Гнатюк В.И. Закон оптимального построения техноценозов, 2005 – главная страница

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

 

 

 

 

«Спускаться, таким образом, до ходячих понятий, без сомнения, очень похвально, если перед этим мы поднялись до принципов чистого разума и получили при этом полное удовлетворение».

И. Кант

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

 

Примерно со второй половины XX века ученые и практики стали все чаще замечать, что традиционные методы расчета, проектирования и прогнозирования 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 ошибок, приводящих к техногенным катастрофам, а также неэффективному расходованию миллиардов долларов (причем не только в России)? Видеть проблему только в нерадивости проектировщиков и управленцев было бы в корне неверным. Причина гораздо глубже. Дело в том, что мы зачастую пытаемся в процессе создания и управления большими техническими системами типа крупное предприятие, город, регион применять методологию, в принципе аналогичную той, которая предназначена для отдельных технических изделий.

Однако уже на протяжении последних нескольких десятков лет в России и за рубежом в различных областях науки используется теория, изучающая структуру различных систем, состоящих из слабозависимых и слабовзаимодействующих элементов, таких, как облака аэрозолей или сообщества растений и животных, образующих перелесок, луг, болото. Аналогично исследуются другие объекты: информационные системы (тексты, проекты и др.), распределение доходов, банковские и другие финансовые структуры. Оказалось, что теория применима и к техническим системам, будь то крупное промышленное предприятие, исследуемое по составу установленного и ремонтируемого оборудования, либо город по составу и величине отдельных промышленных предприятий, потреблению каждым из них электроэнергии, составу и стоимости выпускаемой продукции. Ключевым понятием теории является ценоз – физический, биологический, технический (техноценоз), информационный, социальный.

Автор данной книги в настоящее время активно развивает теорию техноценозов. Наибольших успехов он добился в исследовании путей их оптимального построения, применяя при этом фундаментальные начала термодинамики (закон сохранения энергии и принцип максимума энтропии). Ранее полезность подобного подхода подтверждена работами Ю.А. Шрейдера, С.Д. Хайтуна, В.В. Фуфаева, Б.В. Жилина и др. Однако автору впервые удалось достаточно подробно математически описать начала термодинамики в понятиях техноценологического подхода. В конечном итоге он выводит закон оптимального построения техноценозов, который является следствием более общего закона информационного отбора. Подобная постановка вопроса представляется весьма полезной и сулит существенные перспективы, хотя и требует дальнейшего обоснования и проверки. В любом случае именно закон оптимального построения техноценозов является стержневым и наиболее перспективным теоретическим положением монографии, которая в этом смысле логически продолжает ряд книг, опубликованных В.И. Гнатюком ранее.

Очевидно, что ключевым здесь является выделение и математическое описание техноценоза как некоторого системного объекта. Каждый такой объект при абстрактном его рассмотрении существует в пространстве и времени (здесь и сейчас) и состоит из элементарных особей-штук (автономный источник питания, электродвигатель) или, для непрерывных величин, из наименьших (элементарных) единиц, принятых по условиям делимости и наблюдений (измерение веса метизов, длины прокладываемых кабелей, напряженности электромагнитного поля, величины тока и др.). Не теряя общности, далее можно говорить лишь о дискретных величинах, и тогда за элементарный объект можно принимать единичное изделие, выделяемое документально при конструировании, изготовлении, установке на месте эксплуатации, функционировании, утилизации.

На само множество элементов, образующих объект, накладываются два условия: их количество практически бесконечно (математически – счетно), а сами элементы настолько качественно отличаются друг от друга, что каждая особь может быть отнесена к тому или иному виду, образуя иерархию «вид – род – семейство». Причем количество видов также практически бесконечно, но увеличение числа видов всякий раз возрастает существенно медленнее, чем растет число особей (равномощность, в смысле Кантора, здесь не обсуждается). Песок при таком подходе в представлениях о нем Архимеда (хотя куча песка и состоит из практически бесконечного числа песчинок) не является объектом в нашем понимании не только по причине отсутствия для песчинок как особей родовидовых отношений, но и вследствие наличия количественной разницы по основному параметру для особей нашего объекта на порядок и даже на десять и более порядков. Например, на крупных заводах единичная мощность электрических двигателей учитывается от 0,25 до 30000 кВт (еще одно ценологическое свойство: мы директивно «договорились», что электродвигатели меньшей мощности исключаются из отчетности по электрическому хозяйству, т.е. это не двигатели, а аппаратура). Примечательно, что автору монографии удалось, как с философской, так и с математической точек зрения, показать и подробно разобрать обсуждаемую здесь разницу между так называемыми «гауссовыми» и «ципфовыми» системами.

Существенно представление связей между элементами, образующими ценоз. Вероятностные корреляционно значимые (подобные паре «хищник – жертва» Вольтерра), а тем более функциональные связи между любыми парами элементов единичны относительно общего количества элементов, абсолютное большинство которых связаны слабо, корреляционно незначимо; отсутствует зависимость «если, то». В целом множество связей, включая слабые, более мощно, по Кантору, чем счетность элементов объекта. К примеру, техноценологическая связанность может проявляться для множества электроприемников третьего уровня системы электроснабжения (двухтрансформаторная подстанция 10(6)/0,4 кВ), т.е. для количества электродвигателей от 150 – 200 штук-особей. Выделение такого техноценоза как целостности предполагает одномоментное конвенционное (следовательно, субъективное) выделение: во-первых, самого объекта; во-вторых, исследуемого семейства с введением родовидовых понятий; в-третьих, отдельного элемента-особи – в постановке вопроса о пространственно-временных границах объекта.

Таким образом, мы вместе с автором монографии конструируем абстрактный объект с конвенционными (размытыми или жестко определенными) границами, состоящий из практически бесконечного (счетного) количества слабосвязанных и слабовзаимодействующих элементов-особей, классифицируемых по видам. Такой абстрактный объект есть объект трансцендентный, потому что его выделение лишь субъективно, а количество особей, видов и связей бесконечно. Но суть не в «дурной бесконечности», а в качественном многообразии видов и связей (особей как индивидов и как представителей вида), что индивидуализирует объект и делает: а) невозможным адекватное описание объекта количественными показателями; б) сколь угодно различными два объекта с одинаковыми основными показателями; в) необходимым фиксирование объекта на шкале времени (вектор эволюции однонаправлен и необратим).

Возможность выделения техноценоза как объекта тесно связана с выделением элемента-особи. Достаточно большие параметры элемента задают «громадные размеры» техноценоза. Главные приводы прокатных станов в рамках одного завода не образуют ценоз (по причине малочисленности и превалирования жестких технологически обусловленных связей), но при этом входят в техноценоз «все электродвигатели завода», равно как и в ценоз «все главные приводы отрасли». Уменьшение параметров элемента даже в пределах одного рассматриваемого семейства уменьшает, и значительно, размеры объекта, так что образуется определенная вложенность ценозов. Причем «меньший» объект не обязательно находится в границах большего.

Невозможно описать ценоз, описывая сколь угодно исчерпывающе отдельный элемент-особь, наделенный способностью мигрировать. Ценоз не созерцаем как цельность, мы можем лишь «выхватить нечто», которое поддается нашим органам чувств, пусть и усиленным инструментально. Но это «нечто» чаще не характеризует ценоз, а если характеризует, всегда лишь частично. Ценоз не может стать объектом опыта (не в смысле единства умений и знаний, а в смысле невозможности физического опыта, экспериментального воспроизведения поведения всего множества, например, электрооборудования; не в смысле обобщенного режима электрических сетей и систем, а в смысле надежности, ремонта, технологического управления и др.). К нему не применимы основные кибернетические представления: наличие входа, выхода, обратной связи в классическом виде или с дополнениями на состояние системы; управляющие воздействия, операторы переходов и выходов, реализующие управление и состояние; наконец, само пространство параметров агрегата-системы. Наш объект самоорганизуется в смысле структурирования, причем видовое разнообразие для дискретных и ранговое распределение для непрерывных величин находятся в строго определенных границах некоторого канонического распределения. Характеристические показатели данного распределения проверены эмпирически и показано, что выход за количественные пределы ведет к потере устойчивости ценоза, т.е. объект качественно переходит в иное состояние. Весьма важным представляется то, что автор монографии подобные концептуальные положения впервые смог облечь в строгую математическую форму уравнений закона оптимального построения техноценозов.

Осмысление техноценологического подхода вообще и рангового анализа в частности зачастую наталкивается на барьеры традиционного мировоззренческого антропоцентризма. Кроме того, в своем большинстве современные философы в понимании техники совсем не далеко ушли от примитивного капповского детерминизма. Все это делает уместным философское осмысление технической реальности, выполненное в первой главе монографии. Оно не только показывает мировоззренческую зрелость автора, но и помогает читателю подготовиться к восприятию материала остальных глав. Ряд мыслей и выводов здесь спорны, однако несомненно то, что мы имеем дело с глубокой рефлексией, которой должны сопровождаться любые исследования квалифицированного технария.

Констатируя общее направление развития Вселенной от неживой реальности к биологической и далее – технической, автор вводит оригинальную критериальную систему, делает продуктивные выводы и особым образом обсуждает, хоть и в самых общих чертах, далекое будущее технической реальности. При этом он вводит понятие некой гипотетической реальности, следующей после технической. Она названа гипертехнической. Формальная логика развития с учетом принятой критериальной системы позволяет предположить, что ее будет характеризовать появление высших материальных форм, состоящих из совокупности ценозов и называемых гиперценозами. Единичным эволюционирующим объектом при этом становится часть гиперценоза, а отбор – внутриорганизменным. Это позволит достичь сверхвысокой скорости эволюции. Однако главным видится то, что именно на этом уровне развития материи впервые единичный объект эволюции перестанет отрицаться собственно эволюционным отбором. Основные мысли автора наглядно показаны в его оригинальной классификационной таблице, где все три реальности обобщаются в рамках принятой критериальной системы. Таким образом, мы, безусловно, здесь видим существенный творческий шаг вперед в осмыслении технической реальности.

Весьма интересным представляется приложение сугубо теоретических положений закона оптимального построения техноценозов к такой важной практической отрасли, как оптимальное управление электропотреблением на системном уровне. В настоящее время данной проблемой весьма плодотворно занимаются две российские научные школы: новомосковская и калининградская. Последнюю создал и возглавляет автор монографии.

Мотивация исследований здесь вполне понятна. Энергоемкость российской продукции в 3 – 4 раза выше, чем в развитых европейских странах и США, и в 7 раз выше, чем в Японии. В последние 10 – 15 лет этот показатель у нас только продолжает из года в год ухудшаться. Примечательно, что здесь мы резко контрастируем с некоторыми бывшими республиками СССР, ныне независимыми государствами. Примером может служить Литва, где за последние несколько лет отмечается устойчивый рост промышленного производства при неизменном уровне потребления электроэнергии. Думается, ситуация и не изменится, если мы не пойдем по пути, пройденному США, Германией, Японией и другими странами с начала энергетического кризиса 70-х годов XX века, когда на практике стали использоваться методы исследования и оптимизации больших электротехнических и электроэнергетических комплексов и систем.

Автор предлагает оптимизацию электропотребления на системном уровне осуществлять в рамках связанной методики в четыре этапа. На этапе анализа электропотребления техноценоза по специально разработанным формам запроса осуществляется сбор данных обо всех потребителях электроэнергии. Это позволяет получить развернутую картину электропотребления, выявить объекты, которые обеспечиваются электроэнергией с нарушением существующих организационно-технических требований, подготовить электронную базу данных для дальнейшего многофакторного анализа. На этапе статистического анализа и построения эмпирической модели процесса электропотребления осуществляется статистическая обработка данных по электропотреблению, которая включает интервальное оценивание, а также ранговый и кластерный анализ. Ранговый анализ позволяет упорядочить информацию, осуществить прогнозирование электропотребления отдельными объектами и техноценозом в целом, интервальное оценивание выявляет в динамике и наглядно представляет объекты с аномальным электропотреблением. Кластерный анализ позволяет разбить объекты по группам и осуществить нормирование электропотребления объектов в каждой группе с подробным статистическим описанием норм.

Статическая модель электропотребления, стержнем которой является глубокая детерминированная обработка данных посредством процедур рангового, интервального и кластерного анализа, дополняется динамической адаптивной моделью, отражающей процесс электропотребления объектов техноценоза на глубину в будущем 5 – 7 лет и более. При этом ключевым является наличие обратной связи, корректирующей исходную базу данных по электропотреблению на основе результатов текущего моделирования. Динамический характер модели придает развитая система входных параметров, отражающих свойства и внешние условия функционирования объектов техноценоза, а также стохастический аналитический аппарат, основанный на имитационных принципах моделирования. Результаты практической реализации и моделирования показывают, что даже в условиях средних (с точки зрения установленной мощности) техноценозов возможна экономия миллионов долларов в течение ближайших нескольких лет за счет внедрения методологии оптимального управления электропотреблением без существенных капитальных вложений.

Таким образом, формулируя в рамках нашей третьей научной картины мира новый взгляд и выделяя объект в иерархии: «единичное изделие – техноценоз – техносфера», автор получает новое знание «a priori», опираясь на последующее исследование структуры техноценозов математическим аппаратом гиперболических Н-распределений. Окружающий технический мир с появлением изделий (машин) начал структурироваться, проявляя ценологические свойства, присущие любой реальности. Принципиально важным является осознание необычности этих свойств, математически проявляющихся в отсутствии математического ожидания и бесконечности дисперсии. Как видим, такое осознание дает мощный инструмент при принятии управленческих решений в самых различных областях человеческой деятельности, на самых разных уровнях – от мастера цеха до министра. Отдельные спорные моменты монографии и авторская интерпретация различных терминов вполне допустимы. Важен общий вывод, который заключается в том, что в монографии содержится теоретическая часть разработки научных положений, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии науки о технической реальности (технетики).

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru

При использовании материалов ссылки обязательны

Все права защищены © Гнатюк В.И., 2005

E-mail: mail@gnatukvi.ru