Эмергетический подход к информационным циклам мониторинга-управления природно-антропогенными энергетическими циклами на основе данных дистанционного зондирования

Ранее мы предлагали картину ноосферы как системы связанных природных материально-энергетических циклов, управляемых антропогенными информационными циклами, устроенными по теории оптимальной фильтрации/управления. Дистанционное зондирование (ДЗ) играло здесь роль звена наблюдения. Не хватало количественного описания связанных материально-энергетических и информационных потоков, которое позволило бы записать принцип оптимума как для природных, так и для антропогенных циклов. В частности, это нужно было, чтобы выделить из общего потока бит информации ДЗ значимую, осмысленную часть, пригодную для управления. В данной работе предлагается с этой целью использовать эмергетический подход Г. Одума. Эмергия – это характеристика, учитывающая как количество, так и качество энергии. Информационные потоки рассматриваются как эмергия высокого качества. Схемы Одума объединяют геосферные и экологические процессы с экономическими, социальными и технологическими процессами, в которых может найти свое место и ДЗ. Важнейшим базовым элементом этих схем является автокаталитический узел с обратной связью, производящий эмергию высокого качества из эмергии низкого качества. Так описываются геохимические и геофизические материальные циклы, биохимические циклы в экосистемах, индустриальное производство и др.; мы предлагаем применить этот же подход к информационным циклам с ДЗ. Главная проблема подхода Одума – избежание «двойного счета» при ветвлении и слиянии энергетических и информационных потоков. Мы предлагаем применить для этого разработанную в последние годы теорию распределенных информационных систем наблюдения и управления на основе информационного фильтра Калмана. В ней информационные потоки оказываются аддитивными, т.е. соблюдается «принцип сохранения информации», что снимает проблему «двойного счета» и одновременно позволяет выделить значимую часть информации. Кроме того, в этом подходе решается другая важная проблема подхода Одума: откуда берется принцип оптимума. Он возникает децентрализованно: каждый локальный цикл занимается локальной оптимизацией, исходя из своей ограниченной информации, а глобальный оптимум возникает из взаимодействия локальных узлов, как оптимум Нэша в теории игр. В эту картину естественно ложится и описание характерных для схем Одума экономических потоков как рыночных оптимизаторов в сети «игроков» рынка. Мы также пытаемся интерпретировать в рамках этой картины результаты, полученные экологами в поиске описания принципа максимума в экосистемах через их энергетические и энтропийные характеристики.
В этой картине информационные потоки ДЗ являются не только частью цикла управления текущим состоянием природных циклов, но и частью информационной иерархии, «вертикальные» потоки в которой связаны с накоплением многоуровневой модельной информации, или, на языке Одума, с восхождением по иерархии качества эмергии. Математический аппарат для описания этого – теория дуального управления.
В настоящее время мы разрабатываем компьютерный имитатор цикла мониторинга/управления экосистемой с участием ДЗ («Геодиалог»). Он включает в себя информационный цикл Калмана. Будет описано возможное применение эмергетического подхода в рамках «Геодиалога», вложение «Геодиалога» в модельную иерархию, возможности построения распределенного управления экосистемами на основе сети связанных узлов – «Геодиалогов».
Работа поддержана МОН РФ, задание 2014/601.