Свидетельство о государственной регистрации в Отраслевом фонде алгоритмов и программ от 15.07.2005 № 5045

 

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЦЕНТР СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

 

В.И. ГНАТЮК

 

ЗАКОН ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ

ТЕХНОЦЕНОЗОВ

 

Компьютерная версия, переработанная и дополненная

 

 

 

 

Москва 2005 – 2014

 

 

 

 

 

ББК 68.516

Г 56

УДК 140.8;141.2+62:1;681.51+620.9:001.891.57;621.311

 

Рецензенты:

Б.И. Кудрин, доктор технических наук, профессор;

Л.И. Двойрис, доктор технических наук, профессор;

В.С. Богомолов, доктор технических наук, профессор.

 

Гнатюк В.И.

Закон оптимального построения техноценозов. – Компьютерная версия, перераб. и доп. – М.: Изд-во ТГУ – Центр системных исследований, 2005 – 2014.

 

Свидетельство о государственной регистрации от 15.07.2005 № 5045.

Международный стандартный номер книги – ISBN 5-7511-1942-8.

Адрес монографии в сети Интернет – http://gnatukvi.ru/ind.html.

 

 

 

Аннотация. В книге рассматриваются философские и математические основания, а также методологическое содержание и прикладные следствия закона оптимального построения техноценозов. Дается принципиально новое определение техники и технической реальности в онтологическом ряду: «неживая – биологическая – техническая – гипертехническая». Показывается ключевое эволюционное значение информации. Вводится критериальная система, на основе которой формируется классификационная таблица и делается вывод о том, что техническая реальность в настоящее время является высшей формой организации материи окружающего мира. Подробно разбираются методологические основы оптимального управления техноценозами. Излагается методология рангового анализа как специального инструмента техноценологического метода исследования больших технических систем определенного класса, базирующегося на трех основаниях: технократическом подходе к окружающей реальности как третьей научной картине мира; понятии техноценоза; негауссовой математической статистике устойчивых безгранично делимых гиперболических распределений. Обосновываются критерии и алгоритмы номенклатурной и параметрической оптимизации техноценозов. Обсуждаются процедуры интегрирования ранговых и видовых распределений, а также применения к ним первого и второго начал термодинамики. Формулируется закон оптимального построения техноценозов как следствие применения начал термодинамики к объектам ценологического типа. Дается математическое обоснование закона, а также следующая из него стройная критериально-алгоритмическая система. Отдельно подробно рассматриваются процедуры параметрического нормирования и синтеза в техноценозах. В качестве прикладного следствия открытого закона обосновывается теоретически и раскрывается содержательно методика оптимального управления электропотреблением на системном уровне, включающая процедуры рангового анализа (интервального оценивания, прогнозирования и нормирования). Впервые теоретически и содержательно обосновывается этап интервального оценивания, опирающийся на особые свойства ципфовых распределений и позволяющий выявить объекты, аномально потребляющие электроэнергию. Вводятся понятия тонких процедур рангового анализа: дифлекс-анализа (на этапе интервального оценивания), GZ-анализа (на этапе прогнозирования) и ASR-анализа (на этапе нормирования). Значительное внимание уделяется процедуре прогнозирования электропотребления как стержневой в процессе энергосбережения на системном уровне и оптимального управления электропотреблением. Далее раскрывается методология динамического моделирования и оптимизации процессов электропотребления, опирающаяся на уравнения закона оптимального построения техноценозов. Весьма подробно рассматриваются процедуры GZ-анализа распределений и оценки адекватности моделирования. Вводится понятие коэффициента когерентности объектов техноценоза, а также эвристического и критериального вариантов GZ-анализа в процессе прогнозирования. Для примера программной реализации методологии выбран расположенный на территории Калининградской области крупный инфраструктурный объект. Разработана база данных по электропотреблению объекта за десять лет. В результате глубокой статистической обработки осуществлены верификация базы данных, а также проверка на Н-распределение, получены и аппроксимированы ранговые параметрические распределения, выполнено интервальное оценивание, прогнозирование и нормирование электропотребления (включая тонкие процедуры рангового анализа). С помощью динамической модели выполнена на двух уровнях оптимизация электропотребления и оценен ценологический потенциал энергосбережения техноценоза при различных вариантах изменения тарифной политики на рынке электроэнергии. Показан весьма высокий эффект от внедрения методологии, а также подтверждена адекватность модели. Приводятся расчетные программы, позволяющие эффективно реализовывать методологию в пакете Mathcad-2001i. Все программы полнофункциональны и сопровождаются подробными комментариями. Состав и подробное описание программного комплекса можно посмотреть здесь. В сети Интернет по адресу http://gnatukvi.ru/zip_files/task_mcd.zip все программы можно закачать и затем опробовать на своем компьютере. Рекомендуется практикам-руководителям, осуществляющим управление предприятиями, организациями, городами и регионами, а также исследователям, работающим в области оптимального построения больших систем, теории эффективности, ценологических методов анализа и синтеза, электроснабжения и энергосбережения. Монография может быть использована докторантами, аспирантами, адъюнктами, соискателями и магистрантами, а также студентами при изучении дисциплин: Электроснабжение, Энергосбережение, Системный анализ, Информатика, Информационные технологии, Физика, Математика, Методы оптимизации, Теория эффективности, Моделирование систем, Концепции современного естествознания, Философия.

 

Благодарности. При написании ряда параграфов монографии автором в той или иной степени были использованы результаты исследований, выполнявшихся в разные годы совместно с учениками. Пользуясь случаем, хочется выразить искреннюю благодарность талантливым ученым С.В. Барабанову, А.Е. Северину, С.Н. Гринкевичу, Д.В. Луценко, П.Ю. Дюндику, А.М. Дубовику, О.Р. Кивчуну и А.А. Шейнину за многолетнюю плодотворную совместную работу. Нашим постоянным консультантом по вопросам математики, а также применения прикладных пакетов программного обеспечения являлся один из ведущих специалистов в области теории вероятностей и математической статистики Л.И. Двойрис. Существенную помощь в трудных вопросах внедрения методологии нам постоянно оказывали талантливые менеджеры А.А. Меркулов, В.Ю. Рядинский, П.П. Гриценко и О.Н. Рыбалкин. Большое значение для автора имело творческое влияние крупных ученых, внесших наибольший вклад в ценологическую теорию: Б.В. Жилина, Ю.К. Крылова, А.Н. Кузьминова, О.Е. Лагуткина, Г.М. Лебедева, А.П. Левича, В.К. Лозенко, Ю.В. Матюниной, И.И. Надтоки, В.В. Никитаева, Ю.К. Орлова, М.Г. Ошуркова, В.И. Пантелеева, А.И. Половинкина, В.В. Прокопчика, В.М. Розина, Б.А. Трубникова, В.В. Фуфаева, С.Д. Хайтуна, С.А. Цырука, Ю.В. Чайковского, Ю.А. Шрейдера, А.Е. Якимова. Автор выражает признательность профессору В.С. Богомолову за многочисленные ценные замечания. Особую благодарность автор выражает своему учителю профессору Б.И. Кудрину.

 

 

 

Монография существует в трех вариантах: печатном, компьютерном и сетевом. Приобрести ее в печатном или компьютерном (на CD-диске) варианте можно обратившись в Калининградский инновационный центр «Техноценоз» по адресу: alex.merkulov@mail.ru либо к автору по адресу: mail@gnatukvi.ru. Компьютерный вариант на CD-диске, помимо самой книги, содержит тексты и описания mathcad-программ, а также презентационные материалы. Закачать архив с бланком заказа можно здесь. В Интернет полнотекстовый компьютерный вариант книги можно найти на сайте В.И. Гнатюка «Техника, техносфера, энергосбережение» (адрес: http://www.gnatukvi.ru). Мобильная версия сайта находится по адресу: http://gnatukvi.ru/pda. По содержанию данная версия дублирует основную, однако по форме она оптимизирована с учетом возможностей коммуникаторов и смартфонов. Кроме того, мобильную версию сайта можно просматривать и с помощью мобильного телефона, оснащенного web-браузером, поддерживающим html-формат.

 

Гиперструктура. Все пункты оглавления книги, которое приведено ниже, сопровождаются относительными гиперссылками, по которым можно открыть соответствующие параграфы монографии в новом окне. В начале каждого параграфа приводится перечень ключевых понятий, рассматриваемых в данном параграфе. Каждое из понятий также сопровождается относительной гиперссылкой, по которой можно сразу уйти в нужное место параграфа. В начале тезауруса приводится полный перечень терминов и определений, на отдельных из которых установлены относительные гиперссылки, по которым можно сразу перейти на соответствующую алфавитную группу терминов. Гиперссылки с относительной адресацией работают как в сетевом, так и в автономном варианте использования книги на любом компьютере. Часть ссылок адресованы на файлы, размещенные в Интернет. Следовательно, при автономном использовании книги, данные ссылки работать не будут. Все гиперссылки обозначены темно-синим цветом без подчеркивания.

 

Архивы. В книге есть ссылки на файлы, которые можно закачать из сети Интернет на свой компьютер, распаковать и использовать по своему усмотрению (при единственном условии – соблюдении авторских прав). Безопасность предлагаемых материалов гарантируется. Следует иметь в виду, что физически файловый архив содержится на сервере gnatukvi.ru. Для закачки файла следует щелкнуть по соответствующей гиперссылке. После этого возможно появление в новом окне информационной страницы, подгружаемой провайдером, на которой требуется еще одним щелчком по той же гиперссылке подтвердить закачку. После этого должно появиться окно с вопросом, что необходимо делать с файлом. Следует вновь подтвердить его сохранение с указанием места на своем компьютере. Далее возможно появление предупреждения системы безопасности компьютера пользователя, которое должно быть проигнорировано. Закачка файла происходит автоматически с помощью программы-качалки, которая для этих целей определена в системе по умолчанию. По завершении процесса закачки необходимо файл распаковать и для опробования запустить. В случае неполадок с файлом процедуру закачки следует повторить (архивы в Интернете корректно закачиваются далеко не всегда). Следует учитывать, что если в настройках безопасности компьютера пользователя ранее установлен запрет на закачку файлов из сети, то данная операция, естественно, будет невозможна вплоть до перенастройки системы.

 

Технологической особенностью данной монографии является то, что она оптимизирована для использования в качестве обозревателя программы MS Internet Explorer версий от 5.0.0 и выше.

 

 

 

ОТ ИЗДАТЕЛЯ

 

Калининградский инновационный центр «ТЕХНОЦЕНОЗ»:

- повышение деловой активности и развитие инновационного бизнеса

- продвижение высокотехнологичных научно-внедренческих проектов

- фундаментальные и прикладные исследования на уровне «ноу-хау»

 

Настоящая книга вышла в свет благодаря содействию Калининградского инновационного центра «Техноценоз» (гендиректор – Александр Алексеевич Меркулов). Подобное предприятие есть явление принципиально новое для постсоветсткой российской действительности. Новизна заключается в том, что в данном случае отечественный бизнес ставит перед собой задачу не только инновационного преобразования промышленности, но и полноценного финансирования фундаментальных исследований. По сути, мы имеем дело с зарождением в России настоящего венчурного бизнеса и на его основе развитием инновационного предпринимательства. Известно, что российской научной школой подготовлено порядка 12 % от общемирового количества специалистов высшей квалификации (кандидатов и докторов наук). Однако при этом отечественные предприятия обладают лишь 0,2 % наукоемких разработок и высоких технологий. Для всех очевидны две основные причины подобного положения дел. Во-первых, это пресловутая «утечка мозгов». Россию с начала 90-х годов прошлого века покинуло около миллиона ученых. Во-вторых, в стране (особенно в регионах) в настоящее время практически отсутствует полноценный венчурный бизнес. Очевидно, что вторая причина в значительной степени определяет первую. Из многочисленных социологических опросов известно, что подавляющее большинство ученых «убегает» за рубеж не от низких заработков, а в основном из-за невозможности реализовать на практике свои научные достижения. Каков же путь вывода нашей науки из глубочайшего системного кризиса? Президент России его видит, прежде всего, в «…реализации программы создания, развития и поддержки технопарков, которые призваны стать центрами высоких технологий и формирования экономики нового, инновационного типа». Существенный вклад в решение задачи, наряду с федеральными, внесут так называемые региональные технопарки, функционирующие как высокоэффективный синтез бизнеса и науки. Региональный технопарк базируется на технологической площадке, включающей в себя два важнейших компонента: инновационный центр, работающий в основном по принципу венчурной компании, а также научно-производственный центр, занимающийся фундаментальными и прикладными исследованиями с внедрением в IT-продукты. Таким образом, региональный технопарк позволяет получить сверхсуммарный синергетический эффект от взаимодействия науки, инновационного и маркетингового бизнеса. К основным задачам, решаемым на базе КИЦ «Техноценоз», следует отнести: улучшение инвестиционного климата, повышение деловой активности, расширение экспортных возможностей в секторе малого и среднего инновационного предпринимательства; обеспечение оптимальных организационных и финансовых условий для реализации сложных научно-технических проектов; высвобождение ресурсов для венчурного финансирования фундаментальных исследований и на этой основе развития региональной академической и вузовской науки; создание дополнительных рабочих мест для научных сотрудников, снижение оттока кадров из наукоемких отраслей; создание условий для реализации творческих идей и проектов студентов, аспирантов, молодых инженеров и ученых; привлечение инновационных компаний и научных коллективов из соседних регионов с целью создания международного центра экономического роста; участие в формировании региональной политики, направленной на структурную перестройку в пользу эффективных хозяйствующих субъектов, а также предприятий, выпускающих продукцию с высокой добавленной стоимостью.

 

 

 

КРАТКОЕ ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Предлагаемая книга посвящена философскому осмыслению, математическому описанию и практическому приложению нового и малоизученного понятия – техноценоза. По сути, материал данной книги позволит читателю соприкоснуться с передовыми рубежами современной науки, изучающей технику, техническую реальность и техноэволюцию. Примерно со второй половины XX века ученые и практики стали все чаще и чаще замечать, что традиционные методы расчета, проектирования и прогнозирования больших технических систем, основанные на классической математической статистике, далеко не всегда дают корректные результаты. Так, построенное и пущенное в ход промышленное предприятие может потреблять электроэнергии в два и более раз меньше, чем было рассчитано на стадии проектирования. Огромная электростанция десятки лет остается постоянно загруженной лишь на 20 – 30 %, а большой город в зимнюю стужу может в одночасье полностью лишиться теплоснабжения. В чем причина подобных крупных ошибок, приводящих к тяжелым техногенным катастрофам, а также неэффективному расходованию миллиардов долларов? Видеть проблему только в нерадивости проектировщиков и управленцев было бы в корне неверным. Причина лежит гораздо глубже. Дело в том, что мы зачастую пытаемся в процессе создания и управления большими техническими системами типа крупное предприятие, организация, район, город, регион применять методологию, которая предназначена исключительно для отдельных технических изделий. А это ошибочно, данные объекты – техноценозы обладают существенной спецификой. Человек создает техническую реальность, что для большинства из нас очевидно. Однако есть другой, далеко не очевидный вопрос: а управляет ли человек в полном смысле этого слова плодами рук своих? Есть ли на современном промышленном предприятии хоть один менеджер, который честно может ответить на подобный вопрос вполне утвердительно? Скорее всего – нет. Большинство из них, не покривив душой, скажет, что наоборот, это технические изделия, технологические процессы и окружающая инфраструктура в основном «управляют» людьми, работающими на предприятии. Директора, заместители, руководители цехов и служб зачастую воспринимают происходящие вокруг них процессы как довольно слабо управляемую и трудно прогнозируемую стихию, а важные управленческие решения принимают чисто интуитивно, руководствуясь личным опытом и советами подчиненных. Отсюда масса серьезных промахов и ошибок, создающих опасность техногенных катастроф, весьма существенно снижающих эффективность производства и в конечном итоге делающих многие предприятия неконкурентоспособными. Для эффективного управления всем руководителям от начальника смены до генерального директора, от инженера ЖЭУ до губернатора, от начальника отдела до министра надо внедрять новую методологию, основанную на техноценологических подходах. Это позволит корректно в реальном масштабе времени обрабатывать поступающую информацию, постоянно видеть свои предприятие, регион, организацию как целостную систему и быстро принимать адекватные управленческие решения.

 

Уважаемые друзья! Книгу следует просматривать с помощью браузера Internet Explorer

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

ВВЕДЕНИЕ

 

1. ФИЛОСОФСКИЕ ОСНОВАНИЯ ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА

1.1. История становления понятия техники

1.2. Современное осмысление техники

1.3. Техническая реальность в окружающем мире

1.4. Гипертехническая реальность и гиперценоз

1.5. Нравственность в техноценологическом контексте

1.6. Истоки и содержание техноэволюции

1.7. Фундаментальные основы изучения техноценоза

1.8. Оптимальное управление техноценозом

 

2. МЕТОДОЛОГИЯ РАНГОВОГО АНАЛИЗА

2.1. Общее содержание рангового анализа

2.2. Построение ранговых и видовых распределений

2.3. Оптимизационные процедуры рангового анализа

2.4. Тонкие процедуры рангового анализа

 

3. КРИТЕРИАЛЬНО-АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАКОНА ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЦЕНОЗОВ

3.1. Теоретические основы оптимизации техноценозов

3.2. Алгоритмы номенклатурной и параметрической оптимизации

3.3. Критерии оптимизации техноценоза

3.4. Параметрическое нормирование в техноценозе

 

4. ЗАКОН ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЦЕНОЗОВ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

4.1. Методика оптимального управления электропотреблением техноценоза

4.2. Моделирование процесса электропотребления объектов техноценоза

4.3. Эффективность и потенциал энергосбережения на объектах техноценоза

4.4. Структура GZ-модуля динамической адаптивной модели

4.5. Тонкие процедуры рангового анализа в задачах энергосбережения

4.5.1. GZ-анализ рангового параметрического распределения

4.5.2. Предельный алгоритм нормирования электропотребления

4.6. Практическая реализация разработанной методологии

4.7. Проверка адекватности полученных результатов моделирования

 

5. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОЛОГИИ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ В ПАКЕТЕ MATHCAD

5.1. Первичная обработка статистической информации по техноценозу

5.1.1. Импорт, сортировка и визуализация данных

5.1.2. Верификация исходной базы данных по электропотреблению

5.1.3. Проверка данных на соответствие критериям Н-распределения

5.1.4. Аппроксимация ранговых распределений

5.2. Построение статической модели электропотребления

5.2.1. Интервальное оценивание процесса электропотребления объектами техноценоза

5.2.2. Прогнозирование электропотребления в техноценозе:

- G-метод прогнозирования (с использованием ДВР)

- G-метод прогнозирования (с использованием АГК)

- Z-метод прогнозирования (с использованием ТЦМ)

5.2.3. Нормирование электропотребления объектами техноценоза

5.3. Реализация динамической модели электропотребления

5.3.1. Оценка потенциала энергосбережения техноценоза

5.3.2. Определение первоочередных объектов для углубленного энергетического обследования

5.3.3. Оценка адекватности работы динамической адаптивной модели

5.4. Выполнение тонких процедур рангового анализа

5.4.1. Обработка ранговой параметрической поверхности методом «Singular spectrum analysis»

5.4.2. GZ-анализ рангового параметрического распределения по электропотреблению

5.4.3. Классификация объектов техноценоза по электропотреблению

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Имитационное моделирование электропотребления

2. Информационно-аналитический комплекс

3. Генератор негауссовой выборки техноценологического типа

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Актуальные статьи:

- Электроэнергетическая проблема Калининградской области, 1994 – 2001

- О стратегии развития регионального электроэнергетического комплекса Калининградской области, 2008

2. Обучающие курсы:

- Цели, задачи и содержание специального курса «VIP-образование»

- Раздел дисциплины Концепции современного естествознания

- Интерактивная экспертная система для формулирования атрибутов и разработки план-проспекта диссертационного исследования

 

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

СЕРИЯ ВЫПУСКОВ «ЦЕНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ»

 

 

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

 

Фото В.И. Гнатюка

Виктор Иванович Гнатюкдоктор технических наук, профессор, академик РАЕН. Автор свыше 400 научных трудов, в числе которых: 10 монографий, 2 учебника, 40 книг и брошюр, 20 изобретений, 48 отчетов по НИР. Один из ведущих специалистов в области рангового анализа техноценозов. Руководит научной школой, имеет 8 учеников – успешно защитившихся кандидатов наук. В 1995 г. открыл закон оптимального построения техноценозов. В настоящее время совместно с коллегами реализует методологию оптимального управления электропотреблением.

 

 

 

Минимальные программно-аппаратные требования. Win 98 / Office. Требуется корректное воспроизведение файлов: *.html, *.htm, *.xml, *.mso, *.jpg, *.gif, *.png, *.wmz, *.xls. Смысловые выделения, акценты, заголовки и подзаголовки подняты полужирным шрифтом. Гиперссылки обозначены темно-синим цветом. Оптимальное разрешение экрана – 800 на 600. Активные элементы не используются. Полная безопасность предлагаемых zip-архивов гарантируется. Для реализации файлов информационно-аналитического комплекса потребуется Mathcad версий от 2001i и выше. В качестве обозревателя целесообразно использовать Internet Explorer 5.0 и выше. Пользователям важно понимать, что применение любых других обозревателей не гарантирует, прежде всего, воспроизведение фотографий, графических материалов и рисунков, а также математических формул, которые созданы в виде графических объектов с расширением *.wmz.

 

 

Виктор Иванович Гнатюк

ЗАКОН ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЦЕНОЗОВ

Компьютерная версия, переработанная и дополненная, 2005 – 2014. Свидетельство о государственной регистрации: от 15.07.2005 № 5045. Международный стандартный номер монографии: ISBN 5-7511-1942-8. Постоянный адрес сетевого варианта книги – http://gnatukvi.ru/ind.html.

 

 

© КИЦ «Техноценоз», 2005

Право распространения книги на территории России в течение трех лет. Адрес: 236000, Россия, г. Калининград, Советский проспект, 1, офис 477, Калининградский инновационный центр «Техноценоз»; +7 (4012) 99-59-82; +7 (906) 213-39-86; e-mail: alex.merkulov@mail.ru, http://technocenose.ru.

 

© Гнатюк В.И., 2005

Общее редактирование монографии, кодинг, дизайн и web-поддержка. Адрес: 236005, Россия, г. Калининград, ул. Летний проезд, д. 31, кв. 12; т. +7 (4012) 66-12-86; +7 (911) 451-93-68; skype:gnatukvi; mail@gnatukvi.ru.

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru

Copyright © 2000-14 by V.I. Gnatyuk

При использовании материалов ссылки обязательны

Все права защищены © Гнатюк В.И., 2005

Последнее обновление – 01.01.2014