Основные свойства СЦТ и ИТ

Важным аспектом системных исследований является изучение свойств систем. В последние годы этой проблеме уделяется большое внимание [9, 20]. Такое изучение позволяет найти характерные обобщенные свойства поведения и структуры систем данного типа. Знание этих свойств позволяет более правильно сформулировать задачу комплексной оптимизации СЦТ и ИТ, наилучшим образом создавать методы и средства ее решения и находить наиболее обоснованное решение.

Как известно, свойство — это то, что обусловливает отличие или сходство данного объекта (системы) с другими объектами (системами). Поэтому свойство присуще данному объекту, а следовательно, оно объективно. В то же время каждый объект может обладать множеством свойств. Научный системный анализ должен из такого множества свойств объекта выделить ограниченное число наиболее существенных с целью их содержательного изучения. Последнее следует подчеркнуть особо, так как изучение свойств реальных объектов (систем) нужно именно для того, чтобы с их помощью познать процессы, происходящие в объектах (системах), и воздействовать на них в нужных направлениях. Но существенность свойств объектов (систем) конкретного вида во многом зависит от аспекта изучения объекта. Применительно к системным энергетическим исследованиям главный аспект изучения систем — это изучение условий их оптимального функционирования. Под этим понимается изучение причинных связей развития систем энергетики и выявление тех их структур и свойств, которые при данных ограничениях обеспечат наиболее эффективную реализацию задач, поставленных на рассматриваемый период времени народным хозяйством перед энергетикой [9].

Другой аспект изучаемых свойств заключается в том, что они могут характеризовать как реальную (энергетическую) сущность систем, так и их управляемость в смысле организации управления, информационных связей, средств управления и т.д. Поскольку в больших человеко-машинных системах управляемые и управляющие части не имеют четких граней, подобный сложный характер свойств систем энергетики нужно учитывать.

При изучении какого-либо свойства систем энергетики необходимо дать содержательную интерпретацию свойства применительно к условиям и особенностям решаемой задачи. Важно установить количественные измерители сипы проявления свойства; однако это не всегда удается сделать и в некоторых случаях могут применяться и чисто качественные оценки. Не менее важно выявить параметры, через которые можно влиять на силу проявления свойств и оценить требуемую силу проявления свойства в исследуемой системе. Все это должно найти отражение при математическом моделировании исследуемой системы (выбор вида модели и ее содержания), а в конечном итоге - в формировании принципов и правил создания, развития и функционирования систем энергетики.

В настоящее время можно назвать достаточно много свойств, которые в той или иной мере важны для понимания систем энергетики. Состав свойств в определенной мере зависит от уровня и места рассматриваемой системы в иерархии систем энергетики. Применительно к СЦТ и ИТ можно выделить 4 группы наиболее важных свойств (рис. 2.1). Рассмотрим их.

Группа структурных свойств системы. Под структурой системы понимается ее строение, т.е. единство основных связей и входящих в нее элементов (подсистем). Структурные свойства раскрывают сущность иерархичности систем, т.е. соподчиненности систем разных уровней. Для качественной оценки и сравнения вариантов иерарахии больших и сложных технических систем используют 3 основных иерархических свойства — целостность, целевую согласованность и централизацию.

Свойство целостности системы выражается в наличии у системы таких свойств, которые не присущи составляющим ее подсистемам (элементам). Это свойство характеризует силу внутренних взаимосвязей в иерархии систем по сравнению с внешними связями. В свойстве целостности проявляется сущность системного подхода: несовпадение целого и частных, входящих в это целое, т.е. частные не суммируются, а синтезируются в целом с новым качеством (свойствами). В практических исследованиях учет свойства целостности важен при выработке принципов построения системы математических моделей и управления системой.

Свойство целевой согласованности отражает степень совпадения целей (интересов) систем на разных уровнях иерархии. Естественно, что свойство целевой согласованности тем сильнее, чем однороднее состав критериев, по которым разрабатываются и проектируются системы на разных уровнях иерархии. Конечной целью оптимизационных расчетов, выполняемых при разработке и проектировании СЦТ, является достижение оптимальных пропорций в распределении капиталовложений между отдельными элементами системы, а также установление оптимального соотношения между затратами на топливо и капиталовложениями в систему. Для таких задач в наибольшей степени оправданно принятие в качестве критерия эффективности минимума приведенных затрат, соизмеряющих капиталовложения и ежегодные расходы с учетом фактора времени. Другие возможные цели оптимального проектирования СЦТ и входящих в них ИТ на отдельных уровнях иерархии следует рассматривать как подчиненные и учитывать при формировании основного критерия эффективности или в системе ограничений на решение задачи.

Свойство централизации характеризует силу воздействия верхних уровней иерархии на решение задач, осуществляемое нижестоящими системами. Это свойство оказывает влияние на многие свойства иерархии системы: структуру системы, силу проявления вертикальных и горизонтальных связей и т.д. Чем выше уровень централизации, тем проще структура системы. Это прогрессивная сторона централизации. Вместе с тем при высоком уровне централизации системы даже небольшие изменения в функционировании подсистемы верхнего иерархического уровня могут существенно сказаться на функционировании низкого иерархического уровня. Очевидно, что для каждой системы есть свой уровень централизации, нахождение таких уровней — главная задача изучения их иерархической структуры.

Групп» свойств, характеризующих развитие системы. В нее включены шесть основных свойств: динамичность, структурная и экономическая стабильность, гибкость, инерционность, адаптация и дискретность.

Свойство динамичности отражает взаимное влияние состояний системы в разные моменты (интервалы) времени (настоящего состояния — на будущее и наоборот). Свойство динамичности проявляется в движении системы, характеризуя изменения во времени ее параметров и процессов. По силе проявления этого свойства задачи оптимизации систем делятся на динамические и условно-статические. Динамическими называют задачи оптимизации непрерывно развивающихся систем за совокупность временных периодов, т.е. с учетом влияния предыдущих состояний системы на последующие и наоборот (см. гл. 8). Задача оптимизации параметров и структуры системы теплоснабжения — задача динамическая. Условно-статическими называются задачи, в которых ищется решение по созданию систем к заданному сроку, после чего основные их характеристики остаются неизменными. К этому типу задач относятся задачи оптимизации параметров и вида технологической схемы источников теплоты и их оборудования. Вместе с тем при оценке экономического эффекта от ввода и использования оптимизируемой энергоустановки за многолетний период ее эксплуатации необходимо учитывать возможные изменения условий работы энергоустановки.

Со свойством динамичности развития систем тесно связаны свойства стабильности; они ослабляют проявление динамичности систем. Свойство структурной стабильности отражает способность системы в своем развитии сохранять постоянным (или меняющимся в нешироких пределах) свое строение, т.е. большую часть основных элементов и связей. Применительно к проблеме поиска оптимальных решений ИТ структурная стабильность проявляется как способность оптимальных проектных решений по энергоустановке реагировать на значительные изменения исходных данных относительно небольшим изменением технологической схемы установки. Под экономической стабильностью понимается такое свойство системы, при котором достаточно существенные изменения в ее структуре, составе элементов или (и) значении параметре характеризуются значительно меньшими изменениями суммарных денежных затрат. Это свойство системы позволяет, например, понять причины незначительного колебания денежных затрат по вариантам СЦТ, существенно различающимся своими техническими характеристиками. Свойство экономической стабильности систем важно для изучения сипы проявления свойства неопределенности оптимальных решений о параметрах и структуре СЦТ и ИТ, для оценки степени подробности построения математических моделей, для определения требуемой точности оптимизационных расчетов и т.д.

Свойство гибкости развития системы отражает ее способность с необходимой быстротой изменять свою структуру для обеспечения нормального развития, а также функционирования при возможных возмущениях. Это свойство особенно важно в условиях неполноты информации, используемой при принятии решения. Практически всегда может быть ряд направлений развития системы, определяемых заранее точно неизвестными

Свойство инерционности можно определить как свойство системы противостоять внешним и внутренним воздействиям, имеющим целью изменить ранее намеченное движение системы. Инерционность движения в основном зависит от инерционности как отдельных ее элементов, так и органов управления, а также от уровня стабильности системы. Количественно инерционность системы может измеряться периодом времени, который должен пройти от момента, когда стала известна необходимость изменить сложившиеся направления развития системы, до того, когда это новое направление развития может быть реализовано. В то же время характеристикой инерционности развития системы может служить размер затрат, направляемых на ее преодоление.

Свойство адаптации в общем случае характеризуется как процесс накопления и использования информации, направленный на достижение некоторого, обычно оптимального состояния системы при наличии начальной неопределенности ее состояния и изменяющихся внешних условий. Применительно к проблеме развития энергетики свойство адаптации можно понимать как способность системы приспосабливать свое развитие к появлению новых внешних и внутренних возмущающих событий (новых условий развития). Соответственно понятие адаптации связано с появлением некоторых новых элементов и связей системы, необходимых для успешного ее развития в быстро изменяющихся, преимущественно внешних условиях, и со временем, требуемым для такой перестройки ее структуры. Из сказанного вытекает понятие затрат на адаптацию в смысле тех денежных затрат, которые необходимо дополнительно произвести для того, чтобы обеспечить относительно наиболее надежное развитие системы при возможных изменениях в условиях такого развитая.

Динамический характер задач оптимального развития систем теплоснабжения и условно-статический - задач оптимального проектирования источников теплоты предопределили специфику использования свойства адаптации при решении этих групп задач и необходимость применения существенно различающихся методов (см. разд. 10.2 и 10.3).

Свойство дискретности определяется скачкообразностью ввода новых связей и элементов системы. Это свойство для систем теплоснабжения весьма существенно из-за сооружения отдельных достаточно крупных теплогенерирующих установок и теплопроводов, а также применения стандартной (дискретной) шкалы типоразмеров оборудования и трубопроводов. Для элементов СЦТ характерно дискретное изменение свойств используемого материала при переходе от одного его вида к другому и дискретное изменение значений ряда параметров. Как известно, учет фактора дискретности принадлежит к числу особо трудных задачах.

Группа свойств, характеризующих функционирование системы. В эту группу свойств отнесены два комплексных свойства: экономичность и надежность.

Экономичность — это свойство системы осуществлять свои функции с минимумом затрат овеществленного (капиталовложения) и живого (ежегодные расходы) труда при ряде заданных ограничений, среди которых основные - по надежности развития и функционирования, по качеству поставляемой энергии, по виду используемых энергетических ресурсов, по требованиям экологии и др. Свойство экономичности отнесено с определенной условностью к функционированию, а не к развитию систем, потому что именно в функционировании — в эксплуатации — проявляется действительная экономичность системы, которая только в этот период отдает народному хозяйству свою реальную продукцию. Это очень важное свойство системы. На повышение экономичности СЦТ за счет снижения капитальных вложений и сокращения текущих затрат направлены основные усилия разработчиков обрудования и проектировщиков систем теплоснабжения в целом.

Надежность — свойство объекта сохранять способность выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Для систем теплоснабжения в числе этих функций особое место занимает бесперебойное обеспечение потребителей тепловой энергией требуемого качества. Надежность — сложное свойство, включающее, в свою очередь, применительно к системам теплоснабжения и их элементам такие свойства, как безотказность, безопасность, долговечность, живучесть, ремонтопригодность или сочетание этих свойств системы. Рациональный уровень надежности технических систем должен иметь экономическое обоснование, при котором рассматриваются все способы повышения надежности системы.

Учитывая динамический характер систем теплоснабжения, необходимо обеспечить требуемую надежность системы не только на условно конечном этапе ее развития, но и на всех промежуточных этапах развития при неполном наборе функционирующих источников тепловой энергии и теплопроводов. Соответственно понятие надежности используется расширенно; оно охватывает как процесс эксплуатации, так и процесс развития системы теплоснабжения. Применительно к эксплуатации условия надежности находятся для заданной структуры системы; надежность развития предполагает нахождение такой структуры системы, которая обеспечит ее надежное развитие и функционирование. Видимо, в общем случае под надежностью развития можно понимать способность системы иметь такую структуру, которая (при заданных ограничениях) может в пределах влияния ряда негативных возмущений (изменяющихся условий) обеспечить требуемую надежность развития и функционирования системы с необходимой экономичностью (подробнее см. гл. 9).

В целом такие системные понятия, как гибкость структуры, надежность развития, затраты на адаптацию, тесно взаимосвязаны. С известной долей упрощения схематически связь этих понятий следующая: гибкость структуры характеризует способность системы своевременно, т.е. с необходимой быстротой, обеспечивать ее экономичное развитие при возникновении определенных (позитивных, негативных) возмущений (в пределах заданных их ограничений). Надежность развития — понятие относительно более узкое: оно характеризует возможность нормального (в том числе относительно экономичного) развития, а поэтому и функционирования системы при появлении негативных возмущений (опять-таки в заданных ограничениях). Затраты на адаптацию характеризуют те дополнительные затраты, которые необходимы для нормального функционирования системы при появлении непредвиденных (не предусмотренных планом) возмущений, которые можно локализовать проведением относительно небольших корректирующих мероприятий [9].

Группа свойств, характеризующих управляемость системы. В эту группу включены три свойства: неполнота информации, недостаточная определенность оптимальных решений, многокритериальность.

Свойство неполноты информации отражает невозможность получения исходных данных, необходимых для однозначного определения прошлого, текущего или будущего состояния системы. Это обусловлено тем, что наряду с детерминированной значительная часть информации является недостаточно определенной. Обычно свойства информации не включаются в свойства систем. Однако особенности информации существенно определяют свойства системы как объекта управления и изучения.

Неполнота информации есть результат постоянного изменения условий, в которых происходит развитие систем энергетики, а также недостаточности наших знаний о появлении этих условий и в целом о будущем состоянии систем. В общем случае недостаточная определенность знаний о будущем состоянии систем энергетики является следствием сложности их внутренней структуры и наличия совокупности многих факторов, особенно внешних, переменно во времени влияющих на их развитие. Вместе с тем очень часто неполнота используемой информации есть результат несовершенства методов сбора, обработки и подготовки информации при различных формах ее представления. Совершенствование этих методов — важнейшая задача.

Свойство недостаточной определенности оптимальных решений формулируется как невозможность определения одного (единственного) варианта решения о создании, развитии и функционировании системы, который был бы наилучшим с точки зрения цепи (критерия) управления. Это свойство в значительной мере обусловлено неполнотой информации об условиях создания, развития и функционирования систем энергетики. Обоснованный учет этого свойства потребовал разработки методов принятия решения при неполной информации, которые включают как формализованные приемы, так и активное участие человека. Применением лишь формализованных методов невозможно получить Оптимальное решение для подавляющего большинства сложных задач развития систем энергетики. Рассматриваемое свойство тесно связано со структурными свойствами и свойствами развития систем (см. гл. 10).

Свойство многокритериальности определяется наличием нескольких критериев для оценки эффективности создания, функционирования и развития системы. Второй аспект многокритериальности — несовпадение критериев управления подсистемами на разных уровнях иерархии. Наиболее сложна иерархия целей, решений и критериев в системе народного хозяйства страны. Системы энергетики, в том числе теплоснабжения, относятся к тому иерархическому уровню народного хозяйства, при котором считаются принятыми основные его пропорции, а главная цель заключается в наиболее эффективном их достижении. Однако опыт убедительно показывает, что для систем энергетики затруднительно сформулировать единый критерий как мерило истинности для всего многообразия принимаемых в энергетике решений, направленных на достижение указанной цели.

В качестве главного экономического критерия при исследовании систем теплоснабжения в настоящее время принимается денежное выражение приведенных во времени совокупных общественно необходимых затрат живого и овеществленного труда. При неполной информации о развитии систем теплоснабжения их оптимизация с помощью экономических критериев во многих случаях может дать не однозначное решение, а лишь некоторую зону равноэкономичных решений. Тогда логично вводить ряд других критериев, в том числе количественно непосредственно несоизмеримых с экономическим.

При решении ряда сложных задач развития систем наряду с экономическими одновременно должны реализовываться столь же важные другие цели, например обеспечения гибкости развития, социальные, экологические и др. Тогда наряду с экономическими появляются и другие критерии соизмеримой важности.

Приведенную в данном разделе классификацию основных свойств СЦТ и их состав следует рассматривать лишь в качестве одного из возможных предложений. Многие из названных свойств применительно к СЦТ еще недостаточно изучены. В зависимости от результатов их изучения могут быть внесены необходимые коррективы.

Исследование систем теплоснабжения/Л.C. Попырин, К.С. Светлов, Г.М. Беляева и др. М.: Наука, 1989.