Доктор физико-математических наук Г. Г. МАЛИНЕЦКИЙ, заместитель директора Института прикладной математики им. М. В. Келдыша (ИПМ) РАН, кандидат физико-математических наук А. В. ПОДЛАЗОВ, старший научный сотрудник того же института, кандидат технических наук И. В. КУЗНЕЦОВ, заместитель директора Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН

В 2002 г. ИПМ РАН вместе с десятью другими академическими институтами предложили создать российскую систему мониторинга и прогноза опасных и кризисных процессов в природной, техногенной, социальной сферах. Главная ее цель - возможность своевременного получения достоверной информации о подобных явлениях, что позволит их предупреждать и эффективно парировать, а стало быть, повысить эффективность государственного управления, сберечь жизни тысяч людей, избежать больших материальных потерь. Ведь мировой опыт показал: средства, вложенные в прогноз и предупреждение бедствий и катастроф, в 10 - 100 раз меньше расходов на ликвидацию или смягчение их последствий.

Разработку концепции указанной системы поддержал Президиум РАН, как одно из важнейших направлений исследований, не имеющее аналогов в нашей стране. Она принципиально отличается и от выполнявшейся с 1986 г. (после аварии на Чернобыльской атомной электростанции) Государственной научно-технической программы "Безопасность", и от реализуемой в настоящее время Федеральной целевой программы по снижению рисков и смягчению последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ.

Прежде всего мы исследуем явления, которые могут существенно или кардинально повлиять на развитие России. В частности, в 2001 г. группа специалистов из академических институтов выдвинула теорию стратегических рисков. Смысл ее - оценка реальности претворения в жизнь решений, принимаемых на государственном уровне, возможных последствий их выполнения

стр. 33

или невыполнения. В Академии наук есть опыт работы с проблемами такого масштаба. Например, системный анализ и компьютерное моделирование в рамках крупных оборонных и космических проектов в свое время позволили решить задачи первостепенной важности (создание ракетно-ядерного щита нашей Родины, развитие уникальных технологий в микроэлектронике, навигации и т.д.).

Основа для реализации нашей программы - стратегический прогноз, определение экономических возможностей государства, стоящих перед ним ключевых задач. Именно от них принципиально зависят величина приемлемых рисков и ущербов, объем ресурсов, которые можно выделить на предупреждение и отражение угрозы какой-либо катастрофы или ликвидацию последствии, если она уже произошла. Ведь с подобными расчетами неразрывно связана национальная концепция устойчивого развития страны. Причем тогда как большинство ведомств отрабатывают вопросы, касающиеся реализации выбранного варианта политики, сфера деятельности РАН - анализ стратегических проблем.

Оценка многих опасностей невозможна в рамках узкого пространственного и временного интервала, какой-либо одной научной дисциплины, конкретного министерства. Необходим комплексный анализ возможных угроз, с которыми Россия сталкивается ныне или встретится в будущем. Их список с учетом приоритетов и масштабов должен стать одним из результатов предлагаемой программы. Поэтому ее участники тесно взаимодействуют, постоянно корректируют методики анализа, прогноза, "настройки" соответствующих механизмов.

Принципиальное значение мы придаем системной интеграции, широкому использованию общих банков данных, знаний, их потоков, новых технологий, ставшему возможным благодаря имеющейся в настоящее время телекоммуникационной инфраструктуре РАН. Чтобы система научного мониторинга эффективно действовала, нужны предсказательные алгоритмы, способы обработки информации, компьютерные модели и т.д. При их создании могут найти применение интеллектуальный и организационный потенциал, имеющиеся заделы РАН, тем более что речь идет о решении не прикладной, а системной проблемы.

стр. 34

В нынешней быстро меняющейся ситуации прогноз желателен в возможно короткие сроки. Традиционный годичный цикл развития научных направлений слишком долог для того, чтобы адекватно реагировать на многие возникающие проблемы. Следовательно, требуется предусмотреть гибкое изменение структуры программы и ее приоритетов, привлечь исполнителей, первоначально в ней не участвовавших.

Нельзя забывать и о гуманитарном компоненте программы. В соответствии с развитой в ряде государств практикой, принятой рядом международных организаций, и указаниями Президента РФ желательно показать, как возникающие опасности (скажем, вооруженные конфликты, террористические акции), результаты принимаемых по ним решений влияют на жизнь конкретного человека, отдельных социальных групп, этносов и т.д. Поэтому особое внимание мы уделяем глубоким системным факторам - взаимодействию цивилизаций, неравномерности социально-экономической динамики различных регионов, кризисам в развитии как нашей страны, так и других.

Один из принципиальных элементов, обусловливающих успех выполнения программы, - ее конкретность, востребованность получаемых научных результатов в структуре управления государством, тесное взаимодействие исследователей с лицами, принимающими решения, министерствами и ведомствами. Вот почему так важен детальный анализ механизмов использования данных мониторинга для обеспечения устойчивости развития России, повышения защищенности ее населения, техно- и биосферы. Требуется отработать и принимаемые на различных уровнях практические меры по парированию возникающих угроз.

Что же известно точным наукам об опасных и кризисных явлениях? Прежде всего механизмы их возникновения и развития, о какой бы области ни шла речь, универсальны. Более того, всем системам, склонным к катастрофам, присущи общие свойства. Например, они сложны, т.е. не сводятся к простой сумме составляющих частей (иначе события возникали бы как большое число независимых слагаемых), и обладают масштабной инвариантностью: происходящие в них процессы одинаковы в разных пространственных, временных и энергетических масштабах. Следовательно, нельзя раз-

стр. 35

ложить их на набор независимых подпроцессов, необходимо целостное описание.

Указанные свойства отчетливее всего проявляются в системах, пребывающих в так называемом критическом состоянии. Оно возникает благодаря либо тонкой искусственной подстройке, либо самоорганизации, механизм которой, кстати, очень прост и универсален, поэтому широко распространен в природе. Базовая модель рассматриваемой теории - горка песка. Она неподвижна, если средний наклон ее поверхности невелик. Когда же он превышает некое значение, возникает спонтанный ток лежащих сверху частиц. Оба рассмотренных состояния соответствуют неопасному поведению: в первом ничего не происходит, во втором - ничего неожиданного. Зато крупные внезапные события, каковыми являются катастрофы (к примеру, землетрясения, вспышки на солнце, биржевой крах), возможны только в критической ситуации: спонтанного тока еще нет, но любая флуктуация (случайное отклонение значения какого-либо параметра) может вызвать сход сколь угодно большой лавины. Чтобы обеспечить возможность самоорганизации, способной создать такие условия, начнем добавлять на вершину горки по одной песчинке и ждать завершения релаксации* (при этом ток частиц, очевидно, будет минимальным). Если наклон поверхности мал, досыпка вызовет лавину, которая его увеличит и, скорее всего, не достигнет края горки, а если очень значителен, обрушившийся вниз песок окажется за пределами последней и она станет пологой.

Таким образом, в данном случае имеет место обратная связь, и возмущение может распространяться по системе сколь угодно далеко. Значит, несмотря на локальность взаимодействия песчинок, их совокупность ведет себя как единое целое. Причем, хотя для каждой лавины можно указать спровоцировавшую ее частицу, корни катастроф таятся, конечно, в другом - критических свойствах самого объекта, где малые причины способны вызвать большие следствия.

Впрочем, большинству масштабно инвариантных систем свойственна иерархическая структура. Например, литосферу нашей планеты можно представить как построенную из разделенных разломами блоков. Каждый из них состоит из меньших, те, в свою очередь, - из еще более мелких и т.д. Геофизики выделяют более 30 подобных уровней в земной коре: от тектонических плит протяженностью в тысячи километров до зерен горных пород миллиметрового размера. Значительное землетрясение обычно сопровождают многочисленные повторные толчки - афтершоки, каскадом перераспределяющие напряжение вниз по иерархии разломов. Подготовка же подобного крупного явления происходит, наоборот, как передача напряжения с нижних уровней на верхние.

Напрашивающаяся аналогия в сфере человеческой деятельности - система административного или военного руководства. Успех решения их задач на некой ступени управления обусловлен эффективностью функционирования предыдущих. Схожую структуру представляет собой и электорат, делящийся на несколько групп по своим интересам, а те - на более мелкие и т.д. - вплоть до отдельного избирателя. Словом, причины всех упомянутых событий лежат на нижних уровнях, вот поче-

* Релаксация - процесс установления в физической системе термодинамического равновесия (прим. ред.).

стр. 36

му важно представлять, как они взаимодействуют с верхними.

Далее. Зная, в чем "корень зла", можно ли предвидеть катастрофы? Увы, для многих склонных к подобному поведению объектов на нынешней стадии развития науки нет детальных математических моделей, обладающих предсказательной силой. Поэтому прогноз строят иначе: вместо подробного описания подготовки катаклизма (процесса, кстати, отнюдь не хаотического) обращаются к общим свойствам нелинейных динамических систем. В силу своей целостности они долго "помнят" и "чувствуют" произошедшие в них изменения, причем на больших расстояниях от точки, где они возникали. Математически это выражается в медленном убывании временных и пространственных корреляций.

Вновь в качестве примера рассмотрим песчаную горку. Ее крутые участки, как мы убедились, более склонны к участию в лавине, пологие - менее. И она начнется, если в системе будет некоторый избыток песка. Однако он заблаговременно не сосредоточится в какой-то определенной зоне, не нарушив ее устойчивости. Следовательно, значительная часть всей кучи должна иметь сильный локальный наклон. А чтобы его создать, нужно некое количество песка доставить от вершины к нижележащим участкам, что могут опять-таки только лавины. Иными словами, крупному событию всегда предшествуют мелкие, впрочем, это справедливо и для других склонных к катастрофам систем. Стало быть, мы вправе ожидать, что алгоритмы выявления предвестников и прогноза гигантских событий, построенные и доказавшие свою эффективность, скажем, в сейсмологии, можно перенести на экономику, социологию, динамику преступности и т.д.

В целом все выглядит так. На первом этапе разработки алгоритма прогноза, скажем, землетрясений вырабатывают методы "свертывания" огромной информации, предоставляемой мониторингом, в небольшой набор функционалов - величин, зависящих от времени и в сжатом виде характеризующих состояние системы. Естественно, очень важен их правильный подбор, а значит, и привлечение специалистов, знающих динамику рассматриваемого объекта и взаимодействие его иерархических уровней.

Следующий шаг - выделение наиболее информативных функционалов, конструирование и "обучение" алгоритма, позволяющего "объявлять тревогу", когда их значения превысят пороги, свидетельствующие о входе системы в опасную область. Тем самым оптимизируют способность расчетной программы к ретроспективному прогнозу, т.е. уже случившихся катастроф, на основе информации о предшествовавшей им активности. Наконец, на заключительном этапе, когда корректировка параметров уже не допустима, алгоритм тестируют в реальных условиях, чтобы определить его эффективность.

Подход, во многом схожий с рассмотренным, применяли американцы, исследуя рецессии (большие спады) экономики своей страны. За период с 1959 по 1997 г., на который приходится шесть соответствующих кризисов, они анализировали следующие параметры: стоимость всего произведенного продукта; индекс общей экономической активности; доходы населения без социальных выплат; число свободных рабочих мест в частных компаниях; количество запросов на пособие по безработице; стоимость запасов на складах в промышленности и торговле; трехмесячная процентная ставка по казначейским векселям; разность между значениями процентной ставки по облигациям Федерального резервного фонда США и по государственным. Из этих показателей сконструировали шесть функционалов, на основе их поведения удалось предугадать рецессию 2001 г.

Предсказание в социоэкономических областях, как и в сейсмологии, базируется на характеристиках, чувствительных к предкритическому состоянию системы, за которым следует катастрофическое событие. Материалы предварительных исследований показывают, что можно развить новый подход в данной сфере - социологию быстрого реагирования. Именно она скажет решающее слово в повышении устойчивости функционирования больших городов и страны в целом, а также предупреждении вспышек социальной нестабильности.

Так, рассмотрим задачу прогнозирования динамики преступности на материале города Ярославля. Для ее решения анализировали правонарушения за период с 3 февраля 1993 по 25 июня 2001 г., разбив их на пять групп: угон автомототранспорта, скоропостижная смерть и т.п.; хулиганство, кража и т.д.; телесные повреждения, вымогательство, мошенничество и пр.; обнаружение трупа, самоубийство, грабёж; убийство, тяжкий вред здоровью, изнасилование, разбойное нападение, безвестное исчезновение людей. Объект исследования в данном случае - "скачок" наиболее серьезных событий (последняя группа), т.е. превышение их числа в течение одной недели по сравнению со средним значением четырех предыдущих. По аналогии с подготовкой сильных землетрясений рассчитывали миграцию активности с нижних уровней (в данном случае - трупп) к высшим. Ее динамику отобразили в виде соответствующего графика в двойном логарифмическом масштабе. Разницу между текущим значением угла ее наклона и средним по времени рассматривали в качестве прогнозного функционала. Результат проведенной работы - предсказание 30 из 34 преступлений (88,2%).

Словом, предложенные методы прогноза применимы даже в области, для которой нет не только моделей, описывающих динамику происходящих событий, но даже приблизительных представлений о взаимосвязи различных процессов.

В настоящее время Межведомственная комплексная программа "Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования в интересах обеспечения защищенности опасных объектов и населения", подготовленная РАН по поручению Совета безопасности РФ и Президиума Государственного совета РФ, рассматривается в ряде заинтересованных ведомств. Надеемся, что с их участием удастся реализовать столь нужный нашей стране проект.