Гуманитарные технологии Аналитический портал • ISSN 2310-1792

Виктор Гнатюк. Лекции о технике, техноценозах и техноэволюции. Лекция 2. Основы техноценологического подхода

Вводные замечания

Обсуждение единства в описании биологических и технических систем, соответствующих аналогий привело нас к понятию «техноценоз», которое включает применительно к технике такие понятия, как особь, вид, популяция. Техноценозы, обладающие рядом присущих им особенностей, математически описываются с помощью гиперболических ранговых распределений, которые ёмко и весьма 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 их оптимизации, включающей процедуры номенклатурной и параметрический оптимизации. Номенклатурная предполагает изменение видового состава техноценоза (набора видов изделий), а параметрическая — 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).

Целевая установка лекции — ввести фундаментальное понятие техноценоз, применить к нему начала термодинамики и сформулировать закон оптимального построения техноценозов, а также концепцию и критерий его оптимизации.

2.1. Техноценозы как взаимосвязанные совокупности технических изделий-особей

Обсуждая единство в описании биологических и технических систем, мы вплотную подошли к наиболее важному как с концептуальной, так и с методологической точки зрения понятию «техноценоз».

В соответствии с классическим определением, введённым Б. И. Кудриным, под техноценозом понимается ограниченная в пространстве и времени взаимосвязанная совокупность далее неделимых технических изделий-особей, объединённых 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, обеспечения и другими.

Для того чтобы усвоить весьма сложное понятие «техноценоз», обратимся сначала к примерам. Рассмотрим такую техническую систему, как автомобиль. Он состоит из отдельных агрегатов, блоков и деталей, которые объединяются в подсистемы (топливная, смазки, трансмиссия и другие). Между элементами автомобиля имеются связи (механические, электрические, гидравлические, пневматические), описываемые законами Ньютона — Ома — Кирхгофа — Гука — … Нам понятна (во всяком случае, в первом приближении) природа этих связей (назовём их сильными). Теперь рассмотрим всю совокупность автомобилей города, которую, хотя и с большой натяжкой, можно назвать транспортной системой. Не вдаваясь в детали, отметим лишь, что какие-то связи между элементами этой системы (отдельными автомобилями) как будто имеются (одно государство, одни климатические условия, законы, правила, один авторынок и другое), однако эти связи исчезающе слабы.

Рассмотрим, наконец, промежуточную систему, например, отдельно взятый таксопарк в нашем городе. С одной стороны, он тоже состоит из несвязанных друг с другом автомобилей и в этом смысле похож на разобранную уже нами транспортную систему города. Однако связи между автомобилями в таксопарке, хотя и не являются сильными (описываемыми законами Ньютона — Ома — Кирхгофа), намного сильнее, чем исчезающе слабые связи между автомобилями в транспортной системе города (для простоты назовём их формальными). В таксопарке мы находим: единую систему управления в лице директора, его аппарата, завязанных в структуру подчинённости; систему всестороннего обеспечения (техническое обслуживание, ремонт, снабжение, подготовка кадров и другие); общую территорию и, соответственно, сходные условия работы. И, наконец, главное — таксопарк функционирует, в конечном итоге, с общей целью, которую весьма приближённо можно определить как получение наибольшей прибыли от перевозки пассажиров при наименьших затратах на всестороннее обеспечение этого процесса.

Таким образом, существуют системные объекты, отдельные элементы которых (подсистемы), с одной стороны, достаточно независимы и не связаны между собой жёстко (механически, электрически, гидравлически и так далее), а с другой, — объединены связями другого типа (слабыми), определяемыми единой системой управления, снабжения, эксплуатации, а также общей целью функционирования. Кроме того, эти объекты ограничены в пространстве и времени. Их мы и называем техноценозами. Если продолжить примеры, то техноценозом можно считать завод, крупный магазин, группировку войск, систему электроснабжения отдельного региона, космическую станцию и многие другие объекты. Можно сказать, что техноценозы возникли лишь во второй половине ХХ века, хотя зарождаться стали уже, видимо, сто — двести лет назад. И это притом, что собственно техносфера существует со времени возникновения человека разумного, то есть уже миллионы лет.

Что же принципиальное отличает техноценозы от отдельных технических изделий?

Во-первых, это тип связей (об этом уже говорилось выше).

Во-вторых, количество элементов, из которых состоит изделие, конечно и точно определено конструкторской документацией, а количество элементов техноценоза практически бесконечно для нас. Это нелегко воспринять, однако для нас, очевидно, что если мы начнём перебирать элементы техноценоза, то не успеем дойти до конца, а начало уже изменится, то есть мы будем иметь дело уже с другим объектом.

В-третьих, границы технического изделия чётко определены все той же конструкторской документацией, а границы техноценоза для нас нечётки, размыты. Дело в том, что любой техноценоз находится в какой-то инфраструктуре и коренится в ней тысячами связей различного типа (электро-, водо-, газоснабжение, связь, коммуникации, управление, кадры, менеджмент, отходы, реализация продукции и другие). Аналогично — биоценозы. Ведь нам очень трудно точно определить, где проходит граница леса или луга.

В-четвёртых, техническое изделие достаточно полно и однозначно определяется системой параметров (длина, ширина, объем, масса, надёжность, ремонтопригодность и другие). Для техноценоза подобной системы параметров не существует и, как следствие, — не существует единой конструкторской документации на техноценоз. Кроме того, о двух изделиях можно говорить, что они одинаковы (во всяком случае, в пределах паспортных характеристик), хотя и возможен разброс параметров, но об этом несколько позже. Техноценоз всегда индивидуален и неповторим (нет двух одинаковых заводов, таксопарков, дивизий, городов). В-пятых, если для техноценоза существует понятие «развития», как необходимое, существенное, необратимое, содержательное, целенаправленное изменение (движение во времени), то для отдельного изделия такого понятия не существует. И хотя в процессе своего жизненного цикла любое изделие, безусловно, изменяется, однако последнее лишь формально и несущественно (связано, как правило, с процессами износа и старения).

Имеется ещё одно отличие техноценоза от отдельного изделия, имеющее чрезвычайно важное методологическое значение. Однако прежде чем говорить о нём, нам необходимо ввести ещё ряд понятий.

Прежде всего, поговорим о том, что такое вид и особь в техноценозе. Возьмём отдельное техническое изделие, например, электродвигатель на металлургическом заводе (последний является техноценозом). При этом будем рассматривать совершенно конкретный двигатель марки 7АО (заводской номер 7729324, выпуска 1987 года), который приводит во вращение станок токаря Иванова. Очевидно, что мы имеем дело с изделием-особью, которое индивидуально, неповторимо и существует во Вселенной в единственном экземпляре. Однако, как мы уже заметили, это индивидуальное изделие обозначено определённой маркой, то есть можно судить, что данный электродвигатель представляет вид 7АО.

Таким образом, мы имеем дело уже с определённой классификацией, в которой каждое техническое изделие есть особь и одновременно оно же всегда представляет какой-то вид. Понятие вид восходит к философским категориям содержание и форма, сущность и явление. Можно сказать, что вид есть некоторое идеальное представление, объединяющее определённое количество технических изделий (однотипную серию) информацией об их конструкции и технологии изготовления (комплект конструкторско-технологической документации). Важно понимать, что вид техники определяется абсолютно точно документами, однако реальные технические изделия — представители данного вида, будучи выпущены на заводе по соответствующей документации, в своих реализованных параметрах могут несколько отличаться (и всегда отличаются) от идеальных. Это отличие задаётся достижимой и целесообразной точностью изготовления, возможностями инструментов и самого человека, если он участвует в производственном процессе. При этом мы не говорим о браке, когда параметры изделия выходят за допустимые рамки (то есть мы уже имеем дело или с другим видом техники, или вообще такого вида не существует).

Итак, конкретное изделие-особь, с одной стороны, всегда по своим параметрам несколько отличается от тех значений, которые записаны в конструкторской и технологической документации, с другой стороны, это отличие несущественно (и учтено при конструировании). Однако главное заключается в том, что принадлежность изделия к виду определяется его качественной сутью, характеризующейся бесконечным количеством параметров и распознаваемой интеллектом (человеческим и/или техническим).

Время дать точные определения. Особь — выделяемый элемент техноценоза, техническое изделие, функционирующее в индивидуальном жизненном цикле. Вид — основная структурная единица в систематике технических изделий, определяющая совокупность качественных и количественных характеристик, отражающих сущность однородной группы изделий, изготовленных по одной конструкторско-технологической документации.

Усвоив основные понятия (техноценоз, особь и вид) мы можем переходить к методологии исследования этих объектов. Однако необходимо сначала вспомнить о том, что не рассмотрено ещё одно важное отличие техноценоза от технического изделия-особи. Рассмотрим магазин, в котором можно приобрести значительное количество разнообразного товара. Находим в нём отдел, где продаются различные ручки (от «Паркера» с золотым пером до пластмассовых шариковых). Перебрав все ручки, мы увидим, что здесь имеется определённое число видов, каждый из которых представлен некоторым количеством ручек-особей. Кстати, совокупность всех технических изделий одного вида из состава конкретного техноценоза называется популяцией. Так вот, популяции ручек-видов в магазине различны, однако, об этом несколько позже. Возьмём популяцию одного из видов шариковых ручек. Мы уже знаем, что по своим параметрам (длина, ширина, масса, ёмкость стержня, надёжность пишущего элемента, прочность корпуса и другие) эти ручки близки друг к другу, но несколько различаются. Однако теория вероятностей и математическая статистика говорят, что всегда можно определить так называемые среднестатистические параметры. В простейшем случае — это среднее арифметическое значение, вычисляемое для всей совокупности ручек отдельно по каждому параметру. Например, если нам нужно вычислить среднюю массу, то необходимо взвесить каждую ручку рассматриваемого вида, просуммировать и разделить на количество взвешенных ручек.

Вспомним, что до сих пор мы говорим о совокупности ручек одного вида (популяции). Рассмотрим совокупность всех ручек в магазине (семейство ручек). Математически определить усреднённые параметры для всего семейства ручек никакой сложности не представляет. Однако если в первом случае усреднение давало нам весьма важные обобщающие данные, то во втором — мы получаем совершенно бессмысленные цифры. На самом деле, зачем нам знать среднюю массу ручки? Или, к примеру, среднюю надёжность пишущего элемента (учитывая, что рассматривались и очень дорогие паркеры, и дешевая пластмасса)? Никакой полезной информации эти данные не содержат.

Но это ещё не все. Кто-то может сказать, что ему интересно было бы узнать среднюю стоимость ручки в магазине. Ценность подобной информации весьма сомнительна, но тем не менее. Вычислить среднюю стоимость ручки в любом магазине, конечно же, можно. Следует только учесть, что при расчётах мы должны суммировать стоимость каждой отдельной ручки-особи (если шариковых ручек за пять рублей в магазине тысяча, то мы должны просуммировать по пять тысячу раз и так далее). Отсюда ясно, что среднее значение, характеризующее этот магазин, никак несопоставимо с любым другим, так как набор видов ручек в нём другой, да и количество совсем не то. В пределе гипотетически можно говорить о средней стоимости всех ручек на земле, однако, пока вы будете её подсчитывать, какой-то завод выпустит новую ручку, и расчёты потеряют первоначальный смысл. С другой стороны, можно говорить о средневидовой стоимости ручки в магазине, полученной после усреднения стоимостей, записанных на всех ценниках рядом с ручками на витрине. Однако эта цифра сродни пресловутой «средней температуре по госпиталю» из анекдота и совершенно ни о чём не говорит, так как одну и ту же цифру мы можем получить, если имеем, например, в одном магазине два вида ручек, один из которых стоит тысячу, а другой — десять рублей, а в другом — один вид стоимостью пятьсот пять рублей.

И ещё один аспект этой проблемы. Если мы вычислим средний параметр для всех ручек одного вида в одном магазине, а затем прибавим к ним ручки этого же вида из другого, то получим очень близкое значение. Более того, чем больше мы будем увеличивать выборку (совокупность анализируемых ручек), тем ближе среднее значение параметра будет к тому, которое записано в конструкторской документации на данный вид ручек. Если же, вычислив средний параметр всех ручек (всех видов) в магазине, мы начнём увеличивать выборку и снова усреднять, то вскоре с удивлением обнаружим, что среднее значение параметра отнюдь не стремится к какой-то фиксированной величине, а постепенно изменяется. Это ещё больше снижает информационную ценность усреднённых параметров, вычисленных для ручек всех видов в магазине.

Таким образом, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики не пригоден для исследования техноценозов, но при этом остаётся весьма полезным при рассмотрении совокупности технических изделий одного вида. Значит для исследования техноценозов нужен особый подход.

С целью математического описания техноценозов строятся так называемые видовые и ранговые распределения. Чтобы не усложнять процедуру, рассмотрим здесь лишь ранговые распределения как наиболее важные для той методологии, которая будет обсуждаться несколько позже. Начнём с определения. Под ранговым распределением понимается убывающая последовательность значений параметров, упорядоченная таким образом, что каждое последующее число меньше предыдущего, и поставленная в соответствие рангу (номеру по порядку). Ранговое распределение техноценоза по исследуемому параметру строится следующим образом. Выбираем систему координат, в которой по оси ординат (вертикальной) откладываются значения параметров в принятых единицах измерения, а по оси абсцисс (горизонтальной) — ряд натуральных чисел (один, два, три и так далее). Ставим в соответствие единице по оси абсцисс (это первый ранг) значение параметра особи, являющееся наибольшим из всех значений для особей техноценоза. Получаем первую точку. Вторую получаем, ставя в соответствие цифре два по оси абсцисс (второму рангу) наибольшее значение параметра из особей, кроме первой. И так далее. Если все полученные точки соединить плавной линией (аппроксимировать), то получим кривую, по форме напоминающую гиперболу (отсюда и название — гиперболическое распределение, или Н-распределение).

В чём заключается главный результат, которого мы добиваемся, строя ранговое распределение? Прежде всего, получаемая гипербола, вбирая в себя совокупность точек, каждая из которых характеризует отдельную особь техноценоза по рассматриваемому параметру, характеризует техноценоз в целом. Построив семейство подобных гипербол по другим параметрам (в пределе их количество может быть сколь угодно большим), мы можем говорить, что нами разработана корректная математическая модель техноценоза. На практике ранговые распределения строятся для параметров, которые наиболее полно характеризуют техноценоз. Каждое из них несёт в себе очень важную информацию, прежде всего, по двум аспектам. Во-первых, по ранговому распределению можно судить о том, способна ли исследуемая совокупность единиц техники выполнять поставленные задачи в рамках техноценоза в целом. Для этого надо просуммировать все значения параметров, каждый из которых характеризует отдельную единицу техники. При этом выбранный параметр должен характеризовать (в физическом смысле) способность техники выполнять интересующую нас задачу. Получив сумму, мы можем судить о совокупных возможностях исследуемого семейства технических изделий. Если мы при этом знаем о совокупных потребностях (которые, кстати, определяются аналогично), то можно делать вывод о способности выполнять задачи в рамках техноценоза.

Рассмотрим сравнительно простой пример из области электроэнергетики, где техноценозом можно считать систему электростанций и потребителей электроэнергии одного региона (города, области или республики). Очевидно, что суммарное производство электроэнергии должно равняться суммарному потреблению. Следовательно, суммарная установленная мощность электростанций региона, выражаемая в киловаттах, должна равняться суммарной мощности потребителей электроэнергии (тоже в киловаттах). Кажется, все очень просто, и не надо строить никаких распределений. Однако просто лишь на первый взгляд. И здесь мы должны перейти к рассмотрению второго аспекта информации, которую несёт в себе ранговое распределение.

Для рассмотрения второго аспекта вновь обратимся к только что рассмотренному примеру из области электроэнергетики. Предположим, что в регионе имеются потребители электроэнергии суммарной установленной мощностью сто тысяч киловатт. Значит, суммарная мощность электростанций региона тоже должна составлять сто тысяч киловатт. Однако получить эту цифру мы можем, имея различный набор электростанций: например, одну мощностью сто тысяч киловатт, две по пятьдесят тысяч, пять по двадцать, сто по одной тысяче и так далее. Даже неглубокий анализ перечисленных вариантов показывает их неравнозначность по эксплуатационным параметрам (экономичности, надёжности, живучести, ремонтопригодности и другим). Какой же из них выбрать при проектировании? На этот вопрос можно ответить, анализируя форму рангового распределения, описывающего электростанции региона по их установленной мощности.

Оказывается, существует понятие о некоторой идеальной форме распределения, при которой можно судить об оптимальном (наиболее эффективном с точки зрения всех основных параметров) состоянии техноценоза. Мы уже знаем, что ранговое распределение является плавной убывающей кривой, похожей на гиперболу. Форма гиперболы задаётся, прежде всего, её крутизной в средней части. Если кривая слишком крутая, то это говорит о том, что в техноценозе очень мало мелких технических изделий, а если пологая — то мало крупных. Все это свидетельствует об отклонениях от нормы, однако здесь мы вплотную подошли к стрежневому положению исследуемой проблемы — закону оптимального построения техноценозов, который будем рассматривать в рамках общей концепции оптимизации.

2.2. Концепция оптимизации техноценозов

Прежде чем сформулировать закон оптимального построения техноценозов, рассмотрим первый и второй законы (начала) термодинамики, а также их действие в техносфере. Первое начало термодинамики представляет собой известный всем закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не возникает ниоткуда и не исчезает в никуда, а лишь изменяет свою форму (электрическая, химическая, механическая и другие). К закону имеются дополнительные формулировки, определяющие, что материя так же не возникает и не исчезает. Античные философы, хотя и не говорили напрямую о законе сохранения энергии или материи, однако явно имели общее понятие об этом. Так, Аристотель в «Метафизике» как минимум дважды высказывается в духе первого начала термодинамики. В частности, он говорит: «… из не-сущего возникнуть невозможно» или «… так что, как утверждают, не может что-то возникнуть, если ничего не предшествует».

В области неживой и живой природы выполнение закона сохранения энергии давно уже является каноническим и сомнению не подвергается. Иногда появляются возражения, что первое начало термодинамики не выполняется в социальной сфере, однако, думается, это случается либо по причине ещё недостаточного осмысления нами таких форм энергии, как психическая или социальная, либо вследствие путаницы в применении понятия информации. Узость человеческого мышления зачастую даёт нам примеры полного непонимания того, как закон сохранения энергии приводит к всеобщей взаимосвязи, и в социальной сфере в том числе. Например, для нас очевидно, что невозможно кому-либо в чём-либо помочь, ничего при этом не потеряв (времени, средств, престижа и так далее). Если вы действительно хотите сделать кому-то добро, готовьтесь понести при этом адекватные потери. И наоборот, если вы не ощущаете никаких потерь, значит, вы на самом деле не сделали никому добра. Совершенно глупо выглядят люди, считающие, что они творят окружающим добро, при этом ничего не теряя. Никакого добра в этом случае, как правило, нет, лишь иллюзия. Если же добро всё-таки есть, то мы имеем дело с наиболее отвратительной, с этической точки зрения, ситуацией: добро творится за чужой счёт, а приписывается незаслуженно себе. Не могут (за редким исключением) считать себя нравственными и люди, которые не платят за проезд в общественном транспорте, а суют под нос кондуктору всяческого рода удостоверения. Очевидно, что за них опосредовано расплачиваются в совокупности все те, кто исправно платит за проезд. Закон сохранения энергии неотвратим.

Теперь о втором начале термодинамики, которое иначе называется принципом максимума энтропии и гласит, что энтропия замкнутой системы не убывает. Понимание второго начала связано с необходимостью осмыслить такое понятие, как энтропия. В наиболее упрощённом варианте можно сказать, что энтропия показывает, как энергия распределяется в системе. Чем более равномерно энергия распределена между элементами системы, — тем больше энтропия и наоборот. Следовательно, если мы возьмём замкнутую систему, то, по первому началу, общее количество энергии в ней по прошествии времени не изменяется, однако качество энергии (характеризуемое энтропией) будет подвержено изменению (по второму началу). Многие энтропию отождествляют с мерой хаоса и говорят, что из второго начала термодинамики следует движение нашего мира к распаду и равномерному хаосу. Однако такое мнение опровергает эволюция Вселенной в сторону усложнения, которая для нас очевидна. Дело в том, что максимальная энтропия может достигаться и в системах, обладающих сложной структурой. Это характерно для сообществ живых организмов (биосистем, биоценозов).

Следует отметить, что в понимании энтропии для нас остаётся много неясного, однако это предмет отдельного разговора, а мы в наших рассуждениях пойдём дальше и посмотрим, как выполняется второе начало термодинамики в социальной сфере. Не будем вдаваться в детали, скажем лишь, что принцип максимума энтропии связан с тем, что человек стремится во всём минимизировать свои затраты при получении максимального эффекта от своей деятельности (так называемый принцип «минимакса»). Существует и более общее толкование принципа, которого придерживаемся и мы. Его достаточно ярко выразил Аристотель, когда сказал: «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». В итоге мы можем сказать, что в социальной системе максимальная энтропия достигается в том случае, когда ресурсы равномерно распределены между социальными слоями общества. В диалоге «Горгий» Платон называет это состояние геометрическим равенством. Он говорит: «… как много значит и меж богов, и меж людей равенство — я имею в виду геометрическое равенство…». Иными словами, наибольшей устойчивостью обладает общество, в котором имеются слои: малочисленный богатый, средний и многочисленный бедный, причём средства и блага распределены таким образом, что если мы вычислим, сколько их приходится в целом на каждый из социальных слоев, то получим одинаковые цифры.

Рассмотрим, как выполняются начала термодинамики в техноценозах. Суть закона сохранения энергии в применении к техноценозам заключается в том, что суммарные энергетические ресурсы, воплощённые в технические изделия, из которых состоит техноценоз, в совокупности с суммарными энергетическими затратами, необходимыми для обеспечения их эксплуатации, в энергетическом выражении всегда равны совокупному полезному эффекту, который можно извлечь в процессе функционирования данного техноценоза. Принцип максимума энтропии применительно к техноценозам можно изложить следующим образом: энтропия естественно развивающегося техноценоза не убывает и достигает максимума, когда суммарные энергетические ресурсы, воплощённые в технические изделия при их изготовлении, распределены равномерно по популяциям видов техники (то есть произведение энергетического ресурса, необходимого для изготовления одного изделия, на их количество в популяции техноценоза есть величина постоянная для всех видов).

Добавим, что состояние техноценоза с максимальной энтропией, наряду с равномерным распределением энергетических ресурсов по популяциям видов, одновременно характеризуется максимальной несимметрией их распределения по отдельным особям. Посмотрим, к чему это приводит?

Максимальная неравномерность распределения ресурсов по особям позволяет нам судить, что в этом случае мы имеем наибольшее разнообразие технических изделий. Это позволит нам добиваться максимальной функциональной гибкости при выполнении разнообразных задач в рамках техноценоза в условиях неожиданных изменений окружающих условий. В свою очередь равномерное распределение ресурсов по популяциям видов технических изделий создаёт наиболее благоприятные условия для функционирования обеспечивающей инфраструктуры техноценоза (дело в том, что системы ремонта, снабжения и другие ориентированы на обеспечение именно видов техники). Вот мы и получаем максимальный положительный эффект при минимальных затратах («минимакс»).

Разбор начал термодинамики позволяет нам сформулировать закон оптимального построения техноценозов. Таким образом, 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, то есть суммарные энергетические ресурсы, воплощённые в технические изделия при их изготовлении, распределены равномерно по популяциям видов техники.

Правомерны два вопроса. Во-первых, что понимается под совокупными функциональными показателями техноценоза? Как раз то, для чего он предназначен. Например, если речь идёт об электроэнергетическом техноценозе, под совокупным показателем понимается суммарная вырабатываемая электроэнергия. Во-вторых, чем могут быть измерены энергетические ресурсы, воплощаемые в техническое изделие при изготовлении? Очевидно, что наиболее объективным показателем здесь может быть цена, сформировавшаяся в условиях свободной рыночной экономики.

Однако перейдём от абстрактных и сложных формулировок (без которых, правда, не обойтись) к практике. Рассмотрим, что же собой представляет оптимальный техноценоз, для чего вновь обратимся к аналогии с биоценозом. Известно, что в любом устойчивом биоценозе (в лесу, озере, саванне…) нормально сосуществуют, к примеру, десяток слонов, сотня леопардов, тысяча зайцев и миллионы саранчи. Но никак не наоборот. Мы знаем множество примеров, когда в результате вмешательства человека или стихийных бедствий биоценозы были дестабилизированы (происходило массовое вымирание животных, вспышки эпизоотий, лавинообразное размножение саранчи, леммингов или других видов, за которым следовало также массовое вымирание и так далее). Аналогичная картина и в техноценозах, где имеются свои «слоны», «леопарды», «зайцы» и «саранча». При этом «слон» — это изделие сложное, единичное, уникальное, дорогое, требующее максимальных затрат на обслуживание (космический корабль, золотое изделие, ракетный комплекс, обыгравший Каспарова компьютер, коллекционный французский коньяк), а «саранча» — изделие простое, массовое, унифицированное, дешёвое, не требующее особого обслуживания (велосипед, алюминиевое изделие, автомат Калашникова, компьютер на базе Pentium, бутылка «Столичной»).

Следовательно, рентабельным будет магазин, в котором всегда продаётся небольшое количество дорогих вещей (их разнообразие должно быть наивысшим), определённое количество средних по цене и значительное число дешёвого товара (который, однако, не может быть разнообразным). Думается, учитывая, что мы вооружены теперь новыми знаниями, нелишне будет вернуться к оставленному нами примеру с энергосистемой региона и посмотреть, а каков же оптимальный вариант обеспечения электроэнергией потребителей с суммарной установленной мощностью сто тысяч киловатт. Закон оптимального построения техноценозов диктует, что нам необходимо иметь в системе генерирующих электроэнергетических мощностей данного региона, к примеру, одну электростанцию мощностью тридцать четыре тысячи киловатт, восемь — по четыре тысячи и тридцать четыре — по одной тысяче киловатт. Описанные нами техноценозы (магазин и энергосистема) наиболее устойчивы и наименее затратны. При этом распределение товара в подобном магазине соответствует естественному распределению покупателей по доходам, а энергосистема обладает наибольшей устойчивостью и гибкостью при изменениях конъюнктуры на рынке энергоносителей.

Следует отметить, что естественное формирование оптимального распределения технических изделий в техноценозе происходит в результате информационного отбора, реализуемого человеком (и/или техническими системами, в перспективе — в основном техническими). При этом ключевыми являются противоречия между двумя противоположностями: производителем и потребителем технических изделий. В области крупных, уникальных, сложных и дорогих изделий побеждает потребитель, стремящийся индивидуализировать потребление (если я покупаю космический корабль, то вправе потребовать, чтобы его сделали так, как мне хочется). В области мелких, массовых, простых и дешёвых изделий побеждает производитель, который стремится унифицировать производство (было бы нелепым требовать изготовления гвоздя по индивидуальному заказу).

Закон оптимального построения техноценозов позволяет перейти к констатации взаимосвязи, которая является, быть может, одной из наиболее важных в практическом плане. В ней видится непосредственная теоретическая основа методологии оптимизации техноценозов. В настоящее время удалось теоретически показать и эмпирически подтвердить объективно существующую фундаментальную взаимосвязь между уровнем параметров технических изделий, с одной стороны, и количеством этих изделий в техноценозе — с другой. По сути, — это связь между количеством и качеством. Имеются довольно сложные математические конструкции, отражающие эту связь и показывающие, что она обратная. Это, кстати, легко воспринимается на интуитивном уровне. Чем более сложным, дорогим, уникальным, большим является техническое изделие («слон»), тем меньшее их количество должно входить в устойчивый техноценоз (и наоборот). Учитывая сформулированную взаимосвязь, нетрудно осознать, что сколь угодно значительное отклонение параметров разрабатываемых вновь или модернизируемых технических изделий от значений, которые задаются степенью массовости этих изделий в техноценозе, неизбежно повлечёт за собой адекватные изменения параметров, характеризующих обеспечивающие системы. Попытка внедрения подобного технического решения в инфраструктуру устойчивого техноценоза приведёт к его дестабилизации. При этом совершенно не важно, в какую сторону предполагается отклонение параметров. Верно и обратное утверждение: техноценоз будет дестабилизирован также и в том случае, если количество технических изделий увеличится сверх нормы, диктуемой их параметрами.

Например, мы имеем устоявшуюся, стабильную, уже оправдавшую себя систему вооружения группировки войск, в которой имеется небольшое количество ракетных комплексов («слонов»), определённое количество танков («волков») и очень большое число автоматов Калашникова («саранчи»). Эту систему обеспечивает целая инфраструктура, также устоявшаяся (системы тылового и технического обеспечения, подготовки кадров и другие). Какому-то узкому специалисту по танкам пришло в голову кардинально усовершенствовать находящийся на вооружении танк. При этом он предлагает новейшее орудие, принципиально новую электронику, автоматику, резко улучшенную по своим характеристикам броню и так далее. В результате модернизации мы получаем отличную машину (лучшую в мире, как и все у нас), демонстрируем её на выставке (там ей восторгаются), министр обороны (и он доволен) издает приказ о принятии её на вооружение. А внедрить в войска этот танк никак не удаётся, так как он оказывается чрезвычайно дорогим, сложным в эксплуатации, ремонтопригодность низкая, для него нужны какие-то особенные боеприпасы и так далее. Самое удивительное, что подобные примеры новейших образцов военной техники мы имеем сплошь и рядом (танк Т–80, вертолёт «Черная акула», самолёт «МИГ–37» и другие).

Таким образом, при проектировании новых видов технических изделий (модернизации старых) обязательно должна учитываться та инфраструктура, в которую предполагается внедрять эти виды. Сделать это можно, лишь рассматривая в качестве техноценозов объекты, в которые предполагается внедрять изделия, и применяя к ним закон оптимального построения. Практические методики, реализующие техноценологический подход, объединяются общей концепцией оптимизации техноценозов, к рассмотрению которой мы сейчас перейдём.

Прежде чем сформулировать концепцию оптимизации, представляется целесообразным обратиться к основным понятиям системного подхода и определить место техноценозов среди сложных систем. Вообще под системой в её классическом определении понимается совокупность объектов и отношений между ними, образующая единое целое. Ввиду того, что данное определение является слишком общим, ранее было введено понятие сложной системы. В технической области к сложным системам, как правило, относят функционально законченные изделия (электродвигатель, автомобиль, космический корабль, радиостанцию и другие). Мы уже знаем, что в инфраструктуре техноценоза взаимосвязанно функционирует значительное количество различных систем, поэтому закономерно и логично выделить техноценозы из класса сложных и назвать из сверхсложными системами. Однако естественен вопрос: для чего это делать? Проблема здесь, конечно же, не в терминах, а, прежде всего, в методологии. Как мы уже отмечали, для исследования (в том числе оптимизации) сложных систем используются классические методы точных наук (законы Ньютона — Ома — Кирхгофа) и теория вероятностей. К техноценозам (сверхсложным системам), если они берутся в целом, подобная методология неприменима. Здесь предлагается использовать техноценологический подход в целом и закон оптимального построения техноценозов в частности.

Как показывают многочисленные модельные исследования в различных областях человеческой деятельности, выполнение закона оптимального построения техноценозов (прежде всего — принципа максимума энтропии) связано с определённой формой рангового распределения, а это позволяет проследить несомненную связь между процедурами номенклатурной и параметрической оптимизации. При этом под параметрической оптимизацией подразумевается улучшение (развитие) техноценоза за счёт улучшения отдельных технических изделий (в качественном смысле), а под номенклатурной — улучшение за счёт изменения набора этих изделий (в количественном смысле). Этими процедурами в конечном итоге и ограничивается арсенал методов инженера, занимающегося техноценозом в целом. Следует отметить, что, применительно к техноценозу, воздействовать на параметры вида (осуществлять параметрическую оптимизацию) — далеко не всегда означает собственно изменять параметры (модернизировать) данный вид. Речь может идти и о его замене на другой, уже выпускаемый промышленностью, выполняющий те же функции, но обладающий другими параметрами. Точно так же и номенклатурная оптимизация техноценоза представляет собой изменение лишь перечня его видов и совсем не обязательно должна сопровождаться изменением вообще номенклатуры выпускаемых изделий.

Если говорить о собственно процедуре оптимизации техноценоза, то следует заметить, что инженер никогда не проектирует техноценоз в том смысле, как конструируются отдельные технические изделия-особи. Речь в данном случае идёт лишь о развитии уже существующей системы-техноценоза. Неприменимо к ним и общепринятое понятие оптимизации как экстремализации аналитически или алгоритмически чётко выраженных целевых функций, описывающих (моделирующих) оптимизируемые объекты. Здесь имеется в виду скорее сбалансированное развитие техноценоза и оптимальное управление его структурой. Причём окончательное достижение оптимального состояния в процессе совершенствования, видимо, принципиально невозможно, что делает процедуру оптимизации, с прикладной точки зрения, более значимой, нежели достижение оптимального состояния техноценоза (в данном случае средства важнее цели).

Таким образом, определением особого места техноценологического подхода в оптимизации сверхсложных технических систем закладываются теоретические основы концепции оптимизации, которая, в свете сказанного, является и критерием. Её суть заключается в том, что оптимальное совершенствование структуры (оптимизацию) техноценозов предлагается осуществлять в два этапа: на первом этапе определять и оптимизировать базовые виды, а на втором — формировать такое видовое разнообразие и параметры видов технических изделий, которые соответствуют параметрам, диктуемым законом оптимального построения техноценозов.

Базовые виды техноценоза представляют собой самый сложный, дорогой, уникальный, с одной стороны, и самый простой, дешевый, массовый вид техники — с другой. Они определяются в результате статистического анализа структуры техноценоза и своими параметрами как бы закрепляют крайние точки гиперболы рангового распределения, построенного по ключевым параметрам, характеризующим исследуемый техноценоз. После того как определены крайние точки, методами математического анализа по закону оптимального построения техноценозов определяется оптимальное (для данного техноценоза в данный момент времени) ранговое распределение. Сопоставление реально существующего и оптимального распределений позволяет выявить аномальные области (отклонения от оптимума). При этом могут иметь место аномалии двух типов: первый (номенклатурная) — вместо одного универсального вида техники имеются два или более (реже бывает наоборот), что ухудшает условия функционирования системы технического обеспечения; второй (параметрическая) — основные параметры, характеризующие функциональное предназначение вида техники, занижены или завышены по сравнению с требуемыми, что-либо ухудшает условия функционирования системы технического обеспечения, либо не соответствует потребностям техноценоза. Устранение аномальных отклонений реально существующего рангового распределения осуществляется с помощью специальных прикладных процедур номенклатурной и параметрической оптимизации, реализуемых циклично. Это позволяет выявить теоретические требования к техноценозу на каждом этапе его развития. Дальше задача состоит в претворении данных требований в жизнь, что осуществляется в процессе целенаправленной научно-технической политики.

Следует отметить два принципиальных момента. Во-первых, реализация оптимизирующих процедур на практике занимает длительное время (годы), за которое техноценоз и окружающие условия успевают измениться. Это требует нового анализа его структуры и повторения процедуры номенклатурной и параметрической оптимизации, то есть данный процесс является цикличным. Во-вторых, оптимизация такого сложного объекта, как техноценоз, не под силу одному человеку. Здесь должны работать целые коллективы, объединяющие как учёных, так и практиков.

Рассмотрим пример из военной области. В системе вооружения группировки войск базовыми видами являются, с одной стороны, ракетный комплекс С–300, а с другой, — автомат Калашникова. Анализ рангового распределения показывает, что оно отличается от оптимального, при этом мы имеем две аномалии, первая — зенитная артиллерийская установка ЗСУ–23–4 «Шилка», которая излишне массово распространена в войсках; к тому же она сложна по конструкции отдельных систем, что крайне отрицательно сказывается на её эксплуатационных показателях — трудно готовить кадры. Кроме того, она чрезвычайно дорога. И если бы «Шилок» в группировке было меньше, то все было бы нормально, но для существующей численности, она слишком сложна. Мы предлагаем её упростить (например, исключить наиболее сложное и энергоемкое радиолокационное оборудование) либо произвести оргштатные мероприятия и сократить их численность в группировке.

Вторая аномалия — передвижные войсковые электростанции ЭСБ–4-ВО (осветительная) и ЭСБ–4-ВЗ (зарядная), которые также очень широко распространены в войсках, то есть находятся в зоне рангового распределения, где должна быть высокая унификация образцов технических изделий. Представляется целесообразным разработать унифицированную зарядно-осветительную электростанцию и включить её в штаты взамен находящихся на снабжении осветительной и зарядной.

Таким образом, суть техноценологического подхода к оптимизации заключается в целенаправленном изменении параметров отдельных видов технических изделий и их номенклатуры с учётом макроскопических интересов техноценоза в целом. При этом выполнение требований закона оптимального построения техноценозов обеспечит такое состояние, которое, с одной стороны, в максимальной степени будет соответствовать функциональному предназначению, а с другой — потребует минимальных затрат на всестороннее обеспечение в условиях динамично и непредсказуемо изменяющейся инфраструктуры.

Содержание
Новые статьи
Популярные статьи