива всей системы, как параметра порядка. Эквивалентным понятием иерархичности в архитектурной деятельности можно назвать
архитектонику - построение произведения искусства. При рассмотрении двух соседних микро- и макроуровней в состоянии гомеостаза принцип подчинения гласит: долгоживущие переменные управляют коротко-живущими, вышележащий уровень управляет нижележащим, хотя сам и образован из его элементов (в этом заключается смысл так называемой круговой причинности в самоорганизующихся системах). Этот принцип описывает возникновение качества системы по горизонтали, т. е. на одном уровне, когда медленное изменение управляющих параметров мегауровня и быстрая смена элементов микроуровня приводят к бифуркациям, неустойчивости системы на макроуровне и перестройке его структуры. В точке бифуркации коллективные переменные, параметры порядка макроуровня возвращают свои полномочия в хаосе микроуровня, растворяясь в нем и увеличивая степень его хаоса. Затем в непосредственном процессе взаимодействия мега- и микроуровней рождаются новые параметры порядка обновленного макрообъекта.
Заключение
Город как самоорганизующаяся система обладает дискретным и флуктуативным характером развития, признаками которого является чередование усиления и ослабления, спадов и подъемов организационных процессов, протекающих в самой структуре и вне нее. Вследствие этого городская структура способна к изменчивости и приспособляемости, к качественному обновлению. Для описания и изучения таких систем нужна теория, которая формируется в рамках эволюционно-синергетической парадигмы. Необходимо понимать, что даже незначительные воздействия на диссипативную систему «Город» могут иметь глобальные последствия, поэтому линейное мышление может быть опасным в такой ситуации. Синергетический подход к изучению полиса весьма актуален и правомерен, поскольку подразумевает включение в когнитивную модель не только инвариантов городской структуры, но и всего спектра внешних воздействий на объект [5].
Список использованной литературы
1 Portugali J., Benenson I., Omer L. Sociospatial Residential Dinamics: Stability and Instability Within a Self-organizing City // Geographical Analysis. 1994. Vol. 26, № 4. Р. 321—340.
2 Градостроительное искусство: новые материалы и исследования / отв. ред. И. А. Бондаренко. М., 2007. Вып. 1.
3 Князева Е. Н., Курдюмов Е. Н. Синергетика. М., 2007.
4 Хакен Г. Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии / пер. Е. Н. Князевой. М., Ижевск, 2003.
5 Витюк Е. Ю. Синергетическое моделирование структуры города // Известия вузов. Архитектон. 2010. № 32. ИКЬ: http://archvuz.ru.
