Москва 2005 – 2008

ББК 68.516

Г 56

УДК 62:1+681.51+519.9+53.072+621.311.28

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 – 2008.

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.narod.ru/ind.html.

Аннотация. В книге рассматриваются философские и математические основания, и методологическое и прикладные следствия закона оптимального построения техноценозов. Дается принципиально новое определение техники и технической реальности в онтологическом ряду: «неживая – биологическая – техническая – гипертехническая». демонстрируется 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, и 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, и 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 цикле энергосбережения на системном уровне и оптимального управления электропотреблением. Далее раскрывается методология динамического моделирования и оптимизации циклов 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, и эвристического и критериального вариантов GZ-анализа в цикле 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, и 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, и 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.narod.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, и 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 и А.А. Шейнину за многолетнюю плодотворную совместную работу. Нашим постоянным консультантом по вопросам математики, и применения прикладных пакетов программного обеспечения являлся один из ведущих специалистов в области теории вероятностей и математической статистики Л.И. Двой Существенную помощь в трудных вопросах внедрения методологии 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 крупных ученых, внесших наибольший вклад в ценологическую теорию: 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 выражает признательность В.С. Богомолову за множественные ценные замечания. Особую благодарность автор выражает своему учителю профессору Б.И. Кудрину.

Настоящая книга есть в трех вариантах: печатном, компьютерном и сетевом. Приобрести данную книгу в печатном или компьютерном (на CD-диске) варианте можно обратившись в международный выставочный центр ОАО «Балтик-Экспо» по адресу: volukrem@balticfair.kaliningrad.ru или к автору монографии по адресу: gnatukvi@mail.ru. В сети Интернет полнотекстовый компьютерный вариант книги можно найти на сайте профессора В.И. Гнатюка «Техника, техносфера, энергосбережение» – http://gnatukvi.narod.ru. Компьютерный вариант на CD-диске содержит тексты и описания mathcad-программ, и важные презентационные материалы. Закачать архив с бланком заказа монографии можно здесь.

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 Narod.ru. Для закачки файла следует щелкнуть по соответствующей гиперссылке. далее возможно появление в новом окне информационной страницы, подгружаемой провайдером, на которой требуется так же одним щелчком по той же гиперссылке подтвердить закачку. далее 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 цикла 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.

Технические особенности. Особенностью монографии является то, что она оптимизирована для использования в качестве обозревателя программы Internet Explorer версий от 5.0 и выше. Пользователям важно понимать, что применение любых других обозревателей не гарантирует, прежде всего, воспроизведение фотографий, графических материалов и рисунков, и математических формул, которые созданы в виде графических объектов с расширением *.wmz.

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 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 цикле создания и управления большими техническими системами типа крупное предприятие, организация, район, город, регион применять методологию, которая предназначена исключительно для отдельных технических продуктов. А это ошибочно, данные объекты – техноценозы обладают существенной спецификой. Человек создает техническую реальность, что для большинства из нас очевидно. но 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 циклы и окружающая инфраструктура в основном «управляют» людьми, работающими на предприятии. Директора, заместители, руководители цехов и служб зачастую воспринимают происходящие вокруг них циклы 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.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

ВВЕДЕНИЕ

ФИЛОСОФСКИЕ ОСНОВАНИЯ ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Современное осмысление техники

Техническая реальность в окружающем мире

Техноэволюция и технический прогресс

Оптимальное управление техноценозом

МЕТОДОЛОГИЯ РАНГОВОГО АНАЛИЗА

Общее рангового анализа

Построение ранговых и видовых распределений

Оптимизационные процедуры рангового анализа

Тонкие процедуры рангового анализа

КРИТЕРИАЛЬНО-АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАКОНА ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЦЕНОЗОВ

Теоретические основы оптимизации техноценозов

Алгоритмы номенклатурной и параметрической оптимизации

Критерии оптимизации техноценоза

Параметрическое нормирование в техноценозе

ЗАКОН ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЦЕНОЗОВ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Методика оптимального управления электропотреблением техноценоза

Моделирование цикла электропотребления объектов техноценоза

Эффективность и потенциал энергосбережения на объектах техноценоза

Структура GZ-модуля динамической адаптивной модели

Практическая реализация разработанной методологии

Проверка адекватности полученных результатов моделирования

GZ-анализ рангового параметрического распределения

РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОЛОГИИ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ В ПАКЕТЕ MATHCAD

Первичная обработка статистической информации по техноценозу

5. Импорт, сортировка и визуализация данных

5. Верификация исходной базы данных по электропотреблению

5. Проверка данных на соответствие критериям Н-распределения

5. Аппроксимация ранговых распределений

Построение статической модели электропотребления

5. Интервальное оценивание цикла электропотребления объектами техноценоза

5. Прогнозирование электропотребления в техноценозе:

- G-метод прогнозирования (с использованием ДВР)

- G-метод прогнозирования (с использованием АГК)

- Z-метод прогнозирования (с использованием ТЦМ)

5. Нормирование электропотребления объектами техноценоза

Реализация динамической модели электропотребления

5. Оценка потенциала энергосбережения техноценоза

5. Определение первоочередных объектов для углубленного энергетического обследования

5. Оценка адекватности работы динамической адаптивной модели

Выполнение тонких процедур рангового анализа

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

5. GZ-анализ рангового параметрического распределения по электропотреблению

5. Классификация объектов техноценоза по электропотреблению

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Имитационное моделирование электропотребления

Информационно-аналитический комплекс

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Актуальные статьи:

- так же раз о российской национальной идее, 2001

- Электроэнергетическая проблема Калининградской области, 1994 – 2001

Обучающие курсы:

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

- Раздел дисциплины Концепции современного естествознания

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

ТЕЗАУРУС

СЕРИЯ ВЫПУСКОВ «ЦЕНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ»

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Виктор Иванович ГНАТЮК

Доктор технических наук, профессор, академик РАЕН. Руководитель калининградской научной школы, автор свыше 260 научных трудов (см. полный список), в том числе: 5 монографий, 1 учебника, 40 книг различного формата, 18 изобретений, 6 пособий, 30 отчетов по НИР. Специалист в области рангового анализа техноценозов.

Источник: http://gnatukvi.narod.ru