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

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

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Роль техники в жизни человека чрезвычайно высока. Это становится очевидным, если широко толковать понятие техники, понимая при этом исходные продукты (материалы и субстрат, прошедшие первичную обработку и соответствующие стандартам), здания и сооружения (строения, возведенные в соответствии с утвержденными проектами и планами), технические изделия (нефункционирующие простые системы, изготовленные на основе норм и стандартов), технические объекты (функционирующие сложные системы, созданные в соответствии с проектами и стандартами), отходы производства (элементы и поля, соответствующие стандартам и подготовленные к утилизации). Такой подход позволяет видеть технику везде и всегда рядом с человеком и наталкивает на мысль о возможности выделения техники как самостоятельной реальности.

Техническая реальность в рамках технократической парадигмы осмысления окружающего мира рассматривается как стоящая в ряду «неживая – биологическая – техническая», объективно существующая всеобщая, самоэволюционирующая форма материи, субстанциальными элементами которой являются технические изделия, обладающие существенной особенностью в приспособленности к творческому преобразованию, сопровождающемуся возникновением новых признаков, а системной формой организации выступают техноценозы, онтологическая сущность которых заключается в наличии между техническими изделиями взаимосвязи, реализующей информационный отбор и тем самым создающей побудительные предпосылки к творческому преобразованию реальностей.

Выделение технической реальности позволяет говорить об особых подходах к ее изучению, предполагающих как общность с другими реальностями, так и различие. Общность обнаруживается прежде всего при сравнении технической реальности с биологической. Здесь действует закон информационного отбора, который в биологической природе проявляется как закон естественного отбора Дарвина. Отсюда общее в подходах и методологии системного описания, классификации и т.д. Обсуждение единства в описании биологических и технических систем, соответствующих аналогий приводит к понятию «техноценоз», которое включает применительно к технике такие биологические понятия, как особь, вид, популяция, каста, семейство.

В соответствии с общепринятым определением техноценоз – ограниченная в пространстве и времени взаимосвязанная совокупность далее неделимых технических изделий-особей, объединенных слабыми связями. Связи в техноценозе носят особый характер, определяемый конструктивной, а зачастую и технологической независимостью отдельных технических изделий и многообразием решаемых задач. Взаимосвязанность техноценоза определяется единством конечной цели, достигаемой с помощью общих систем управления и всестороннего обеспечения.

Техноценозы, обладающие рядом присущих им особенностей, математически описываются с помощью гиперболических ранговых распределений. Последние емко и точно характеризуют состояние того или иного техноценоза, если мы его рассматриваем системно, как целостность на макроуровне. Многолетние исследования большого числа техноценозов из различных областей человеческой деятельности позволяют судить об оптимальном, наиболее устойчивом и эффективном их состоянии, которое описывается некоторым идеальным распределением.

Применение к техноценозам начал термодинамики (закона сохранения энергии и принципа максимума энтропии) позволяет сформулировать закон оптимального построения техноценозов, который закладывает методологические основы концепции, включающей процедуры номенклатурной и параметрический оптимизации. Номенклатурная предполагает изменение видового состава техноценоза (набора видов изделий), а параметрическая – ценологическое влияние на параметры проектируемых вновь или модернизируемых видов техники. В итоге критерием оптимизации является получение такого состояния техноценоза, которое, с одной стороны, характеризуется максимальными функциональным возможностями, а с другой – минимальными затратами на изготовление и всестороннее обеспечение (подготовку кадров, ремонт, обслуживание, снабжение запчастями).

Техника и техноценозы объективно реальны. В этом убеждает даже здравый смысл, если рассматриваются технические изделия как объекты, реальность которых противопоставляется нереальности. Однако это вовсе еще не означает, что автоматически можно вести речь об объективности технической реальности как элемента в ряду «неживая – биологическая – техническая». Обсуждение объективности технической реальности представляется весьма полезным и позволяет выявить фундаментальные основы техноэволюции как ступени и составной части общего эволюционного процесса Вселенной. При этом техноэволюция понимается как приводящий к иерархии форм и сущностей, обеспечивающей векторизованную направленность на непрерывное усложнение, процесс развития технической реальности, сопровождающийся количественными и качественными изменениями и реализующийся в условиях информационного отбора в результате взаимодействия противоположных тенденций, одна из которых ведет к получению новых, а другая – к закреплению существующих эволюционно полезных признаков технических изделий.

Осмысление технической реальности как одного из фундаментальных уровней развития материи в ряду «неживая – биологическая – техническая» становится возможным с пониманием особой роли информации в эволюционном процессе. Под информацией понимается объективно существующая и закрепленная на определенном материальном носителе формализованная прескриптивная система воспроизводства реальностей. При этом, прескриптивная понимается как предписываемая, обязательная, априорно установленная, но не за счет какой-либо субъективной воли, а объективно, как результат предшествующей естественной эволюции. В подобной трактовке можно констатировать, что неживая реальность «обслуживается» информацией в виде физических законов на уровне мира в целом, биологическая – в генотипе вида физиологически неотделимо от особи, а техническая – в генотипе ценоза (гиперценоза) отдельно в виде документа.

Данный подход также позволяет, во-первых, проследить изменение классификации сущего, а во-вторых, охарактеризовать эволюционный процесс. Классификация меняется от неживой материи, где имеется лишь реальность в целом и отдельная особь в частности, до биологической, в которой добавляется вид. Наиболее сложной классификацией характеризуется техническая реальность, где имеется реальность в целом, ценоз, вид, а также особь. Если говорить об эволюционном процессе вообще, то необходимо заметить, что в неживой материи единичным эволюционирующим объектом является реальность в целом, здесь отбор носит глобальный характер и осуществляется локально с нулевой скоростью на уровне физических законов. В биологической реальности эволюционирует с низкой скоростью вид, а отбор характеризуется как межвидовой и слепой. Наконец, техническая реальность создает предпосылки для эволюции на уровне единичного ценоза, при этом отбор становится межорганизменным, целенаправленным, а эволюция существенно ускоряется. В каждой реальности движущей силой остается информационный, в частности, естественный отбор.

Ключевым в осмыслении техноэволюции является выделение и определение объектов данного процесса, их основных свойств и отличий от объектов биоэволюции. Гипербионты, а именно так можно было бы назвать объекты техноэволюции, имеют три важнейших свойства: во-первых, они в своей основе являются техническими, включающими элементы социальные и биологические; во-вторых, имеют потенциал для самоорганизации и развития; в-третьих, и это самое главное, гипербионты обладают способностью воздействовать на свой генотип и в этом смысле самоэволюционировать на уровне особей. C некоторыми допущениями гипербионты можно отождествлять с отдельными современными наиболее совершенными техноценозами.

Констатируя общее направление развития Вселенной от неживой реальности к биологической и далее – технической, особым образом следует оговорить, хотя бы в самых общих чертах, далекое будущее технической реальности, при этом можно ввести 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, что, в определенном смысле, уподобит гиперценозы Вселенной. Остается лишь предположить, что это и есть цель эволюции нашего мира.

Технократическая философская концепция открывает путь к прикладной техноценологической методологии, которая уже в настоящее время позволяет решать вполне реальные прикладные задачи, связанные с оптимизацией крупных инфраструктурных объектов (городов, регионов, заводов, группировок войск и др.). Наиболее эффективным и к настоящему времени апробированным инструментом техноценологического подхода является ранговый анализ.

Ранговый анализ – это метод исследования техноценозов, имеющий целью их статистический анализ, а также оптимизацию, и полагающий в качестве основного критерия форму видовых и ранговых распределений. Он базируется на следующих основаниях: технократическом подходе к окружающей реальности, восходящем к третьей научной картине мира; началах термодинамики; негауссовой математической статистике устойчивых безгранично делимых распределений; понятии техноценоза, специфика которого, кроме прочего, видится в методологии исследования. Техноценозы не поддаются описанию ни традиционными методами гауссовой математической статистики, оперирующей понятиями среднего и дисперсии как информативно насыщенными свертками больших массивов статистической информации, ни лежащими в основе редукционизма имитационными моделями. Чтобы корректно описать техноценоз, необходимо постоянно оперировать выборкой в целом, как бы велика она ни была, что предполагает построение видовых и ранговых распределений, теоретическая основа которых лежит в области негауссовой математической статистики устойчивых безгранично делимых гиперболических распределений.

Оптимизация техноценозов также является специфической процедурой и сводится к оптимальному управлению, которое реализуется посредством ТЦ-оптимизации (так называемой техноценологической оптимизации). ТЦ-оптимизация – обязательное для исполнения организационно-техническое воздействие на объекты техноценоза посредством методов макропланирования, прогнозирования и нормирования с учетом ТЦ-критерия. В свою очередь, ТЦ-критерий – реализуемая в рамках ТЦ-алгоритма минимизация потребления техноценозом энергетических ресурсов при условии сохранения основных функционально-технических показателей на уровне, не ниже требуемого (в данном случае мы имеем дело с практической реализацией уравнений закона оптимального построения техноценозов). ТЦ-алгоритм – целенаправленная взаимосвязанная система процедур управления, осуществляемая ТЦ-методами в форме цикличной многолетней научно-технической политики. ТЦ-метод – способ достижения цели, основанный на теории безгранично делимых гиперболических распределений и представлении об оптимальном состоянии техноценоза, соответствующем закону оптимального построения техноценозов, максимизирующем энтропию и приводящем форму рангового распределения к канонической.

Проблема оптимизации техноценозов не находит удовлетворительного решения в рамках меристических методов, основывающихся на детерминизме, стохастизме и редукционизме. Неантропоцентрическое осмысление технической реальности позволяет постичь онтологическую и гносеологическую трансцендентность техноценозов. Принятие параметрической и энергетической связанности, а также формальное представление закона сохранения энергии в параметрической форме вооружает принципиально новой холистической методологией оценки эффективности и позволяет выявить фундаментальную взаимосвязь между количеством и качеством в техноценозе. Это, в совокупности с традиционным системным подходом, позволяет вести речь о концепции оптимизации техноценозов как определении видов техники, оптимизации их основных функциональных параметров, а затем – последовательной цикличной реализации процедур номенклатурной и параметрической оптимизации.

Выявление и теоретическое обоснование фундаментальной связи между уровнем основных (видообразующих) параметров технических изделий (особей), из которых состоят обладающие инфраструктурой сложные технические системы (техноценозы), и их численностью, позволило впервые сформулировать закон оптимального построения техноценозов. 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.

Закон имеет два следствия принципиального характера и записывается в виде системы уравнений, представляющей собой базирующуюся на началах термодинамики (законе сохранения энергии и принципе неубывания энтропии) математическую запись условий теоретически оптимального (гомеостатического) состояния техноценоза. Первое следствие констатирует параметрически-энергетическую связанность техноценозов, приводящую к оптимальному состоянию, максимизирующему энтропию при распределении требуемых системе параметрических (энергетических) ресурсов по видам технических изделий (с максимальной дисимметрией при распределении по особям). Данное следствие представляет собой теоретическую основу для разработки критериев оптимизации техноценозов, базирующихся на принципиально новых подходах к теории эффективности сложных систем. Ключевой в формально математическом смысле здесь является предлагаемая процедура свертки, основанная на интегрировании ранговых параметрических распределений техноценоза по видообразующим параметрам. Однако главным представляется новое философское осмысление, проецирующее давно известный принцип «минимакса» на сферу техноценозов и позволяющее увидеть состояние техноценоза, при котором его максимальной функциональной эффективности соответствуют минимальные затраты на всестороннее обеспечение.

Второе следствие показывает свертываемость континуума ранговых параметрических распределений к ранговому видовому распределению техноценоза в целом, задающую механизм оптимизации, включающий процедуры номенклатурной и параметрической оптимизации (при самодостаточности последней, которая при определенных условиях неизбежно ведет к номенклатурной в общем процессе оптимизации техноценоза).

Номенклатурная оптимизация учитывает факторы ограниченности и зависимости техноценозов и основывается на процедурах, устраняющих аномальные всплески на видовом распределении техноценоза и приводящих его форму к канонической. Параметрическая оптимизация задает методику, позволяющую при принятии решений в рамках долгосрочной научно-технической политики (проектирование, внедрение, принятие на снабжение, элиминация) вырабатывать ограничивающие требования, выполнение которых улучшает состояние техноценоза в целом. Цикличное выполнение процедур номенклатурной и параметрической оптимизации в рамках авторской концепции задает механизм оптимизации техноценозов, объединяющий кибернетический и параметрический уровни, макроскопические и микроскопические, общегосударственные и ведомственные (региональные) интересы, меристический и холистический подходы.

Одной из бурно развивающихся в последние годы практических областей применения закона оптимального построения техноценозов является методология оптимального управления электропотреблением техноценозов. 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.

Основу энергосбережения в электроэнергетике составляет планомерная реализация комплекса технических и технологических мер, которым должна предшествовать оптимизация электропотребления техноценозов на системном уровне. Ее целью является упорядочение электропотребления объектами, экономия направленных на оплату за потребленную электроэнергию средств, полученная за счет организационных мероприятий, а также создание научно обоснованных предпосылок для проведения целенаправленных энергетических обследований.

Оптимизация электропотребления на системном уровне осуществляется 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 (с историей на глубину 5 – 6 лет и более), выявить объекты, которые обеспечиваются электроэнергией с нарушением существующих организационно-технических требований, подготовить электронную базу данных для дальнейшего многофакторного анализа. Рекомендуется собранные данные представлять в виде компьютерного информационно-аналитического комплекса, который должен разрабатываться с использованием современного программного обеспечения.

Информационно-аналитический комплекс «Электроснабжение объектов, входящих в инфраструктуру» представляет собой развитую базу данных по электропотреблению объектов техноценоза, включающую банк и систему управления данными, а также расчетные и графические модули. Комплекс может успешно использоваться при планировании и прогнозировании, а также позволяет оперативно отслеживать информацию о потребителях электроэнергии, обновлять исходные данные для анализа практически в реальном масштабе времени. По запросу из базы данных может быть получена с необходимой степенью детализации и обобщения информация о потребителях электроэнергии.

На этапе статистического анализа и построения эмпирической модели процесса электропотребления осуществляется полномасштабная статистическая обработка данных по электропотреблению, которая включает интервальное оценивание, а также ранговый и кластерный анализ. Интервальное оценивание выявляет в динамике и наглядно представляет объекты с аномальным электропотреблением, ранговый анализ позволяет упорядочить информацию, осуществить прогнозирование электропотребления отдельными объектами и техноценозом в целом. 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 и оптимизации.

Отражение процесса электропотребления осуществляется с помощью преобразующих функций, построенных на основе законов распределения Вейбулла – Гнеденко и нормального в зависимости от того, имеются ли управляющие воздействия, направленные на энергосбережение, или нет, соответственно. Параметры законов распределения в ходе моделирования ставятся в соответствие финансовой политике по стимулированию процесса энергосбережения в системе управления техноценоза, а также тарифной политике на рынке электроэнергии. В качестве критерия эффективности используется целевой функционал, основанный на соотношении относительных интегральных показателей качества и затрат, а также системе ограничений, являющихся прямым следствием закона оптимального построения техноценозов. Интегральный показатель качества рассчитывается как относительный потенциал энергосбережения техноценоза, а оптимизационные процедуры в рамках транзактной имитационной модели реализуются на двух уровнях с использованием градиентных методов многомерной оптимизации и выпуклого анализа, а также динамического программирования.

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 исключительно за счет внедрения методологии оптимального управления электропотреблением без существенных капитальных вложений. Параллельное внедрение технических решений и энергосберегающих технологий еще больше увеличивает экономию.

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru

При использовании материалов ссылки обязательны

Все права защищены © Гнатюк В.И., 2005

E-mail: mail@gnatukvi.ru