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

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

 

 

 

Моей жене Анне и дочери

Надежде посвящается

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

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 данный вопрос утвердительно? Скорее всего – нет. Большинство из них 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 трудно управляемую и трудно прогнозируемую стихию, а управленческие решения принимают чисто интуитивно, руководствуясь личным опытом и советами подчиненных. Отсюда масса промахов и ошибок, создающих опасность техногенных катастроф, снижающих эффективность производства и в конечном итоге делающих предприятия неконкурентоспособными. Для эффективного управления современным промышленным предприятием всем руководителям от начальника смены до генерального директора надо овладевать и внедрять новую методологию, основанную на техноценологических подходах. Это позволит корректно в реальном масштабе времени обрабатывать поступающую статистическую информацию, постоянно видеть свое предприятие как целостную систему и быстро принимать адекватные управленческие решения.

Если внимательно подсчитать, то становится понятным, что техноценологической теории уже более тридцати лет. Сформулирован закон информационного отбора, закладывающий основы третьей научной картины мира. Открыта новая страница в понимании окружающей действительности. Мы начинаем отрываться от исторически сложившегося антропоцентризма. Это дает некоторое понимание Цели. Немного грустно и непривычно осознавать, что вокруг нас зарождается реальность, потенциально более высокая, чем мы сами. Оказывается, мир намного сложнее, чем мы даже могли предположить. Более того, его сложность заключается не только и не столько в относительной ограниченности наших познавательных способностей. Просто мир развивается, в том числе и на наших глазах. В нем возникают формы, превосходящие по сложности биологический разум и находящиеся на более высокой ступени эволюционного развития. Мы уже наблюдаем вокруг себя зародыши реальности, трансцендентной по отношению к нам самим, – это реальность техническая. Сказать, что многие это понимают, было бы неверным, однако зерно сомнения посеяно. Возникла научная школа, активно развивающая техноценологическую теорию по ряду направлений.

Первое из них посвящено философскому осмыслению таких фундаментальных понятий, как техника, техноценоз, техническая реальность, техноэволюция, ранговый анализ. Неантропоцентрический подход и понимание особой роли информации в глобальном эволюционном процессе позволили увидеть в окружающей действительности общее и поставить существующие реальности в равномощный онтологический ряд «неживая – биологическая – техническая». Более того, удалось сформулировать ряд предположений относительно далекого будущего технической реальности, а также той роли, которая в глобальном эволюционном процессе уготована биологическому разуму.

Второе направление развития теории непосредственно связано с фундаментальным понятием техноценоза. Помимо общего осмысления места и роли техноценозов в технической реальности сформирована прикладная методология их исследования. Усилиями ряда научных коллективов разработан ранговый анализ как универсальный метод исследования техноценозов, имеющий целью их глубокий статистический анализ, а также оптимизацию и полагающий в качестве основного критерия форму видовых и ранговых распределений. Тем самым созданы теоретические предпосылки к непосредственному и эффективному применению методологии на практике.

Прикладная реализация составляет третье направление исследований в рамках техноценологической теории. Ввиду универсальности, сфера ее применения чрезвычайно широка. Однако в силу определенных объективных причин, наибольшее применение ранговый анализ получил при решении весьма сложных задач оптимального построения электротехнических комплексов и систем, оптимизации процессов управления электропотреблением инфраструктурных объектов, а также энергосбережения на системном уровне. Разработан широкий спектр принципиально новых эффективных методов решения задач в области электротехники и электроэнергетики, в той или иной степени связанных с процедурами номенклатурной и параметрической оптимизации гиперболических видовых и ранговых распределений. По сути, создано принципиально новое научное направление и получено решение ряда весьма крупных практических проблем, к которым ранее даже не было удовлетворительных подходов.

Калининградская научная школа техноценологических исследований с 1994 года в той или иной степени участвует в работе по всем трем направлениям. В целом исследования посвящены решению проблемы оптимального построения крупных инфраструктурных объектов на основе техноценологических методов анализа и синтеза. При этом рассматриваются следующие основные прикладные аспекты:

- разработка системной методологии долгосрочной научно-технической политики, минимизирующей затраты на всестороннее обеспечение процесса функционирования номенклатурных рядов техники в рамках отраслей национальной экономики и регионов;

- теоретическое обоснование и практическое внедрение методологии оптимального управления электропотреблением крупных инфраструктурных объектов (регионов, городов, районов, предприятий, организаций, группировок войск), позволяющей снижать затраты на электроэнергию без существенных капитальных вложений.

В качестве основной теоретической задачи научной школы рассматривается развитие техноценологических методов анализа и синтеза больших систем на основе использования аксиоматики устойчивых безгранично делимых гиперболических Н-распределений. Главное здесь – исследование путей оптимального построения крупных взаимосвязанных инфраструктурных объектов (техноценозов) на основе применения фундаментальных начал термодинамики (закона сохранения энергии и принципа максимума энтропии). К настоящему времени впервые удалось подробно математически описать начала термодинамики в понятиях техноценологического подхода. В конечном итоге удалось сформулировать закон оптимального построения техноценозов. Создана принципиально новая концепция оптимизации техноценозов, включающая процедуры номенклатурной и параметрической оптимизации. Использование концепции позволяет осуществлять эффективную научно-техническую политику в рамках отраслей национальной экономики, оптимизировать номенклатурные ряды и собственно параметры техники, минимизируя при этом затраты на всестороннее обеспечение (управление, подготовку кадров, хранение, эксплуатацию, восстановление и утилизацию).

Основным отличительным признаком предлагаемой концепции является лежащая в ее основе техноценологическая методология и холистический подход. Важнейшие преимущества концепции заключаются в том, что она обеспечивает комплексный подход, интегрируя кибернетический и параметрический уровни оптимизации. Математический аппарат, применяемый в процедурах номенклатурной и параметрической оптимизации, основывается на негауссовой (ципфовой) математике, началах термодинамики и обеспечивает свертку в одном критериальном функционале информации о параметрах значительной совокупности слабосвязанных технических изделий, функционирующих в общей инфраструктуре.

В рамках решения общей задачи выполнялись инициативные и заказные научно-исследовательские работы, а также разрабатывались докторские и кандидатские диссертации. Результаты исследований реализованы в министерствах обороны и внутренних дел, Пограничной службе, а также в Программе энергосбережения Калининградской области на 2001 – 2005 гг. (закон Калининградской области от 22 ноября 2001 г. № 91). Проведены две международные научно-технические конференции, издан сборник трудов. Разработан и размещен в Интернете по адресу http://www.gnatukvi.ru сайт «Техника, техносфера, энергосбережение», включающий перечень научных трудов, основные направления научных исследований, онлайновый консультационный пункт, раздел методических материалов, обширный файловый архив, а также полнотекстовые компьютерную монографию, методические рекомендации и большое количество научных статей. В общей сложности защищены докторская и четыре кандидатских диссертации, подготовлены 18 отчетов по НИР, получены 18 патентов на изобретения, опубликованы 5 монографий, учебник, 3 учебных пособия, 11 научных брошюр и свыше 180 статей. В настоящее время развертывается реализация разработанной и апробированной методологии в интересах предприятий и организаций Калининградского региона, а также ряда крупных промышленных предприятий России.

Автор по мере своих сил пытался внести вклад в техноценологическую теорию по всем трем направлениям. В настоящей книге представлены результаты исследований, позволивших сформулировать закон оптимального построения техноценозов, имеющий онтологические корни в античной философии, которые будут показаны в первой главе монографии. Непосредственную же методологическую основу закона составляют начала термодинамики в сочетании с техноценологическим подходом.

Античная философия упоминается здесь не без основания. Но не будем углубляться в суть вопроса, обратимся лишь к двум цитатам. В своем диалоге «Горгий» Платон говорит: «…как много значит и меж богов, и меж людей равенство – я имею в виду геометрическое равенство…» Подробный разбор «геометрического равенства» Платона показывает, что уже в античной философии были заложены основы понимания принципа максимума энтропии. Причем это понимание было очень широким и охватывало не только область естественной природы, но и социальную. Более того, если учесть, что Платон утверждает о «геометрическом равенстве» и «меж богов», то это означает, что философы того времени распространяли его и на онтологические основы Вселенной.

Обратимся к ученику Платона Аристотелю. В «Метафизике» мыслитель как минимум дважды формулирует не что иное, как закон сохранения энергии. В частности, он говорит: «…так что, как утверждают, не может что-то возникнуть, если ничего не предшествует» и «…из не-сущего возникнуть невозможно». Начало первой цитаты однозначно свидетельствует, что данная точка зрения была к тому времени уже практически общепринятой среди философов. Рефлексия в духе своего рода «протоначал термодинамики» привела античную философию к телеологическому осмыслению окружающего мира (Аристотель: «Природа ничего не делает напрасно, а было бы напрасным совершать многим то, что может быть сделано меньшим. Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей…»).

Предлагаемый автором закон оптимального построения техноценозов есть попытка, во-первых, осмыслить метафизику техноценозов, исходя из аристотелевского принципа «минимакса», во-вторых, – описать математически начала термодинамики в понятиях техноценологического подхода и, наконец, в-третьих, заложить теоретические основы под практическую концепцию оптимизации техноценозов.

Настоящая монография вбирает в себя результаты исследований, выполнявшихся автором на протяжении последних уже более чем десяти лет. В целом она продолжает, обобщает и развивает следующие опубликованные ранее монографии:

 

1. Гнатюк В.И. Моделирование и оптимизация в электроснабжении войск. – Вып. 4. Ценологические исследования. – М.: Центр системных исследований, 1997. – 216 с.

2. Гнатюк В.И. Оптимальное построение техноценозов. Теория и практика. – Вып. 9. Ценологические исследования. – М.: Центр системных исследований, 1999. – 272 с.

3. Гнатюк В.И. Закон оптимального построения техноценозов. – Вып. 29. Ценологические исследования. – М.: Изд-во ТГУ – ЦСИ, 2005. – 384 с.

4. Гнатюк В.И. Оптимальное управление электропотреблением регионального электротехнического комплекса (техноценоза): Экономические проблемы энергетического комплекса. – М.: ИНП РАН, 2006. – 147 с.

 

Ряд материалов публиковался ранее, в т.ч. и в соавторстве с коллегами. Наиболее значимыми стали компьютерные и обычные книги и брошюры:

 

             1.    Гнатюк В.И. Техноценологический подход к оптимизации системы электроснабжения войск. – Калининград: КВИ ФПС России, 1996. – 56 с.

             2.    Гнатюк В.И. Методика номенклатурной оптимизации электротехнических средств: Техноценологический подход. – Калининград: КВИ ФПС России, 1998. – 32 с.

             3.    Гнатюк В.И. Методика параметрической оптимизации электротехнических средств: Техноценологический подход. – Калининград: КВИ ФПС России, 1998. – 80 с.

             4.    Гнатюк В.И. Лекции о технике, техноценозах и техноэволюции. – Калининград: КВИ ФПС России, 1999. – 84 с.

             5.    Гнатюк В.И. Лекции о технике, техноценозах и техноэволюции. – Компьютерная версия, перераб. и доп. – Калининград: БНЦ РАЕН – КВИ ФПС России, 2000. – Архив в сети Интернет: http://gnatukvi.ru/zip_files/lexc.zip.

             6.    Гнатюк В.И. и др. Ранговый анализ техноценозов. – Калининград: БНЦ РАЕН – КВИ ФПС России, 2000. – 86 с.

             7.    Гнатюк В.И. и др. Основы разработки диссертации: Методическое пособие. – Компьютерная версия, перераб. и доп. – Калининград: КВИ ФПС России, 2003. – Архив в сети Интернет: http://gnatukvi.ru/zip_files/book.zip.

             8.    Гнатюк В.И. и др. Ранговый анализ и энергосбережение. – Калининград: КВИ ФПС России – ЗНЦ НТ РАЕН, 2003. – 120 с.

             9.    Гнатюк В.И. и др. Применение Mathcad при решении прикладных задач. – Ч. 3: Модели и методы рангового анализа. – Калининград: КПИ, 2003. – 80 с.

        10.    Гнатюк В.И. и др. Системные методы управления энергосбережением в жилищном фонде: Аналитический обзор. – Калининград: Правительство КО, BEEN, 2007. – 58 с. – Препринт. – Архив в сети Интернет: http://gnatukvi.ru/zip_files/analit_obzor.zip.

        11.    Гнатюк В.И. Оптимальное управление крупным инфраструктурным объектом (организацией, предприятием, фирмой) методами рангового анализа: Учебное пособие. – Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2007. – 176 с. – Архив в сети Интернет: http://gnatukvi.ru/zip_files/doc_zakon.zip.

 

Однако именно здесь на самом современном уровне развития рангового анализа в достаточно полной форме рассматриваются не только философские и математические основания, но и методологическое содержание, а также прикладные следствия закона оптимального построения техноценозов. То же, что часть содержания книги в той или иной степени ранее прошла апробацию у научной общественности, а также неоднократно успешно реализована на практике, думается, лишь увеличивает ее ценность.

В первой главе монографии дается современное определение техники и технической реальности в онтологическом ряду реальностей: «неживая – биологическая – техническая». Показывается ключевое эволюционное значение информации, как объективно существующей и закрепленной на определенном материальном носителе формализованной прескриптивной системы воспроизводства реальностей. Вводится критериальная система, на основе которой логически делается вывод о том, что техническая реальность в настоящее время является высшей формой организации материи окружающего мира. Делаются выводы относительно далекого будущего реальностей.

Во второй главе излагается содержание рангового анализа как метода исследования больших технических систем (техноценозов), имеющего целью их статистический анализ, а также оптимизацию и полагающего в качестве основного критерия форму видовых и ранговых распределений. При этом ранговый анализ рассматривается как важнейший инструмент техноценологического метода исследования больших технических систем определенного класса, базирующийся на трех основаниях: технократическом подходе к окружающей реальности как третьей научной картине мира; понятии техноценоза; негауссовой статистике устойчивых безгранично делимых распределений.

В третьей главе обосновываются критерии и алгоритмы номенклатурной и параметрической оптимизации. Подробно формулируется закон оптимального построения техноценозов как прямое следствие применения начал термодинамики к объектам техноценологического типа. Показывается, что оптимальным является техноценоз, в котором имеется такой набор технических изделий-особей, который, с одной стороны, по своим совокупным функциональным показателям обеспечивает выполнение поставленных задач, а с другой – характеризуется максимальной энтропией, т.е. суммарные энергетические ресурсы, воплощенные в технические изделия при их изготовлении, распределены равномерно по популяциям видов техники. Дается математическое обоснование закона, а также вытекающая из него критериально-алгоритмическая система.

В четвертой главе, как прикладное следствие закона оптимального построения техноценозов, обосновывается теоретически и раскрывается содержательно методика оптимального управления электропотреблением на системном уровне, включающая стандартные процедуры рангового анализа: интервальное оценивание, прогнозирование и нормирование. Впервые теоретически обосновывается этап интервального оценивания, опирающийся на 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, целиком опирающаяся на уравнения закона оптимального построения техноценозов. Завершается глава описанием практической реализации методологии на примере реально существующего техноценоза, а также оценкой адекватности разработанной модели.

В пятой главе приводятся тексты расчетных программ, позволяющие эффективно реализовывать методологию в пакете прикладного программного обеспечения Mathcad-2001i. Все программы вполне полнофункциональны и сопровождаются комментариями. По адресу http://gnatukvi.ru/zip_files/task_mcd.zip их можно себе закачать и опробовать. В качестве примера программной реализации методологии выбран расположенный на территории Калининградской области крупный инфраструктурный объект. Разработана база данных по электропотреблению объекта за десять лет. В результате статистической обработки осуществлена 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). По итогам моделирования выполнена оптимизация процессов управления электропотреблением и оценен ценологический потенциал энергосбережения техноценоза при различных вариантах изменения тарифной политики на рынке электроэнергии. Показан высокий экономический эффект от внедрения методологии, а также подтверждена адекватность разработанной модели.

Список литературы содержит обширный перечень монографий, учебников, сборников, отчетов и статей, актуальных адресов в Интернет, имеющих отношение к техноценологическим исследованиям и опубликованных в последние десятилетия.

В приложениях книги приводится подробное описание методологии имитационного моделирования электропотребления, а также информационно-аналитического комплекса «Модель оптимального управления электропотреблением техноценоза». Если в данный момент в распоряжении пользователя книги нет удовлетворительной параметрической базы данных, то ее можно искусственно сгенерировать. Для этого предназначена программа «Генератор негауссовой выборки техноценологического типа». Также в книге приводятся ряд актуальных статей и некоторые полезные материалы. Особое внимание хочется обратить на терминологический словарь, имеющий отношение к содержанию монографии (в настоящее время насчитывает свыше 500 статей).

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 нашим ученикам – талантливым ученым С.В. Барабанову, А.Е. Северину, С.Н. Гринкевичу, Д.В. Луценко, П.Ю. Дюндику, А.М. Дубовику и А.А. Шейнину за многолетнюю плодотворную совместную работу. Существенную помощь в трудных вопросах внедрения методологии на практике нам постоянно оказывали талантливые менеджеры В.Ю. Рядинский, П.П. Гриценко, А.А. Меркулов и О.Н. Рыбалкин. Большое значение для автора имело творческое влияние ученых, внесших наибольший вклад в ценологическую теорию – это Б.В. Жилин, Ю.К. Крылов, О.Е. Лагуткин, А.П. Левич, И.И. Надтока, Ю.К. Орлов, М.Г. Ошурков, В.В. Прокопчик, В.М. Розин, Б.А. Трубников, В.В. Фуфаев, С.Д. Хайтун, Ю.В. Чайковский, Ю.А. Шрейдер, А.И. Яблонский, А.Е. Якимов. Автор также выражает признательность рецензентам за ценные замечания. Особую благодарность автор выражает своему учителю доктору технических наук, профессору Б.И. Кудрину. Все, что написано в данной монографии, в той или иной степени получено под благотворным влиянием его личности и как логическое следствие его открытий.

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru

При использовании материалов ссылки обязательны

Все права защищены © Гнатюк В.И., 2005

E-mail: mail@gnatukvi.ru