IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

В 70-80-х годах профессором Борисом Ивановичем Кудриным опубликовано более двадцати статей по новому направлению, которое даже не имеет пока устоявшегося названия и связано с созданием обобщенной науки о технике, хотя "необходимость формирования фундаментальной науки об общих естественных закономерностях развития техники и технологии осознается все в большей мере". Основная руководящая идея обширных исследований Б.И.Кудрина заключалась в использовании достижений биологии при разработке вопросов теории техники. Он предлагает строить систему понятий в данной области на основе системы понятий из биологии, которая изучает сходные объекты и как наука значительно опережает теорию техники.

Б.И.Кудрин обоснованно ввел фундаментальное понятие техноценоз, которое по своей сути соответствует понятию биоценоз в биологии. В его работах сказано: "Назовем техноценозом ограниченное в пространстве и времени любое выделенное единство, включающее сообщество изделий. Под изделием понимается предмет или совокупность предметов производства той или иной технологии. Изделие (машина, оборудование, агрегат, устройство, аппарат, прибор) - самостоятельно функционирующая единица, рассматриваемая как элементарная"[1].

Техноценологический подход в последнее время получил широкое распространение. Он применяется для оптимизации состава предприятий по установленному оборудованию, стоимостным и штатным показателям, расходу материальных и энергетических ресурсов, а также для оценки структуры электрогенерирующих мощностей, величины вырабатываемой электроэнергии и др. Исследование техноценозов - это исследование целого, конкретного объекта, обладающего интегративными свойствами, исследование, предполагающее движение от целого к частям [5] при изучении очень сложных вероятностных технически систем (К таким системам могут быть отнесены, например, электрическое хозяйство современных металлургических предприятий, само предприятие, система обеспечения страны чугуном и т.п.). Так же актуальным и перспективным представляется применение указанного подхода к энергоснабжению (теплоснабжению) города (района,региона).

В настоящее время в Кузбассе насчитывается свыше 1300 котельных, значительно отличающихся по производительности (на порядки). Вся эта совокупность котельных определенным образом развивается. Небольшие, устаревшие котельные закрываются и в ряде случаев вместо нескольких таких котельных строится одна - более крупная, оснащенная современным оборудованием. В то же время на некоторых предприятиях устанавливают собственные котельные, отказываясь по ряду причин (ненадежность теплоснабжения из-за удаленности от теплоисточника при изношенных теплотрассах, рост тарифов на тепловую энергию и т.д.) от централизованного теплоснабжения.

При традиционном подходе, в каждом конкретном случае при выборе теплоисточника сопоставляются различные варианты для выбора оптимального, однако, в целом развитие всей совокупности котельных области идет достаточно стихийно и весьма сложно прогнозировать дальнейшее направление этого процесса. Казалось бы очевидно, что замена нескольких небольших котельных одной крупной, т.е. централизация теплоснабжения наиболее перспективна. В то же время, несмотря на все преимущества централизованного теплоснабжения, вряд ли оправдана установка одной, пусть наиболее совершенной котельной для таких городов как Ленинск-Кузнецкий, Прокопьевск, Киселевск и др. Очевидно, что такая система значительно более уязвима в случае возникновения каких либо форс-мажорных обстоятельств (крупная авария и т.д.), а наличие протяженных и разветвленных тепловых сетей при их нынешнем состоянии приводит к значительным (до 30 %) потерям тепловой энергии.

Для оптимизации системы, состоящей из множества объектов (в данном случае котельных) и прогнозирования ее развития следует рассматривать ее в целом, всю их совокупность, т.е. фактически как техноценоз (назовем ее теплоценоз), к нему может быть применен техноценологический подход, разработанный проф. Б.И.Кудриным [1]. Им установлено, что в любой технической системе, включающей большое количество объектов, объективно существует определенное соотношение между крупными, средними и мелкими объектами, При этом распределение объектов по какому-либо параметру, характеризующее их разнообразие, ( Н - распределений) носит гиперболический характер. Отличительной особенностью таких систем, называемых техноценозами является то, что в них теоретически отсутствует математическое ожидание, а дисперсия практически бесконечна.

Основным инструментом техноценологического подхода является ранговый анализ [4]. Первый его шаг - это ранжирование объектов по выбранному параметру. При этом объекты (в данном случае, теплоснабжающие предприятия-котельные) расставляют в порядке убывания (невозрастания) параметра. Первый ранг (r) присваивают объекту, имеющему наибольшее значение параметра. Для инженерных расчетов применяют упрощенное аналитическое выражение рангового распределения по параметру

где r - ранг 1,2,3 ...r ; W - производительность котельной ; β ≤ 2 - ранговый коэффициент, характеризующий степень крутизны гиперболической кривой Н - распределения.

Исследование техноценоза начинается со сбора статистической информации о составляющих его объектах и статисти­ческой обработки полученных данных. Совре­менное компьютерное прикладное програм­мное обеспечение позволяет осуществлять бы­струю, эффективную и корректную обработку данных любых объемов и сложности. На первом этапе исследований проводилось ранжирование котельных г.Прокопьевска в количестве 92 шт. Котельные ранжировались как по установленной мощности, так и по нагрузке. Фактическое распределение данных совокупностей котельных по их мощностям приведено на рис. 1 и 2 (пунктир). Графики построены с использованием пакеты прикладного программного обеспечения MathCAD на основе расчетной программы для первичной статистической обработки данных, приведенной в [4].

На рис. 3 приведено сравнение распределений котельных по установленной мощности и нагрузке, из которого видно, что кривая H - распределения котельных по нагрузке лежит несколько ниже распределения по установленным мощностям, что свидетельствует о том, что существует некоторый запас мощности.

С точки зрения последующей статистической обработки данных, большое значение имеет аппроксимация эмпириче­ских ранговых распределений. Ее задача заклю­чается в подборе аналитической зависимости, наилучшим образом описывающей совокуп­ность точек. В качестве стандартной мы задаем двухпараметрическую гиперболическую форму, выбор которой объясняется традици­онно сложившимся подходом среди исследо­вателей, занимающихся ранговым анализом. Возможно, данная форма не самая со­вершенная, однако она обладает неоспори­мым достоинством - сводит задачу аппрокси­мации к определению всего двух параметров. Аппроксимация выполнена методом наименьших модулей. Полученные аппроксимационные кривые представлены на рис 1,2.

Данная программа позволяет также определить значения рангового коэффициента β. Для котельных, ранжированных по установленной мощности, β=1.29; для котельных, ранжированных по нагрузке, β=1.297.  Поскольку кривые H - распределений котельных практически повторяют друг друга (рис. 3), то и их ранговые коэффициенты различаются незначительно ( на 0.07). Полученные значения ранговых коэффициентов хорошо укладываются в пределы β, установленные для техноценозов и даже достаточно близки к оптимальному значению (в_опт=1).

В дальнейшем необходимо продолжение рангового анализа, в частности, обязательно рассмотреть изменение Н-распределения во времени. В конечном итоге, в результате рангового анализа должна быть выполнена оптимизация выделенных теплоэнергетических ценозов (теплоценозов) и определено направление развития системы теплоснабжения города.

Список литературы:

1. Кудрин Б.В. Введение в технетику. 2 - изд. Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1993. 552 с.
2. Нифонтов И.Н., Лагуткин О.Е., Ошурков М.Г. Ранговые оценки электропотребления промышленных предприятий // Электрика. 2003. № 12. С. 18-22.
3. Кудрин Б.И. Электропотребление в электрометаллургии // Электрика. 2003. № 9. С. 35-45.
4. Гнатюк В.И., Северин А.Е., Двойрис Л.И., Барабанов С.В. Аппроксимация ранговых распределений ( опыт применения пакета MathCAD - 2001) // Электрика. 2003. № 3. С. 41-43.
5. Блауберг И.В. Целостность и системность. - В кн.: Системные исследования: Ежегодник, 1977. М.: Наука, 1977.

Код для цитирования: Скопировать